船舶柴油機調速器試驗臺的製作方法
2023-06-02 19:14:16 2
船舶柴油機調速器試驗臺的製作方法
【專利摘要】船舶柴油機調速器試驗臺，包括調速器試驗裝置、RTPC仿真器及I/O模塊，所述調速器試驗裝置至少包括依次相連的變頻電機、調速器執行器、位置編碼器；所述RTPC仿真器為集成了柴油機模型的工控機；RTPC仿真器的輸出端通過線束與I/O模塊的輸入端連接，I/O模塊的輸出端通過線束與調速器試驗裝置的變頻電機的輸入端連接，調速器試驗裝置的位置編碼器的輸出端通過CAN總線與RTPC仿真器的輸入端連接，RTPC仿真器、I/O模塊與調速器試驗裝置通過線束依次相連構成閉環仿真系統。I/O模塊接收RTPC仿真器仿真輸出的柴油機模型轉速信號並將其轉化為控制信號傳送至調速器試驗裝置。本發明針對不同類型船舶柴油機調速器進行性能測試和控制策略研究，可靠性高、通用性強。
【專利說明】船舶柴油機調速器試驗臺
【技術領域】
[0001]本發明屬於內燃機工程【技術領域】，具體涉及一種船舶柴油機調速器試驗臺，用於船舶柴油機調速器動態性能測試、調速器控制策略研究及控制器開發。
【背景技術】
[0002]柴油機調速器作為改變柴油機噴油量的調節機構，是柴油機性必不可少的固件之一。調速器性能指標直接影響柴油機的動力性能指標(功率、轉矩、轉速)和運轉性能指標(冷起動性能、噪聲、振動)，同時還會影響油耗和有害氣體排放。目前，對船舶柴油機調速器進行性能測試最直觀的方法就是採用配機考核法。該方法是把調速器直接安裝在所配套的柴油機上進行臺架試驗，但這種方法既不經濟又不安全。還有比較常用的計算機仿真法，該方法是根據調速器的動力學(機械式調速器)、流體力學(液壓調速器)和電磁學原理(電子調速器)，通過數學推導建立調速器仿真模型，在計算機上進行離線仿真試驗。這種方法經濟合算，不需要花費很大的人力、財力和時間，仿真還可以完成實機試驗中無法做到的或者十分危險的試驗。但是，由於建模方法本身的局限性，調速器系統難以用準確的數學模型來表達，所以該方法不能得到準確的結果。
[0003]傳統的配機考核法測試調速器性能很難滿足既經濟又安全可靠的要求；計算機仿真法存在精度不高的缺點。半物理仿真技術(硬體在環仿真技術)的發展為柴油機調速器性能測試與控制器開發系統提供了一種全新的方法。硬體在環仿真技術把數學模型、物理模型和實體結合起來組成一個仿真系統。因此，研製一種柴油機調速器硬體在環仿真試驗臺，對於調速器動態性能測試、調速器控制策略研究及控制器開發有著很強的工程應用研究價值。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是，針對現有柴油機調速器開發與測試存在的上述不足，提供一種可靠性高、通用性強、計算精度高的船舶柴油機調速器試驗臺，針對不同柴油機調速器進行性能測試，以及調速器控制策略研究與控制器開發。
[0005]本發明為解決上述技術問題所採用的技術方案是:
[0006]船舶柴油機調速器試驗臺，包括調速器試驗裝置、RTPC仿真器及I/O模塊，所述調速器試驗裝置至少包括依次相連的變頻電機、調速器執行器、位置編碼器；所述RTPC仿真器為集成了柴油機模型的工控機；所述RTPC仿真器的輸出端通過線束與I/O模塊的輸入端連接，I/O模塊的輸出端通過線束與調速器試驗裝置的變頻電機的輸入端連接，調速器試驗裝置的位置編碼器的輸出端通過CAN總線與RTPC仿真器的輸入端連接，所述RTPC仿真器、I/O模塊與調速器試驗裝置通過線束依次相連構成閉環仿真系統。
[0007]按上述方案，所述I/O模塊由ETAS-ES4100板卡箱和I/O板卡組成，I/O板卡設置在ETAS-ES4100板卡箱內。
[0008]按上述方案，所述變頻電機由變頻器和驅動電機組成，所述變頻器為ACS510系列變頻器，額定功率1.5kff,內置Modbus接口和模擬輸入接口 ；所述驅動電機採用ABB-QABP系列變頻調速三相異步電機，額定功率1.lkW，額定扭矩10.5N.m，額定轉速935r/min。
[0009]按上述方案，所述位置編碼器採用倍加福CVS58系列單圈13位絕對式光電位置編碼器，該絕對式光電位置編碼器設有電隔離CAN總線接口。
[0010]按上述方案，該調試器試驗臺為機械式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器為機械調速器執行器。
[0011]按上述方案，該調試器試驗臺為液壓式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器為液壓調速器執行器，所述調速器試驗裝置還包括液壓供油單元，所述液壓油供油單元由油箱、油泵、電機、溫控儀、熱電阻傳感器、加熱器、調壓閥、濾器和油管組成，熱電阻傳感器、加熱器、濾器插入油箱中，油箱與油泵通過油管連接，油泵的輸入端與電機連接，油泵的輸出端通過調壓閥、油管連接至液壓調速器執行器上。
[0012]按上述方案，所述溫控儀採用PID智能溫控儀，控制精度0.5%，實際溫度誤差IV。
[0013]按上述方案，該調試器試驗臺為電-液式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器為電-液調速器執行器，該調試器試驗臺還包括電-液調速器控制器，所述I/o模塊的輸出端通過線束與電-液調速器控制器的輸入端連接，電-液調速器控制器的輸出端與調速器試驗裝置中的電-液調速器執行器的輸入端連接。
[0014]本發明採用硬體在環仿真技術，柴油機模型集成到RTPC仿真器中，針對三種不同類別的調速器試驗臺，工作原理分別如下:
[0015](I)針對機械式調速器試驗臺，柴油機模型在RTPC仿真器中經過仿真計算後將其實時轉速信號自RTPC仿真器的輸出端傳送至I/O模塊，I/O模塊把柴油機模型的實時轉速信號轉換成0-5V正弦波電壓信號方式接入調速器試驗裝置中的變頻器，變頻器帶動驅動電機以計算的轉速驅動機械式調速器執行器；機械調速器執行器通過變頻電機驅動其旋轉軸，使得機械調速器執行器內部飛重(質量塊)產生的離心力和彈簧的預緊力平衡達到調節轉速的效果；位置編碼器採集機械式調速器執行器輸出軸旋轉齒條位置信號，並以CAN總線方式將齒條位置信號發送給RTPC仿真器(柴油機模型)的輸入端，形成閉環仿真系統，從而對調速器執行器進行動態性能測試；
[0016](2)針對液壓式調速器試驗臺，與機械式調速器執行器相比，增加了一套壓力、溫度可調節的液壓油供油單元，以滿足液壓式調速器中液壓放大元件(液壓伺服器)的正常工作；液壓式調速器試驗臺通過液壓油供油單元給液壓調速器執行器內部供油並保持設定的油溫、油壓；液壓調速器執行器通過外部驅動電機驅動其旋轉軸，模擬柴油機扭矩驅動調速器或者為電-液式調速器執行器提供內部液壓油壓；位置編碼器採集液壓式調速器執行器輸出軸位置信號反饋給柴油機模型；
[0017](3)針對電-液式調速器試驗臺，柴油機模型在RTPC仿真器中經過仿真計算後將其實時轉速信號自RTPC仿真器的輸出端傳送至I/O模塊，I/O模塊把柴油機模型的實時轉速信號轉換成0-5V正弦波電壓信號輸入電-液調速器控制器，電-液調速器控制器經過計算反饋0-200mA直流電流信號給電-液調速器執行器；同時，通過變頻器設定柴油機工作轉速範圍內的某一轉速，以保證驅動電機以設定的轉速驅動電-液式調速器執行器內部的齒輪泵工作，使其產生正常工作需要的液壓油壓；同上述機械式調速器試驗臺或液壓式調速器試驗臺，位置編碼器採集電-液調速器執行器輸出軸旋轉齒條位置信號，並以CAN總線方式將齒條位置信號發送給RTPC仿真器(柴油機模型)的輸入端，形成閉環仿真系統，從而測試電-液式調速器執行器的性能，並進行控制策略研究及控制器的開發。
[0018]本發明創造與現有技術相比，主要有如下優點:
[0019]1、本調速器試驗臺採用硬體在環仿真技術，把柴油機用模型進行仿真，調速器執行器以實體形式與柴油機模型通過I/o模塊連接，構成閉環仿真系統，仿真條件更接近於實際情況，不需要起動柴油機就能完成調速器性能測試和故障模擬仿真，既滿足柴油機調速器仿真試驗環境的要求，又經濟、安全可靠、測試結果準確性較高；
[0020]2、本調速器試驗臺通用性強，適用於機械式調速器執行器、液壓式調速器執行器和電-液式調速器執行器，可針對不同類型船舶柴油機調速器進行性能測試和調速器控制策略研究，對控制器的性能進行檢驗和調試，減少現場調試；
[0021]3、本調速器試驗臺的調速器試驗裝置具有可靠性高的優點，整個實驗裝置採用全鋼製材料，並增加鋼板厚度以增加自身重量來保證執行器正常運轉時不會晃動，提高抗振動性，高度低重心穩，可滿足高轉速下試驗臺的穩定可靠工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明調速器試驗臺工作原理圖；
[0023]圖2是本發明柴油機調速器執行器實驗裝置結構圖；
[0024]圖3是本發明船舶柴油機模型結構圖；
[0025]圖4是本發明機械式調速器試驗臺工作原理圖；
[0026]圖5是本發明液壓式調速器試驗臺工作原理圖；
[0027]圖6是本發明電-液壓式調速器試驗臺工作原理圖；
[0028]圖3中:1_顯示屏，2-位置編碼器，3-調速器執行器，4-驅動電機，5_風機，6_變頻器，7-電機，8-油泵，9-油箱，10-溫控儀。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0030]參照圖1?圖6所示，本發明所述的船舶柴油機調速器試驗臺，包括調速器試驗裝置、RTPC仿真器及I/O模塊，所述調速器試驗裝置至少包括依次相連的變頻電機4、調速器執行器3、位置編碼器2 ;所述RTPC仿真器為集成了柴油機模型的工控機；所述RTPC仿真器的輸出端通過線束與I/O模塊的輸入端連接，I/O模塊的輸出端通過線束與調速器試驗裝置的變頻電機的輸入端連接，調速器試驗裝置的位置編碼器2的輸出端通過線束與RTPC仿真器的輸入端連接，所述RTPC仿真器、I/O模塊與調速器試驗裝置通過CAN總線依次相連構成閉環仿真系統。
[0031]所述I/O模塊由ETAS-ES4100板卡箱和I/O板卡組成，I/O板卡(PB4350DAC數/模轉換模塊)設置在ETAS-ES4100板卡箱內。
[0032]所述變頻電機由變頻器6和驅動電機4組成，所述變頻器6為ACS510系列變頻器，額定功率1.5kff,內置Modbus接口和模擬輸入接口 ；所述驅動電機4根據調速器或執行器的工作特性並針對船舶柴油機，採用ABB-QABP系列變頻調速三相異步電機(立式安裝)，額定功率1.lkW，額定扭矩10.5N.m，額定轉速935r/min，其正常工作時傳動速度為375-1 lOOr/min,同時為了防止電機長時間運轉而過熱，為其配備了風機5散熱。
[0033]所述位置編碼器2採用倍加福CVS58系列單圈13位絕對式光電位置編碼器，該絕對式光電位置編碼器以光電掃描分度盤以確定絕對位置值，設有電隔離CAN總線接口、以CAN總線信號輸出，工作模式可編程為詢問模式、循環模式和同步模式，傳輸速率IMbis/s。因調速器執行器輸出軸通過拉杆連接柴油機高壓油泵，拉動油門齒條控制器噴油量，硬體在環仿真平臺中柴油機本體採用模型的方式，所以只能通過輸出軸的位置來判斷油門齒條位置，進而算出噴油量。絕對式光電位置編碼器輸出軸範圍為0-42°，採用13位編碼器單圈可輸出8192個點，而在42°內可以有955個位置反饋點，完全能夠滿足實時性的要求。
[0034]本發明採用硬體在環仿真技術，柴油機模型集成到RTPC仿真器中，柴油機模型由柴油機本體模型、中冷器模型和增壓器模型組成，採用平均值建模方法建成，結構圖如圖3所示。
[0035]針對三種不同類別的調速器試驗臺，工作原理分別如下:
[0036](I)針對調試器試驗臺為機械式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器3為機械調速器執行器。機械式調速器試驗臺工作原理如圖4所示，柴油機模型在RTPC仿真器中經過仿真計算後將其實時轉速信號自RTPC仿真器的輸出端傳送至I/O模塊，I/O模塊把柴油機模型的實時轉速信號轉換成0-5V正弦波電壓信號方式接入調速器試驗裝置中的變頻器，變頻器帶動驅動電機以計算的轉速驅動機械式調速器執行器；機械調速器執行器通過變頻電機驅動其旋轉軸，使得機械調速器執行器內部飛重(質量塊)產生的離心力和彈簧的預緊力平衡達到調節轉速的效果；位置編碼器採集機械式調速器執行器輸出軸旋轉齒條位置信號，並以CAN總線方式將齒條位置信號發送給RTPC仿真器(柴油機模型)的輸入端，形成閉環仿真系統，從而對調速器執行器進行動態性能測試；
[0037](2)針對調試器試驗臺為液壓式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器3為液壓調速器執行器，所述調速器試驗裝置還包括液壓供油單元。所述液壓油供油單元由油箱9、油泵8、電機7、溫控儀10、熱電阻傳感器、加熱器、調壓閥、濾器和油管組成，溫控儀採用PID智能溫控儀、安裝在調速器試驗裝置上，控制精度0.5%，實際溫度誤差TC ;熱電阻傳感器、加熱器、濾器插入油箱9中、與溫控儀10組成閉環系統，根據設定溫度保持油箱9油溫穩定；油箱9與油泵8通過油管連接，油泵8的輸入端與電機7連接，油泵8的輸出端通過調壓閥、油管連接至液壓調速器執行器上，電機7帶動油泵8給調速器執行器3泵油，通過調壓閥設定供油壓力，多餘的滑油回流到油箱9中。液壓式調速器試驗臺工作原理如圖5所示，與機械式調速器執行器相比，增加了一套壓力、溫度可調節的液壓油供油單元，以滿足液壓式調速器中液壓放大元件(液壓伺服器)的正常工作；液壓式調速器試驗臺通過液壓油供油單元給液壓調速器執行器內部供油並保持設定的油溫、油壓；液壓調速器執行器通過外部驅動電機驅動其旋轉軸，模擬柴油機扭矩驅動調速器或者為電-液式調速器執行器提供內部液壓油壓；位置編碼器採集液壓式調速器執行器輸出軸位置信號反饋給柴油機模型；
[0038](3)針對調試器試驗臺為電-液式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器3為電-液調速器執行器，該調試器試驗臺還包括電-液調速器控制器，所述I/O模塊的輸出端通過線束與電-液調速器控制器的輸入端連接，電-液調速器控制器的輸出端與調速器試驗裝置中的電-液調速器執行器的輸入端連接。電-液式調速器試驗臺工作原理如圖6所示，柴油機模型在RTPC仿真器中經過仿真計算後將其實時轉速信號自RTPC仿真器的輸出端傳送至I/O模塊，I/O模塊把柴油機模型的實時轉速信號轉換成0-5V正弦波電壓信號輸入電-液調速器控制器，電-液調速器控制器經過計算反饋0-200mA直流電流信號給電-液調速器執行器；同時，通過變頻器設定柴油機工作轉速範圍內的某一轉速，以保證驅動電機以設定的轉速驅動電-液式調速器執行器內部的齒輪泵工作，使其產生正常工作需要的液壓油壓；同上述機械式調速器試驗臺或液壓式調速器試驗臺，位置編碼器採集電-液調速器執行器輸出軸旋轉齒條位置信號，並以CAN總線方式將齒條位置信號發送給RTPC仿真器(柴油機模型)的輸入端，形成閉環仿真系統，從而測試電-液式調速器執行器的性能，並進行控制策略研究及控制器的開發。
[0039]本發明調速器試驗臺中的調速器試驗裝置結構如圖2所示，調速器執行器3安裝於調速器試驗裝置上。柴油機模型仿真後將轉速信號通過I/o模塊傳送至調速器試驗裝置，絕對式位置編碼器2採集調速器執行器3輸出軸位置信號，並發送回RTPC仿真器中，構成閉環仿真系統。通過船舶柴油機調速器試驗臺可以對各種調速器進行動態性能測試，包括瞬時調速率、穩定時間、轉速波動率等，測試結果在顯示屏I上顯示；對於電-液式調速臺，可將電-液調速器執行器安裝於電-液式調速器試驗臺，電-液調速器控制器用快速控制原型硬體代替，進行電子調速控制策略研究和控制器開發。
[0040]本發明調速器試驗裝置從可靠性和通用性為出發點設計，可靠性主要指臺架的抗振動、抗衝擊能力，實驗裝置從整體結構和材料選擇來提高抗振動、抗衝擊能力，通過降低臺架高度和降低重心，提高穩定性，整個實驗裝置採用全鋼製材料，並增加鋼板厚度以增加自身重量來保證在柴油機最高轉速下實驗時不會晃動，提高抗振動性。從實驗裝置通用性出發，本實驗裝置可以用於機械調速器執行器、液壓調速器執行器和電-液調速器執行器，配備了油泵、電機、溫控儀、調壓閥和進回油管道用以給不同類型、不同型號調速器供油；配備了可調轉速的變頻電機，可滿足不同轉速範圍的柴油機，用以驅動不同調速器並為其供液壓油壓。
[0041]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所做的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所述【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，上述結構都應當包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.船舶柴油機調速器試驗臺，其特徵在於:包括調速器試驗裝置、RTPC仿真器及I/O模塊，所述調速器試驗裝置至少包括依次相連的變頻電機、調速器執行器、位置編碼器；所述RTPC仿真器為集成了柴油機模型的工控機；所述RTPC仿真器的輸出端通過線束與I/O模塊的輸入端連接，I/O模塊的輸出端通過線束與調速器試驗裝置的變頻電機的輸入端連接，調速器試驗裝置的位置編碼器的輸出端通過CAN總線與RTPC仿真器的輸入端連接，所述RTPC仿真器、I/O模塊與調速器試驗裝置通過線束依次相連構成閉環仿真系統。
2.根據權利要求1所述的船舶柴油機調速器試驗臺，其特徵在於:所述I/O模塊由ETAS-ES4100板卡箱和I/O板卡組成，I/O板卡設置在ETAS-ES4100板卡箱內。
3.根據權利要求1所述的船舶柴油機調速器試驗臺，其特徵在於:所述變頻電機由變頻器和驅動電機組成，所述變頻器為ACS510系列變頻器，額定功率1.5kff,內置Modbus接口和模擬輸入接口 ；所述驅動電機採用ABB-QABP系列變頻調速三相異步電機，額定功率1.lkW，額定扭矩10.5N.m，額定轉速935r/min。
4.根據權利要求1所述的船舶柴油機調速器試驗臺，其特徵在於:所述位置編碼器採用倍加福CVS58系列單圈13位絕對式光電位置編碼器，該絕對式光電位置編碼器設有電隔離CAN總線接口。
5.根據權利要求1所述的船舶柴油機調速器試驗臺，其特徵在於:該調試器試驗臺為機械式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器為機械調速器執行器。
6.根據權利要求1所述的船舶柴油機調速器試驗臺，其特徵在於:該調試器試驗臺為液壓式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器為液壓調速器執行器，所述調速器試驗裝置還包括液壓供油單元，所述液壓油供油單元由油箱、油泵、電機、溫控儀、熱電阻傳感器、加熱器、調壓閥、濾器和油管組成，熱電阻傳感器、加熱器、濾器插入油箱中，油箱與油泵通過油管連接，油泵的輸入端與電機連接，油泵的輸出端通過調壓閥、油管連接至液壓調速器執行器上。
7.根據權利要求6所述的船舶柴油機調速器試驗臺，其特徵在於:所述溫控儀採用PID智能溫控儀，控制精度0.5%，實際溫度誤差1°C。
8.根據權利要求1所述的船舶柴油機調速器試驗臺，其特徵在於:該調試器試驗臺為電-液式調速器試驗臺，相應的調速器試驗裝置中的調速器執行器為電-液調速器執行器，該調試器試驗臺還包括電-液調速器控制器，所述I/O模塊的輸出端通過線束與電-液調速器控制器的輸入端連接，電-液調速器控制器的輸出端與調速器試驗裝置中的電-液調速器執行器的輸入端連接。
【文檔編號】G05B17/02GK103760777SQ201410029691
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】賀玉海, 楊建國, 餘永華, 湯經緯 申請人:武漢理工大學