CN103760777B - 船舶柴油机调速器试验台 - Google Patents

Abstract

船舶柴油机调速器试验台，包括调速器试验装置、RTPC仿真器及I/O模块，所述调速器试验装置至少包括依次相连的变频电机、调速器执行器、位置编码器；所述RTPC仿真器为集成了柴油机模型的工控机；RTPC仿真器的输出端通过线束与I/O模块的输入端连接，I/O模块的输出端通过线束与调速器试验装置的变频电机的输入端连接，调速器试验装置的位置编码器的输出端通过CAN总线与RTPC仿真器的输入端连接，RTPC仿真器、I/O模块与调速器试验装置通过线束依次相连构成闭环仿真系统。I/O模块接收RTPC仿真器仿真输出的柴油机模型转速信号并将其转化为控制信号传送至调速器试验装置。本发明针对不同类型船舶柴油机调速器进行性能测试和控制策略研究，可靠性高、通用性强。

Description

船舶柴油机调速器试验台

技术领域

本发明属于内燃机工程技术领域，具体涉及一种船舶柴油机调速器试验台，用于船舶柴油机调速器动态性能测试、调速器控制策略研究及控制器开发。

背景技术

柴油机调速器作为改变柴油机喷油量的调节机构，是柴油机性必不可少的固件之一。调速器性能指标直接影响柴油机的动力性能指标（功率、转矩、转速）和运转性能指标（冷起动性能、噪声、振动），同时还会影响油耗和有害气体排放。目前，对船舶柴油机调速器进行性能测试最直观的方法就是采用配机考核法。该方法是把调速器直接安装在所配套的柴油机上进行台架试验，但这种方法既不经济又不安全。还有比较常用的计算机仿真法，该方法是根据调速器的动力学（机械式调速器）、流体力学（液压调速器）和电磁学原理（电子调速器），通过数学推导建立调速器仿真模型，在计算机上进行离线仿真试验。这种方法经济合算，不需要花费很大的人力、财力和时间，仿真还可以完成实机试验中无法做到的或者十分危险的试验。但是，由于建模方法本身的局限性，调速器系统难以用准确的数学模型来表达，所以该方法不能得到准确的结果。

传统的配机考核法测试调速器性能很难满足既经济又安全可靠的要求；计算机仿真法存在精度不高的缺点。半物理仿真技术（硬件在环仿真技术）的发展为柴油机调速器性能测试与控制器开发系统提供了一种全新的方法。硬件在环仿真技术把数学模型、物理模型和实体结合起来组成一个仿真系统。因此，研制一种柴油机调速器硬件在环仿真试验台，对于调速器动态性能测试、调速器控制策略研究及控制器开发有着很强的工程应用研究价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有柴油机调速器开发与测试存在的上述不足，提供一种可靠性高、通用性强、计算精度高的船舶柴油机调速器试验台，针对不同柴油机调速器进行性能测试，以及调速器控制策略研究与控制器开发。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

船舶柴油机调速器试验台，包括调速器试验装置、RTPC仿真器及I/O模块，所述调速器试验装置至少包括依次相连的变频电机、调速器执行器、位置编码器；所述RTPC仿真器为集成了柴油机模型的工控机；所述RTPC仿真器的输出端通过线束与I/O模块的输入端连接，I/O模块的输出端通过线束与调速器试验装置的变频电机的输入端连接，调速器试验装置的位置编码器的输出端通过CAN总线与RTPC仿真器的输入端连接，所述RTPC仿真器、I/O模块与调速器试验装置通过线束依次相连构成闭环仿真系统。

按上述方案，所述I/O模块由ETAS-ES4100板卡箱和I/O板卡组成，I/O板卡设置在ETAS-ES4100板卡箱内。

按上述方案，所述变频电机由变频器和驱动电机组成，所述变频器为ACS510系列变频器，额定功率1.5kW，内置Modbus接口和模拟输入接口；所述驱动电机采用ABB-QABP系列变频调速三相异步电机，额定功率1.1kW，额定扭矩10.5N.m，额定转速935r/min。

按上述方案，所述位置编码器采用倍加福CVS58系列单圈13位绝对式光电位置编码器，该绝对式光电位置编码器设有电隔离CAN总线接口。

按上述方案，该调试器试验台为机械式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器为机械调速器执行器。

按上述方案，该调试器试验台为液压式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器为液压调速器执行器，所述调速器试验装置还包括液压供油单元，所述液压油供油单元由油箱、油泵、电机、温控仪、热电阻传感器、加热器、调压阀、滤器和油管组成，热电阻传感器、加热器、滤器插入油箱中，油箱与油泵通过油管连接，油泵的输入端与电机连接，油泵的输出端通过调压阀、油管连接至液压调速器执行器上。

按上述方案，所述温控仪采用PID智能温控仪，控制精度0.5%，实际温度误差1℃。

按上述方案，该调试器试验台为电-液式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器为电-液调速器执行器，该调试器试验台还包括电-液调速器控制器，所述I/O模块的输出端通过线束与电-液调速器控制器的输入端连接，电-液调速器控制器的输出端与调速器试验装置中的电-液调速器执行器的输入端连接。

本发明采用硬件在环仿真技术，柴油机模型集成到RTPC仿真器中，针对三种不同类别的调速器试验台，工作原理分别如下：

（1）针对机械式调速器试验台，柴油机模型在RTPC仿真器中经过仿真计算后将其实时转速信号自RTPC仿真器的输出端传送至I/0模块，I/0模块把柴油机模型的实时转速信号转换成0-5V正弦波电压信号方式接入调速器试验装置中的变频器，变频器带动驱动电机以计算的转速驱动机械式调速器执行器；机械调速器执行器通过变频电机驱动其旋转轴，使得机械调速器执行器内部飞重（质量块）产生的离心力和弹簧的预紧力平衡达到调节转速的效果；位置编码器采集机械式调速器执行器输出轴旋转齿条位置信号，并以CAN总线方式将齿条位置信号发送给RTPC仿真器（柴油机模型）的输入端，形成闭环仿真系统，从而对调速器执行器进行动态性能测试；

（2）针对液压式调速器试验台，与机械式调速器执行器相比，增加了一套压力、温度可调节的液压油供油单元，以满足液压式调速器中液压放大元件（液压伺服器）的正常工作；液压式调速器试验台通过液压油供油单元给液压调速器执行器内部供油并保持设定的油温、油压；液压调速器执行器通过外部驱动电机驱动其旋转轴，模拟柴油机扭矩驱动调速器或者为电-液式调速器执行器提供内部液压油压；位置编码器采集液压式调速器执行器输出轴位置信号反馈给柴油机模型；

（3）针对电-液式调速器试验台，柴油机模型在RTPC仿真器中经过仿真计算后将其实时转速信号自RTPC仿真器的输出端传送至I/0模块，I/0模块把柴油机模型的实时转速信号转换成0-5V正弦波电压信号输入电-液调速器控制器，电-液调速器控制器经过计算反馈0-200mA直流电流信号给电-液调速器执行器；同时，通过变频器设定柴油机工作转速范围内的某一转速，以保证驱动电机以设定的转速驱动电-液式调速器执行器内部的齿轮泵工作，使其产生正常工作需要的液压油压；同上述机械式调速器试验台或液压式调速器试验台，位置编码器采集电-液调速器执行器输出轴旋转齿条位置信号，并以CAN总线方式将齿条位置信号发送给RTPC仿真器（柴油机模型）的输入端，形成闭环仿真系统，从而测试电-液式调速器执行器的性能，并进行控制策略研究及控制器的开发。

本发明创造与现有技术相比，主要有如下优点：

1、本调速器试验台采用硬件在环仿真技术，把柴油机用模型进行仿真，调速器执行器以实体形式与柴油机模型通过I/O模块连接，构成闭环仿真系统，仿真条件更接近于实际情况，不需要起动柴油机就能完成调速器性能测试和故障模拟仿真，既满足柴油机调速器仿真试验环境的要求，又经济、安全可靠、测试结果准确性较高；

2、本调速器试验台通用性强，适用于机械式调速器执行器、液压式调速器执行器和电-液式调速器执行器，可针对不同类型船舶柴油机调速器进行性能测试和调速器控制策略研究，对控制器的性能进行检验和调试，减少现场调试；

3、本调速器试验台的调速器试验装置具有可靠性高的优点，整个实验装置采用全钢制材料，并增加钢板厚度以增加自身重量来保证执行器正常运转时不会晃动，提高抗振动性，高度低重心稳，可满足高转速下试验台的稳定可靠工作。

附图说明

图1是本发明调速器试验台工作原理图；

图2是本发明柴油机调速器执行器实验装置结构图；

图3是本发明船舶柴油机模型结构图；

图4是本发明机械式调速器试验台工作原理图；

图5是本发明液压式调速器试验台工作原理图；

图6是本发明电-液压式调速器试验台工作原理图；

图3中：1-显示屏，2-位置编码器，3-调速器执行器，4-驱动电机，5-风机，6-变频器，7-电机，8-油泵，9-油箱，10-温控仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图6所示，本发明所述的船舶柴油机调速器试验台，包括调速器试验装置、RTPC仿真器及I/O模块，所述调速器试验装置至少包括依次相连的变频电机4、调速器执行器3、位置编码器2；所述RTPC仿真器为集成了柴油机模型的工控机；所述RTPC仿真器的输出端通过线束与I/O模块的输入端连接，I/O模块的输出端通过线束与调速器试验装置的变频电机的输入端连接，调速器试验装置的位置编码器2的输出端通过线束与RTPC仿真器的输入端连接，所述RTPC仿真器、I/O模块与调速器试验装置通过CAN总线依次相连构成闭环仿真系统。

所述I/O模块由ETAS-ES4100板卡箱和I/O板卡组成，I/O板卡（PB4350DAC数/模转换模块）设置在ETAS-ES4100板卡箱内。

所述变频电机由变频器6和驱动电机4组成，所述变频器6为ACS510系列变频器，额定功率1.5kW，内置Modbus接口和模拟输入接口；所述驱动电机4根据调速器或执行器的工作特性并针对船舶柴油机，采用ABB-QABP系列变频调速三相异步电机（立式安装），额定功率1.1kW，额定扭矩10.5N.m，额定转速935r/min，其正常工作时传动速度为375-1100r/min，同时为了防止电机长时间运转而过热，为其配备了风机5散热。

所述位置编码器2采用倍加福CVS58系列单圈13位绝对式光电位置编码器，该绝对式光电位置编码器以光电扫描分度盘以确定绝对位置值，设有电隔离CAN总线接口、以CAN总线信号输出，工作模式可编程为询问模式、循环模式和同步模式，传输速率1Mbis/s。因调速器执行器输出轴通过拉杆连接柴油机高压油泵，拉动油门齿条控制器喷油量，硬件在环仿真平台中柴油机本体采用模型的方式，所以只能通过输出轴的位置来判断油门齿条位置，进而算出喷油量。绝对式光电位置编码器输出轴范围为0-42°，采用13位编码器单圈可输出8192个点，而在42°内可以有955个位置反馈点，完全能够满足实时性的要求。

本发明采用硬件在环仿真技术，柴油机模型集成到RTPC仿真器中，柴油机模型由柴油机本体模型、中冷器模型和增压器模型组成，采用平均值建模方法建成，结构图如图3所示。

针对三种不同类别的调速器试验台，工作原理分别如下：

（1）针对调试器试验台为机械式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器3为机械调速器执行器。机械式调速器试验台工作原理如图4所示，柴油机模型在RTPC仿真器中经过仿真计算后将其实时转速信号自RTPC仿真器的输出端传送至I/0模块，I/0模块把柴油机模型的实时转速信号转换成0-5V正弦波电压信号方式接入调速器试验装置中的变频器，变频器带动驱动电机以计算的转速驱动机械式调速器执行器；机械调速器执行器通过变频电机驱动其旋转轴，使得机械调速器执行器内部飞重（质量块）产生的离心力和弹簧的预紧力平衡达到调节转速的效果；位置编码器采集机械式调速器执行器输出轴旋转齿条位置信号，并以CAN总线方式将齿条位置信号发送给RTPC仿真器（柴油机模型）的输入端，形成闭环仿真系统，从而对调速器执行器进行动态性能测试；

（2）针对调试器试验台为液压式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器3为液压调速器执行器，所述调速器试验装置还包括液压供油单元。所述液压油供油单元由油箱9、油泵8、电机7、温控仪10、热电阻传感器、加热器、调压阀、滤器和油管组成，温控仪采用PID智能温控仪、安装在调速器试验装置上，控制精度0.5%，实际温度误差1℃；热电阻传感器、加热器、滤器插入油箱9中、与温控仪10组成闭环系统，根据设定温度保持油箱9油温稳定；油箱9与油泵8通过油管连接，油泵8的输入端与电机7连接，油泵8的输出端通过调压阀、油管连接至液压调速器执行器上，电机7带动油泵8给调速器执行器3泵油，通过调压阀设定供油压力，多余的滑油回流到油箱9中。液压式调速器试验台工作原理如图5所示，与机械式调速器执行器相比，增加了一套压力、温度可调节的液压油供油单元，以满足液压式调速器中液压放大元件（液压伺服器）的正常工作；液压式调速器试验台通过液压油供油单元给液压调速器执行器内部供油并保持设定的油温、油压；液压调速器执行器通过外部驱动电机驱动其旋转轴，模拟柴油机扭矩驱动调速器或者为电-液式调速器执行器提供内部液压油压；位置编码器采集液压式调速器执行器输出轴位置信号反馈给柴油机模型；

（3）针对调试器试验台为电-液式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器3为电-液调速器执行器，该调试器试验台还包括电-液调速器控制器，所述I/O模块的输出端通过线束与电-液调速器控制器的输入端连接，电-液调速器控制器的输出端与调速器试验装置中的电-液调速器执行器的输入端连接。电-液式调速器试验台工作原理如图6所示，柴油机模型在RTPC仿真器中经过仿真计算后将其实时转速信号自RTPC仿真器的输出端传送至I/0模块，I/0模块把柴油机模型的实时转速信号转换成0-5V正弦波电压信号输入电-液调速器控制器，电-液调速器控制器经过计算反馈0-200mA直流电流信号给电-液调速器执行器；同时，通过变频器设定柴油机工作转速范围内的某一转速，以保证驱动电机以设定的转速驱动电-液式调速器执行器内部的齿轮泵工作，使其产生正常工作需要的液压油压；同上述机械式调速器试验台或液压式调速器试验台，位置编码器采集电-液调速器执行器输出轴旋转齿条位置信号，并以CAN总线方式将齿条位置信号发送给RTPC仿真器（柴油机模型）的输入端，形成闭环仿真系统，从而测试电-液式调速器执行器的性能，并进行控制策略研究及控制器的开发。

本发明调速器试验台中的调速器试验装置结构如图2所示，调速器执行器3安装于调速器试验装置上。柴油机模型仿真后将转速信号通过I/O模块传送至调速器试验装置，绝对式位置编码器2采集调速器执行器3输出轴位置信号，并发送回RTPC仿真器中，构成闭环仿真系统。通过船舶柴油机调速器试验台可以对各种调速器进行动态性能测试，包括瞬时调速率、稳定时间、转速波动率等，测试结果在显示屏1上显示；对于电-液式调速台，可将电-液调速器执行器安装于电-液式调速器试验台，电-液调速器控制器用快速控制原型硬件代替，进行电子调速控制策略研究和控制器开发。

本发明调速器试验装置从可靠性和通用性为出发点设计，可靠性主要指台架的抗振动、抗冲击能力，实验装置从整体结构和材料选择来提高抗振动、抗冲击能力，通过降低台架高度和降低重心，提高稳定性，整个实验装置采用全钢制材料，并增加钢板厚度以增加自身重量来保证在柴油机最高转速下实验时不会晃动，提高抗振动性。从实验装置通用性出发，本实验装置可以用于机械调速器执行器、液压调速器执行器和电-液调速器执行器，配备了油泵、电机、温控仪、调压阀和进回油管道用以给不同类型、不同型号调速器供油；配备了可调转速的变频电机，可满足不同转速范围的柴油机，用以驱动不同调速器并为其供液压油压。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.船舶柴油机调速器试验台，其特征在于：包括调速器试验装置、RTPC仿真器及I/O模块，所述调速器试验装置至少包括依次相连的变频电机、调速器执行器、位置编码器；所述RTPC仿真器为集成了柴油机模型的工控机；所述RTPC仿真器的输出端通过线束与I/O模块的输入端连接，I/O模块的输出端通过线束与调速器试验装置的变频电机的输入端连接，调速器试验装置的位置编码器的输出端通过CAN总线与RTPC仿真器的输入端连接，所述RTPC仿真器、I/O模块与调速器试验装置通过线束依次相连构成闭环仿真系统。

2.根据权利要求1所述的船舶柴油机调速器试验台，其特征在于：所述I/O模块由ETAS-ES4100板卡箱和I/O板卡组成，I/O板卡设置在ETAS-ES4100板卡箱内。

3.根据权利要求1所述的船舶柴油机调速器试验台，其特征在于：所述变频电机由变频器和驱动电机组成，所述变频器为ACS510系列变频器，额定功率1.5kW，内置Modbus接口和模拟输入接口；所述驱动电机采用ABB-QABP系列变频调速三相异步电机，额定功率1.1kW，额定扭矩10.5N.m，额定转速935r/min。

4.根据权利要求1所述的船舶柴油机调速器试验台，其特征在于：所述位置编码器采用倍加福CVS58系列单圈13位绝对式光电位置编码器，该绝对式光电位置编码器设有电隔离CAN总线接口。

5.根据权利要求1所述的船舶柴油机调速器试验台，其特征在于：该调速器试验台为机械式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器为机械调速器执行器。

6.根据权利要求1所述的船舶柴油机调速器试验台，其特征在于：该调速器试验台为液压式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器为液压调速器执行器，所述调速器试验装置还包括液压供油单元，所述液压供油单元由油箱、油泵、电机、温控仪、热电阻传感器、加热器、调压阀、滤器和油管组成，热电阻传感器、加热器、滤器插入油箱中，油箱与油泵通过油管连接，油泵的输入端与电机连接，油泵的输出端通过调压阀、油管连接至液压调速器执行器上。

7.根据权利要求6所述的船舶柴油机调速器试验台，其特征在于：所述温控仪采用PID智能温控仪，控制精度0.5%，实际温度误差1℃。

8.根据权利要求1所述的船舶柴油机调速器试验台，其特征在于：该调速器试验台为电-液式调速器试验台，相应的调速器试验装置中的调速器执行器为电-液调速器执行器，该调速器试验台还包括电-液调速器控制器，所述I/O模块的输出端通过线束与电-液调速器控制器的输入端连接，电-液调速器控制器的输出端与调速器试验装置中的电-液调速器执行器的输入端连接。