基于dSPACE的核电柴油机调速系统硬件在环仿真研究薛胜峰谭旭东周立平王海宝摘要：根据MTU956核电柴油机利用Simulink建立了对应的增压柴油机平均值模型，利用dSPACE搭建了电控系统硬件在环仿真试验平台。利用硬件在环仿真试验平台主要进行了起动功能、调速功能、相继涡轮增压切换过程的验证。试验结果表明，该仿真试验平台在满足实时性的前提下具有较高的精度，可靠性高，灵活方便，能有效地提高开发效率。关键词：核电柴油机;电控系统;硬件在环DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.1600引言调速器对于柴油机就相当于是人的大脑，对于柴油机有着十分重要的作用。其原理是当柴油机负荷变化时，调速器根据对应的控制策略自动的加大或者减小油门，从而使柴油机转速达到目标值[1]。由于柴油机的工作条件十分恶劣，存在许多极限以及危险的工况，对于人身安全存在许多隐患，因此硬件在环仿真测试技术对于控制系统的开发十分重要。本文以MTU956核电柴油机为研究对象，利用dSPACE硬件与Simulink软件搭建了电子调速系统硬件在环仿真试验平台，为调速系统功能的正确性和有效性验证提供了良好的环境。1柴油机实时仿真模型结构原理根据质量守恒、能量守恒和气体状态方程等热力学公式搭建了柴油机平均值模型，并结合经验公式和实验数据标定使发动机各个工况下的性能仿真更加准确。本模型主要分为增压柴油机模型，调速系统模型以及燃油系统模型等三大部分，其中增压柴油机模型又包括涡轮增压器，中冷器以及柴油机本体模型。[2]利用Simulink搭建完各个模块之后，分析各个模块输入输出之间的相互关系并连接，得到如图1的增压柴油机结构图。1.1涡轮增压器模型1.1.1压气机模型在用Simulink设计压气机模块时，输入的参数为增压器的转速和流量，输出参数为压气机消耗的转矩及出口压力和温度，它们分别由下式求得[4]：式中R为气体常数，k为气体绝热指数，T1为环境温度，为大气压力。1.1.2涡轮模型涡轮方法原理基本与压气机相同。1.2中冷器模型为了提高柴油机增压效果常采用中冷器。增压空气流经中冷器后，产生压力损失和温度降，这种压力损失和温度降将随着负荷的减小而减小。中冷器出口温度T3与压力P3由下式求得：式中，为中冷器冷却系数，一般取0.7-0.9，视中冷器实际情况而定。增压空气通过中冷器的压降△P是通过查表计算得到的，通过发动机转速与负荷查找压降。则中冷器出口压力P3计算公式为：1.3柴油机本体模型柴油机本体模型主要包括充气效率，进入气缸的气体流量，指示热效率，平均排气温度，指示转矩和摩擦转矩。1.3.1充气效率气缸充气效率为转速n的函数，所以充气效率由查找事先拟合的充气效率-转速曲线图得到。1.3.2進入气缸的气体流量气体流量计算公式为：式中，为充气效率，V为发动机总排量（），n为发动机转速。1.3.3指示热效率指示热效率是发动机转速和空燃比的函数。因此，通过事先做出转速，空燃比，指示热效率的MAP图，即可根据转速和空燃比查得对应的指示热效率。1.3.4平均排气温度排气温度T4是体现增压器性能的主要因素，主要由下式计算：式中，为排气温度因子，为空气流量，为燃气流量。本文将排气温度因子仅看作是空燃比的函数，将空燃比与排气温度因子做成MAP图，通过空燃比查找得到对应的排气温度因子，从而求得排气温度。1.3.5指示转矩指示转矩Mi的计算公式为：1.3.6摩擦转矩本文将摩擦转矩仅仅看作是转速的函数，由下式求得：1.4燃油系统燃油系统的燃油量主要随柴油机转速n与齿条位移x改变，其计算公式为：1.5调速系统调速系统主要采用PID来控制柴油机转速，它根据目标转速和实际转速偏差的比例（P），积分（I）和微分（D）进行控制。其原理是转速偏差经过PID的算法处理转变为执行器的控制信号，并最终作用于燃油系统的齿条位移，实现喷油。2柴油机硬件在环试验平台的建立柴油机电子调速系统硬件在环平台主要由柴油机实时仿真模型、输入输出接口、控制器、执行器等构成。[3]图3为柴油机硬件在环试验平台信号连接原理图。dSPACE实时系统具有高速计算能力，包括处理器和I/0接口等，而且可以方便的实现代码生成、下载和试验等工作。将Simulink建立的柴油机仿真模型下载到dSPACE...