動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化概論

1、武漢理工大學(xué)能源動(dòng)力學(xué)院 李煜輝 本課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí) 課程內(nèi)容 動(dòng)力系統(tǒng)概論 動(dòng)力系統(tǒng)特性 動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化特性分 析 動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù) 特點(diǎn) 深入了解發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性 能及其匹配、控制的知 識(shí) 開拓知識(shí)面 了解動(dòng)力系統(tǒng)與自動(dòng)化 的研究領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù) 學(xué)習(xí)方法 大量閱讀相關(guān)學(xué)科的文 獻(xiàn)與資料 針對(duì)某一方面的技術(shù)發(fā) 展進(jìn)行深入了解 參考資料 動(dòng)力機(jī)械及其系統(tǒng)電子控制，張宗杰，華中科技大學(xué)出版社， 2009 柴油機(jī)電子控制技術(shù)，王尚勇，楊青，機(jī)械工業(yè)出版社，2004 船舶動(dòng)力系統(tǒng)，徐筱欣，上海交通大學(xué)出版社，2007 輪機(jī)自動(dòng)化，初忠，大連海事學(xué)院出版社，2006 現(xiàn)代汽車電子技術(shù)與裝置，皇甫鑒、 范明

2、強(qiáng)，北京理工大學(xué)出版 社，1998 內(nèi)燃機(jī)學(xué)，周龍保，機(jī)械工業(yè)出版社，2000 自動(dòng)控制原理，張旺，王世鎏，北京理工大學(xué)出版社，1994 柴油機(jī)電控噴油技術(shù)，徐家龍，人民交通出版社，2004 Internal combustion engine fundamentals,John. B. Heywood， McGraw-Hill Company, 1988 自動(dòng)化基礎(chǔ) 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)傳遞函數(shù)與方框圖 系統(tǒng)的頻域分析 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)域控制系統(tǒng)介紹 可控可觀性 最有調(diào)節(jié)與卡爾曼濾波 魯棒控制 非線性控制 智能控制 動(dòng)力系統(tǒng)性能特征 原動(dòng)機(jī)特性 內(nèi)燃機(jī)特性 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力特性分析 發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性分析 發(fā)

3、動(dòng)機(jī)燃燒特點(diǎn)分析 燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力特性 電動(dòng)機(jī)動(dòng)力特性 從動(dòng)機(jī)動(dòng)力特性 螺旋槳特性 汽車動(dòng)力特性 驅(qū)動(dòng)特性 剎車特性 動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù) 動(dòng)力系統(tǒng)建模技術(shù) 柴油機(jī)零維模型 調(diào)速器用動(dòng)力學(xué)模型 動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化特性分析 動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù) 船用機(jī)控制 船用主機(jī)遙控系統(tǒng) 變螺距螺旋槳控制 輔助系統(tǒng)控制 監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng) 車用機(jī)控制 汽油機(jī)電控系統(tǒng) 柴油機(jī)電控系統(tǒng) 自動(dòng)變速器原理與控制 動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù) 自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù) 自動(dòng)化開發(fā)技術(shù) 自動(dòng)化理論 自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)技術(shù) 傳感器技術(shù) 操作系統(tǒng)技術(shù) 自動(dòng)代碼技術(shù) 自動(dòng)化、動(dòng)力系統(tǒng)、設(shè)計(jì)技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展 n自動(dòng)控制：自動(dòng)控制：是指在沒有人直接參與的情況 下，利用

4、控制器使被控對(duì)象（指生產(chǎn)設(shè)備 或生產(chǎn)過程）自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 n機(jī)械化 電氣化時(shí)代自動(dòng)化、信息化、 智能化 公元前14001100 年，中國(guó)、埃及和 巴比倫相繼出現(xiàn)自 動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺，人類 產(chǎn)生了最早期的控 制思想。 公元前公元前300300年秦昭王時(shí)，由李冰父子主持設(shè)計(jì)年秦昭王時(shí)，由李冰父子主持設(shè)計(jì) 修筑的著名水利工程都江堰，是一種液面控制，修筑的著名水利工程都江堰，是一種液面控制， 是是“系統(tǒng)系統(tǒng)”觀念的杰出體現(xiàn)觀念的杰出體現(xiàn)。 公元公元100100年，亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟年，亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟 門和分發(fā)圣水的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置。門和分發(fā)圣水的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置。 公元公元132132年，

5、中國(guó)科學(xué)家張衡（公元年，中國(guó)科學(xué)家張衡（公元7878139139）發(fā)）發(fā) 明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng) 儀。儀。 公元公元235235年，年， 中國(guó)馬鈞研中國(guó)馬鈞研 制出用齒輪制出用齒輪 傳動(dòng)的自動(dòng)傳動(dòng)的自動(dòng) 指示方向的指示方向的 指南車指南車( (司南司南 車）車） 公元公元17881788年，英國(guó)人年，英國(guó)人J.WattJ.Watt用離心式調(diào)速用離心式調(diào)速 器控制蒸汽機(jī)的速度，由此產(chǎn)生了第一次器控制蒸汽機(jī)的速度，由此產(chǎn)生了第一次 工業(yè)革命。工業(yè)革命。 維納，維納，MITMIT教授，曾教授，曾 于于19361936年到清華大學(xué)年到清華大學(xué)

6、任訪問教授。早期進(jìn)任訪問教授。早期進(jìn) 行模擬計(jì)算機(jī)研究，行模擬計(jì)算機(jī)研究， 二戰(zhàn)期間參與火炮控二戰(zhàn)期間參與火炮控 制研究，提煉出負(fù)反制研究，提煉出負(fù)反 饋概念。饋概念。 1948 1948年，維納所年，維納所 著控制論的出版，著控制論的出版， 標(biāo)志著這門學(xué)科的正標(biāo)志著這門學(xué)科的正 式誕生。式誕生。 控制論的奠基人控制論的奠基人 美國(guó)科學(xué)家維納美國(guó)科學(xué)家維納 （Wiener,N.， 18941964） 1954年，我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)年，我國(guó)科學(xué)家錢學(xué) 森在美國(guó)運(yùn)用控制論思想和森在美國(guó)運(yùn)用控制論思想和 方法，用英文出版方法，用英文出版工程控工程控 制論制論，首先把控制論推廣，首先把控制論推廣 到工程技

7、術(shù)領(lǐng)域。到工程技術(shù)領(lǐng)域。 “工程控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)控制工程控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)控制 和自動(dòng)調(diào)節(jié)的理論。維納博士和自動(dòng)調(diào)節(jié)的理論。維納博士40年代提示了控制論的基年代提示了控制論的基 本思想后，不少工程師和數(shù)學(xué)博士曾努力尋找通往這座理本思想后，不少工程師和數(shù)學(xué)博士曾努力尋找通往這座理 論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實(shí)踐，解決論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實(shí)踐，解決 具體問題，不善于上升到理論高度；數(shù)學(xué)家則擅長(zhǎng)于理論具體問題，不善于上升到理論高度；數(shù)學(xué)家則擅長(zhǎng)于理論 分析，卻不善于從一般到個(gè)別去解決實(shí)際問題。錢學(xué)森則分析，卻不善于從一般到個(gè)別去

8、解決實(shí)際問題。錢學(xué)森則 集中兩者優(yōu)勢(shì)于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上集中兩者優(yōu)勢(shì)于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上 ，碾出了工程控制論研究的一條新途徑。，碾出了工程控制論研究的一條新途徑。” 根據(jù)自動(dòng)控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不根據(jù)自動(dòng)控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不 同階段，控制理論可分為同階段，控制理論可分為“經(jīng)典控制經(jīng)典控制 理論理論”和和“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”兩大部分。兩大部分。 “經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞的內(nèi)容是以傳遞 函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作 為分析和綜合系統(tǒng)基本方法，主要研為分析和綜合系統(tǒng)基本方法，主要研 究單輸入，單輸

9、出這類控制系統(tǒng)的分究單輸入，單輸出這類控制系統(tǒng)的分 析和設(shè)計(jì)問題。析和設(shè)計(jì)問題。 “現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”是在是在“經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)的基礎(chǔ) 上，于上，于6060年代以后發(fā)展起來的。它的主要內(nèi)容是年代以后發(fā)展起來的。它的主要內(nèi)容是 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入，多輸出、時(shí)以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入，多輸出、時(shí) 變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機(jī)參數(shù)、非線性等控制系變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機(jī)參數(shù)、非線性等控制系 統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系 統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域重要的統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域重要的 研究課

10、題，近代計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)的結(jié)研究課題，近代計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)的結(jié) 合，又使現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和模仿人類合，又使現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和模仿人類 智能活動(dòng)的人工智能控制等諸多領(lǐng)域有了重大發(fā)智能活動(dòng)的人工智能控制等諸多領(lǐng)域有了重大發(fā) 展。展。 1 1、經(jīng)典控制理論、經(jīng)典控制理論 4050年代形成 SISO系統(tǒng) 基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù) 目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定 基本方法：傳遞函數(shù)，PID調(diào)節(jié)器 ( (頻域頻域) ) 2 2 、現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代控制理論 6070年代形成 MIMO系統(tǒng) 基于： 冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù) 目標(biāo)：最優(yōu)控制 基本方法：狀態(tài)方程 （時(shí)域）（時(shí)域） 控制理

11、論的發(fā)展控制理論的發(fā)展 3 3、智能控制技術(shù)智能控制技術(shù) 90年代開始發(fā)展 專家系統(tǒng) 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 4 4、正在發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域正在發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域 自適應(yīng)控制 大系統(tǒng)理論 H魯棒控制 非線性控制（微分幾何，混沌，變結(jié)構(gòu)） 第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)，第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)，19571957年）年） 第一顆載人飛船（蘇聯(lián)，第一顆載人飛船（蘇聯(lián)，19611961年）年） 人類首次登上月球（美國(guó)，人類首次登上月球（美國(guó)，19691969年）年） 首架航天飛機(jī)（美國(guó)，首架航天飛機(jī)（美國(guó)，19811981年）年） 首次沖出太陽(yáng)系（美國(guó)，首次沖出太陽(yáng)系（美國(guó)，19891989年）年） 仿人機(jī)器人（日本，仿人機(jī)

12、器人（日本，20012001年）年） 神州五號(hào)載人航天成功（中國(guó)，神州五號(hào)載人航天成功（中國(guó)，20032003年）年） 勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器（美國(guó)，勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器（美國(guó)，20042004年）年） 土衛(wèi)六探測(cè)器（歐盟，土衛(wèi)六探測(cè)器（歐盟，20052005年）年） v“作為技術(shù)科學(xué)的控制論，對(duì)工程技術(shù)、作為技術(shù)科學(xué)的控制論，對(duì)工程技術(shù)、 生物和生命現(xiàn)象的研究和經(jīng)濟(jì)科學(xué)，以生物和生命現(xiàn)象的研究和經(jīng)濟(jì)科學(xué)，以 及對(duì)社會(huì)研究都有深刻的意義，比起相及對(duì)社會(huì)研究都有深刻的意義，比起相 對(duì)論和量子論對(duì)社會(huì)的作用有過之無不對(duì)論和量子論對(duì)社會(huì)的作用有過之無不 及我們可以毫不含糊地說從科學(xué)理論及我們可

13、以毫不含糊地說從科學(xué)理論 的角度來看，二十世紀(jì)上半葉的三大偉的角度來看，二十世紀(jì)上半葉的三大偉 績(jī)是相對(duì)論、量子論和控制論，也許可績(jī)是相對(duì)論、量子論和控制論，也許可 以稱它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類認(rèn)識(shí)以稱它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類認(rèn)識(shí) 客觀世界的三大飛躍?？陀^世界的三大飛躍。” 錢學(xué)森錢學(xué)森 動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展（船用動(dòng)力） 1893至1897年 期間，在德國(guó) 的奧古斯堡 MAN制造廠開 發(fā)出了第一臺(tái) 可以應(yīng)用的柴 油機(jī)。今天 MAN公司仍然 是世界上最大 的柴油機(jī)制造 商之一 在 此后20余年的競(jìng)爭(zhēng)中，隨著二次世界大 戰(zhàn)中“自由輪”的退役，蒸汽機(jī)全面退出 了歷史舞臺(tái)，取而代之的是大功率的船用 柴油

14、機(jī)。 另一方面在航空領(lǐng)域中渦輪機(jī)及噴氣機(jī)的 崛起，則使星型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行動(dòng)力中 被淘汰。 在數(shù)十年的競(jìng)爭(zhēng)過程中很多名牌公司被淘汰或兼 并，其中包括美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、瑞典等發(fā)達(dá)國(guó) 家的制造商。今天90%以上的遠(yuǎn)洋船市場(chǎng)已被 23個(gè)大跨國(guó)公司所壟斷。 這些處于壟斷地位的大跨國(guó)公司主要是MAN- B&W公司以及Watshila-Sulzer公司，世界主要的 造機(jī)或造船廠都是購(gòu)買了他們的專利許可證生產(chǎn) 他們的產(chǎn)品 在韓國(guó)生產(chǎn)的MAN B&W S90 特別是集裝箱船,不僅裝箱數(shù)增多,而且航 速要求提高到2425kn。例如建造裝運(yùn) TEU12000個(gè)，航速2324kn的集裝箱船， 要求單機(jī)功率近100,

15、000kW The Hamburg Express，the worlds largest container ship，carries up to TEU7500，powered by a huge 12K98MC， 70,000kW Diesel Engine 遠(yuǎn)洋輪的需求導(dǎo)致低速柴油機(jī)巨人的出現(xiàn) 由于螺旋槳轉(zhuǎn)速低時(shí)，效率較高，而 較低的轉(zhuǎn)速也有利于燃料的燃燒。因此出 現(xiàn)了6070rpm/min的低速柴油機(jī)，柴油機(jī) 的高度達(dá)到15米以上 ，這種機(jī)型稱為低速 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，廣泛地用于遠(yuǎn)洋船舶。 軍事上的需求導(dǎo)致了增壓技術(shù)的發(fā)展： 在有限的空間和重量下發(fā)出最大功率 早期的柴油機(jī)都是自然吸氣的，在

16、發(fā) 動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)，有限的空氣只能燃燒有限的 油，從而只能發(fā)出有限的功率。 增壓(Supercharging)是指把空氣壓縮，密 度增大后再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。如此，氣多、 油多，功率自然增加 增壓技術(shù)的突破是在50年代初，至今非增 壓的柴油機(jī)除了在部分車輛上還有使用外， 在船舶上已經(jīng)絕跡 燃燒的技術(shù)是柴油機(jī)最重要的核心技術(shù) 燃燒必須及時(shí)，并在以毫秒計(jì)的時(shí)間內(nèi)結(jié)束 燃燒必須完全，不能有黑煙、CO、NOx等有 害排放 燃燒必須平順，以減少振動(dòng)和噪聲 對(duì)于燃燒過程的認(rèn)識(shí)并未窮盡，對(duì)于燃燒的 控制也遠(yuǎn)未達(dá)到完善 能源危機(jī)與重油的應(yīng)用 在運(yùn)價(jià)激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，船東提出了降低燃 料費(fèi)用的要求。 降低燃料費(fèi)用一個(gè)重要

17、措施是使用低品質(zhì) 的燃料油(Fuel Oil)，柴油(Diesel Oil)和燃料油 的價(jià)格相差一倍以上。 這就導(dǎo)致了重油技術(shù)的誕生，今天這一技 術(shù)已經(jīng)從低速機(jī)普及到中速機(jī)。 船用柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀 自從柴油機(jī)誕生以來，技術(shù)性能已經(jīng)發(fā)生 了極大的變化： 效率已經(jīng)從25%提高到50%，在近十年來，每 年提高1%。這意味著用同樣的油現(xiàn)在可以產(chǎn)生一 倍以上的馬力 平均壓力從0.50.6MPa提高到2.5MPa，這意 味著同樣大小的柴油機(jī)現(xiàn)在可以產(chǎn)生四倍的馬力 新的技術(shù)和方法 高新技術(shù)正在改變著傳統(tǒng)柴油機(jī)的面貌。 電子控制及IT技術(shù) 常規(guī)的機(jī)械控制裝置被取代 各種芯片、傳感器、控制器、執(zhí)行器成為 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)

18、行的靈魂 遙控、無人機(jī)艙、一人船橋（One Man Bridge） 智能發(fā)動(dòng)機(jī)及中央能量管理系統(tǒng) （Intelligent Engine） 新的世紀(jì)：電子控制的智能發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí) 代已經(jīng)來臨，MAN的智能發(fā)動(dòng)機(jī)2000年11 月已經(jīng)在挪威的一艘37500dwt化學(xué)品船上 試用 船舶電力推進(jìn)技術(shù)的歷史與發(fā)展 傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力系統(tǒng) 柴油機(jī)與推進(jìn)器機(jī)械連接的缺點(diǎn)： 1、主機(jī)的功率必須按船舶最高航速配置，當(dāng) 工作在低速時(shí)，柴油機(jī)的效率迅速降低。 原動(dòng)機(jī)負(fù)載低時(shí)效率低是不可避免的，這 就象大馬拉小車一樣。因而機(jī)動(dòng)性要求高 的船舶，例如軍艦、郵輪、各種工作船舶， 其油耗高成為難以解決的頑癥。 2、柴油機(jī)不能工作

19、在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之下 （當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，柴油機(jī)會(huì)失火）。對(duì)于 操縱性要求高，需要?jiǎng)討B(tài)定位的船舶無法 滿足要求（海上鉆井、電纜敷設(shè)、海上輸 油）。另外在低轉(zhuǎn)速下也發(fā)不出大的扭矩 （破冰船），沒有制動(dòng)功能和迅速正倒車。 3、主機(jī)與推進(jìn)器剛性連接，制約了機(jī)艙優(yōu) 化布置，占據(jù)了巨大空間，傳統(tǒng)的舵螺 旋槳的推進(jìn)效率低于電力推進(jìn)船舶的吊艙 推進(jìn)器。 以上缺點(diǎn)，正好是電力推進(jìn)船舶的優(yōu)點(diǎn)。 電力推進(jìn)船舶的優(yōu)點(diǎn) 機(jī)動(dòng)性：巡航時(shí)，可以關(guān)閉部分或大部分發(fā)電 機(jī)組。 操縱性：現(xiàn)代控制器驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器可以在零轉(zhuǎn) 速附近工作，并具有大扭矩，并有制動(dòng)功能。 柔性布置：可以把推進(jìn)電機(jī)放在艉水下吊艙內(nèi) 和螺旋槳連接，吊艙可以360旋

20、轉(zhuǎn)。 舒適性：振動(dòng)、噪聲小、隱蔽性好 電力推進(jìn)船舶的市場(chǎng)趨勢(shì) 包括核動(dòng)力在內(nèi)的新一代軍用艦船將無一例外地采用電力 推進(jìn)及綜合電力系統(tǒng)。美國(guó)會(huì)已經(jīng)通過聽證，同意弗吉尼 亞級(jí)核潛艇采用綜合電力系統(tǒng)。 美海軍部長(zhǎng)美海軍部長(zhǎng)Danzig說：說：“Changes in propulsion systems are fundamental and offundamental importance. Thus, we are moving forward to embrace a technology, electric drive technology, and . the integrated powe

21、r system that comes with it, to drive Navy ships. This is a very fundamental step. Were taking it because weve judged that the technology is ripe enough to reach it. ” 油價(jià)的高企可能使電力推進(jìn)迅速用于新的 領(lǐng)域 將廣泛應(yīng)用于滾裝船、郵輪、集裝箱船、 化學(xué)品及LNG船、高速船、離岸工作船 （鉆井船）等 在民用船方面，電力推進(jìn)系統(tǒng)的產(chǎn)值目前仍約 占15左右，約USD800M。但至2013年預(yù)測(cè) 電力推進(jìn)系統(tǒng)的產(chǎn)值將增長(zhǎng)56倍，達(dá)到

22、USD4bn5bn，約為現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)總產(chǎn)值的 7080 盡管如此，船舶電力推進(jìn)發(fā)展的歷史卻 頗為曲折。 由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的交流電機(jī)其轉(zhuǎn)速取決 于電網(wǎng)的工作頻率，而變頻問題長(zhǎng)期來未 能解決。因此幾十年來船舶電力推進(jìn)只是 用在軍艦及特種用途船舶上，而未成為推 進(jìn)動(dòng)力的主流。 船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展史 人們?cè)?00年前發(fā)現(xiàn)了電，在150年前發(fā)明了 發(fā)動(dòng)機(jī)，其原理簡(jiǎn)單地說來即為電生磁、磁生力。 通過磁場(chǎng)的媒介，電能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能反之亦 然。 1795年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)電流 1800年，伏爾泰發(fā)明電池，人類第一次有了可 使用的電能 1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，打開了電能與機(jī) 械能的轉(zhuǎn)換之門 1834年，

23、Davenport發(fā)明了第一臺(tái)使用電刷及半 圓環(huán)（機(jī)械換流器）的直流電動(dòng)機(jī)，并用伏爾泰 電池為電源作了電力機(jī)車模型，正是這個(gè)模型使 卡爾.馬克思欣喜若狂 1882年，愛迪生采用同樣的原理用蒸汽機(jī)作為原 動(dòng)機(jī)發(fā)電，并將直流電用于照明 1886年，William Stanley發(fā)明變壓器 18821892年，Nikola Telsa發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理， 發(fā)明無刷的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了 多相功率配送，開始了愛迪生與威斯汀豪斯的交、 直流之戰(zhàn)：The War of Currents。最終愛迪生失 敗 1900年10月12日，第一艘美海軍潛水艇下水， 采用汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，載重64噸，航速6

24、節(jié) 1 9 11 年 ， 第 一 艘 柴 油 機(jī) 船 下 水 （ 二 沖 程 4x250/370） 1913年，第一艘柴油電力推進(jìn)船Tynemount 下水，1644噸，300HP/400RPM。但因起動(dòng)負(fù)載 過大而未成功，1914年改裝，1916年被擊沉于大 西洋 1917年，世界大戰(zhàn)爆發(fā)刺激了海軍的發(fā)展，期間 電力推進(jìn)在艦船中得到了很快的發(fā)展。電力推進(jìn) 的德國(guó)潛艇擊沉了共650萬噸商船；美新墨西哥 級(jí)戰(zhàn)斗艦為蒸汽透平電力推進(jìn)，功率已達(dá)40， 000HP 1918年電力在世界的迅速應(yīng)用，使得列寧說出了 “共產(chǎn)主義等于蘇維埃+電氣化”的名言 1920年，S/S NOMANDY 郵輪下水，功率達(dá)

25、到 29MW，采用蒸汽透平為原動(dòng)機(jī)，以同步發(fā)電機(jī) 及同步電動(dòng)機(jī)組成的電力傳動(dòng)來帶動(dòng)螺旋槳。而 同期使用電力推進(jìn)的航空母艦其功率已達(dá)到180， 000HP 1934年，第一艘使用變距漿的船只下水。在其 專利問世30年以后的這項(xiàng)技術(shù)，使交流電機(jī)可能 用于電力推進(jìn)。 第二次世界大戰(zhàn)期間：約有300艘水面艦艇采用電力推進(jìn) 技術(shù)。而主要的技術(shù)方案或?yàn)榻涣魍诫娏鲃?dòng)，或?yàn)橹?流發(fā)電、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于其固有缺點(diǎn)，因而限制了 其應(yīng)用。在民用船方面，除了豪華輪及破冰船之外，很少 采用。而柴油機(jī)潛艇只有采用電力推進(jìn)，因?yàn)樵谒潞叫?電池是唯一的能源。在二戰(zhàn)中慘烈的大西洋之戰(zhàn)，德國(guó)有 千余艘潛艇擊沉。而其水下

26、航速僅6節(jié)/小時(shí)。此后在軍用 方面，1960年美建造了電力推進(jìn)的Tullibee號(hào)核潛艇 （1988年退役），1974年建造了Lipscomb號(hào)核潛艇。但 這些傳統(tǒng)的電力推進(jìn)裝置維修困難，性能不佳，并不成功。 1947年，美貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體。這是二十世紀(jì)最偉 大的發(fā)明之一，以至于我們可以把二十世紀(jì)的后五十年稱 為硅世紀(jì)。期間，半導(dǎo)體的應(yīng)用向著兩個(gè)極端的領(lǐng)域迅猛 發(fā)展。在微電子方面，大規(guī)模集成電路的硅芯片（wafer core）是構(gòu)成全部的絢爛的信息世界的基礎(chǔ)；而在強(qiáng)電的 轉(zhuǎn)換和傳遞方面，可控硅的應(yīng)用使大功率電能的電子控制 得以實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生了一門新的學(xué)科Power Electronics 今天

27、，由于大功率可控硅技術(shù)的突破，人們可以 用毫安級(jí)的微電流來控制幾千安的強(qiáng)大電流，并 且在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)使之導(dǎo)通或關(guān)閉。利用這些 高速的大功率電子開關(guān)，人們可以輕易地改變交 流電的瞬態(tài)波形。包括頻率、電壓和相位。用這 樣的變頻器來驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，可以滿足任何需要， 包括轉(zhuǎn)速和扭矩。 高溫超導(dǎo)（HTS）技術(shù) 船舶推進(jìn)電機(jī)通常是和螺旋槳直聯(lián)，最大功率已達(dá) 43,000kW(43 MW)。電壓通常為6600伏11000伏，電流 達(dá)數(shù)千安以上。 當(dāng)強(qiáng)大的電流通過時(shí)，即使優(yōu)良的銅導(dǎo)線也會(huì)產(chǎn)生大 量的熱，大電流成為電機(jī)功率最主要的制約因素，此時(shí)只 有增加電纜截面積和增加散熱面積。而這將引起電機(jī)重量 和體積的增

28、大。目前2萬千瓦推進(jìn)電機(jī)的外徑都在3米以上。 此外，減少電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換中的損失也一直是技術(shù)進(jìn)步 的目標(biāo)。 超導(dǎo)技術(shù)的突破可以大大提高傳統(tǒng)電機(jī)的性能。這對(duì) 艦艇尤為重要。 美國(guó)AS公司制造的5MW的HTS電機(jī) HTS Motor的優(yōu)點(diǎn)包括： 重量和體積縮小，重量減輕1/3以上。在 大功率電機(jī)中可減少2/3。 銅損和鐵損減小，使效率提高，尤其是在 部分負(fù)荷時(shí)。 永磁（PM：Permanent Magnetic） 電機(jī) 大功率的推進(jìn)電機(jī)也需要強(qiáng)大的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng) 螺旋槳的扭矩正是由磁力所產(chǎn)生。傳統(tǒng)電機(jī)中的 磁場(chǎng)都是由帶有鐵芯的線圈（繞組）通電后產(chǎn)生 的。但是向轉(zhuǎn)動(dòng)著的繞組通電是很困難的事。 在永磁材料

29、方面的突破，可以輕易地克服這 一困難。永磁材料就是一旦充磁后就不會(huì)退磁的 材料。 永磁材料也可以和其它技術(shù)相結(jié)合用于船 舶電力推進(jìn)。2003年ABB公布已經(jīng)可以生 產(chǎn)5000kW的吊艙永磁電機(jī)。在海軍正在 建造的高溫超導(dǎo)體電機(jī)中很多都同時(shí)采用 了永磁材料。2002年西南交大成功研制了 磁懸浮永磁、高溫超導(dǎo)機(jī)車。 永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)子無鐵芯，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快； 無電刷即集流環(huán)。 吊艙推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展 （Podded Propulsion） Pod指吊于船外的水下艙室，室內(nèi)有推進(jìn)電機(jī)，通過軸系及推進(jìn) 軸承和推進(jìn)器，電機(jī)與母船只有動(dòng)力電纜及通信電纜相連接。 Fix Pod與Azipod： Azip

30、od指可沿Z軸360旋轉(zhuǎn)動(dòng)的吊艙，其中Azi指Azimurth。 Azimurth傳動(dòng)過去由錐齒輪系組成的Zdrive實(shí)現(xiàn)，后來又用于 側(cè)推器（Thruster）。在九十年代中期ABB率先將Azimurth概念用于 主電力推進(jìn)。其后又提出了對(duì)向反轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)裝置的概念。 生產(chǎn)吊艙系統(tǒng)的著名公司： ABB Industry（Azipod） Rolls-Royce （Mermaid） Schottel-Siemens （SSP） John Cranelips （Dolphin） Azipod技術(shù)充分發(fā)揮了電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu) 勢(shì)，因此幾年來得到了飛速的發(fā)展。吊艙的 結(jié)構(gòu)如圖所示。 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù) 對(duì)

31、于海上交通運(yùn)輸，人們?nèi)找骊P(guān)注其對(duì)全球環(huán)境的影響、 運(yùn)輸?shù)男省⑺俣群吐猛镜氖孢m性等。然而，現(xiàn)有的螺旋 槳推進(jìn)船舶由于技術(shù)局限性，無法實(shí)現(xiàn)真正安靜型高速航 行，很難滿足人們?nèi)找嫣岣叩囊蟆Ｗ鳛榇巴七M(jìn)新技術(shù) 之一的超導(dǎo)磁流體船舶推進(jìn)是將電能直接轉(zhuǎn)換成海水動(dòng)能 推動(dòng)船舶前進(jìn)。由于推進(jìn)系統(tǒng)中沒有高速旋轉(zhuǎn)部件，消除 了傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的“空泡”現(xiàn)象和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng) 和噪聲，能實(shí)現(xiàn)真正安靜型高速航行。該項(xiàng)技術(shù)已引起造 船界的關(guān)注，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)船舶推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展新 方向，其實(shí)用化將引起船舶推進(jìn)的重大變革，對(duì)高速艦船、 遠(yuǎn)洋輪、破冰船和軍事用途艦艇都有重大的實(shí)用意義。 磁流體推進(jìn)技術(shù)的基本原理 由于

32、海水是導(dǎo)電流體，給推進(jìn)器管道中的海水施加一個(gè)磁 場(chǎng)和一個(gè)與磁場(chǎng)正交的電場(chǎng)，管道中的海水就會(huì)受到一個(gè) 與電場(chǎng)和磁場(chǎng)垂直的電磁力（洛淪茲力）的作用。當(dāng)這個(gè) 力的方向沿著船尾方向時(shí)，海水將向船尾方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)， 海水的運(yùn)動(dòng)給船體一個(gè)反作用力，使船體向前運(yùn)動(dòng)。 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn) 1）. 安靜。安靜。由于超導(dǎo)磁流體推進(jìn)取消了常規(guī)的螺旋槳、噴水推進(jìn)、泵噴等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 因而可大大降低由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的噪聲和振動(dòng)。尤其在高速船舶中，螺旋槳推進(jìn)不可 避免地會(huì)產(chǎn)生空泡。空泡的產(chǎn)生不僅會(huì)引起船舶的振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，而且嚴(yán)重影響螺 旋槳的推進(jìn)效率，縮短使用壽命。而超導(dǎo)磁流體推進(jìn)將不受此種危害，使艦船真正實(shí) 現(xiàn)安靜

33、航行。（所謂螺旋槳的空泡現(xiàn)象是指：螺旋槳在水中工作時(shí)，槳葉的葉背壓力 降低形成吸力面，若某處的壓力降低至臨界值以下時(shí)，導(dǎo)致爆發(fā)式的氣化，水汽通過 界面，進(jìn)入氣核并使之膨脹，形成氣泡，稱為空泡。） 2）. 高速。高速。由于超導(dǎo)磁流體推進(jìn)的動(dòng)力輸出裝置，如磁體、電極等都是相對(duì)靜止的， 這樣就可大大提高船舶主機(jī)的功率級(jí)，不再受轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的功率限制，從而可制造出超 大功率的高航速艦船。 3）. 布置靈活。布置靈活。由于超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的一切設(shè)備無固定地安裝在機(jī)艙內(nèi)某個(gè)位置的 要求，因此可以在艦船的設(shè)計(jì)中有效地利用艙室空間，供給設(shè)備安裝的靈活性。 4）. 操縱性好。操縱性好。通過改變磁流體推進(jìn)器中電極的極

34、性或電流的大小即可改變推力的方 向或推力的大小，而改變電極的極性或電流的大小較機(jī)械逆轉(zhuǎn)或變速更容易實(shí)現(xiàn)，并 容易做到平滑調(diào)速，從而提高了艦船的靈活性，改善了艦船的操縱性能。 此外，使用磁流體推進(jìn)還有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即可能利用磁流體推進(jìn)器產(chǎn)生的強(qiáng)大水 動(dòng)力發(fā)射水下武器（魚雷和導(dǎo)彈），這樣不僅省去了傳統(tǒng)的魚雷發(fā)射裝置，而且也避 免了傳統(tǒng)水下發(fā)射時(shí)存在的巨大噪聲。 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的組成及結(jié)構(gòu)形式 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器主要由超導(dǎo)磁體、通道、電極 以及電源和控制測(cè)量系統(tǒng)等組成。其中，超導(dǎo)磁 體為推進(jìn)器提供所要求的磁場(chǎng)；通道是指由電極 和絕緣壁組成并承受電磁力的推進(jìn)器筒體，電極 給推進(jìn)器提供電場(chǎng)，一般選用具

35、有良好電化學(xué)性 能的材料（如金屬氧化物DSA、鍍鉑或鈦等）制 成。 目前，磁流體推進(jìn)器主要有線型通道磁流體推進(jìn) 器，螺旋型通道磁流體推進(jìn)器和環(huán)形通道磁流體 推進(jìn)器三種基本結(jié)構(gòu)形式。 線型通道磁流體推進(jìn)器線型通道磁流體推進(jìn)器 線型通道磁流體推進(jìn)器的通道是直線形，管道的截面一般為矩形、圓 形和環(huán)形。它的磁體一般是由鞍型線圈繞制的二極或四極磁體。這種 推進(jìn)器的通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，海水阻力小，水動(dòng)力功率轉(zhuǎn)換效率高。它的 磁場(chǎng)方向與電流方向垂直，同時(shí)推進(jìn)器中電磁力的作用方向與流體流 動(dòng)方向一致，因此，其磁場(chǎng)強(qiáng)度利用率高，電磁功率轉(zhuǎn)換效率高。不 足之處是鞍形磁體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝和技術(shù)要求高。 螺旋型通道磁流

36、體推進(jìn)器螺旋型通道磁流體推進(jìn)器 螺旋型通道磁流體推進(jìn)器磁體內(nèi)部安裝一對(duì)圓筒形電極，其中一個(gè)為內(nèi)電極，另一個(gè) 為外電極。兩電極之間設(shè)置由非導(dǎo)磁的絕緣材料制成的螺旋壁，電極與螺旋壁形成螺 旋型通道，在通道的進(jìn)口處設(shè)置有導(dǎo)流器，將海水的軸向流動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺旋運(yùn)動(dòng)，在通 道的出口處設(shè)置有整流器，以將海水的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成軸向運(yùn)動(dòng)。 在螺旋型通道推進(jìn)器中采用了螺管超導(dǎo)磁體，和鞍型超導(dǎo)磁體相比，螺管超導(dǎo)磁體具 有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，磁場(chǎng)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。如采用多螺管組合式布置，這種結(jié)構(gòu)形式的推進(jìn)器 在效率、磁場(chǎng)、磁體結(jié)構(gòu)等方面都有其潛在優(yōu)勢(shì) 環(huán)型通道磁流體推進(jìn)器環(huán)型通道磁流體推進(jìn)器 環(huán)型通道磁流體推進(jìn)器的通道為圓環(huán)形，這種推

37、進(jìn)器一般布置在潛艇 的殼體上，它不僅可安裝成單段結(jié)構(gòu)，也可以分散安置成兩段或更多 段的結(jié)構(gòu)，它與總長(zhǎng)相等、輸入功率相當(dāng)?shù)钠渌问降拇帕黧w推進(jìn)器 相比，不僅克服了由于磁體及通道太長(zhǎng)而導(dǎo)致推進(jìn)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜和制造 工藝?yán)щy等問題，而且還能使它的推力和效率有所提高。另外，這種 推進(jìn)器形式可以節(jié)約潛艇的內(nèi)部空間。 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展 1961年，美國(guó)人賴斯提出磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)想； 1963年，多拉格提出“直流內(nèi)磁式超導(dǎo)磁流體”推進(jìn)器， 這種方案與賴斯最早的設(shè)想?yún)^(qū)別在于磁體磁場(chǎng)對(duì)海水作 用的電磁力區(qū)域處于推進(jìn)器內(nèi)部而非其外。在隨后的10 多年間，人們?cè)O(shè)計(jì)和制作了多種磁流體推進(jìn)系統(tǒng)，但由 于當(dāng)時(shí)超導(dǎo)技

38、術(shù)不夠成熟，只能采用常規(guī)磁體（磁場(chǎng)強(qiáng) 度較低）進(jìn)行試驗(yàn)，磁流體推進(jìn)的研究主要停留在原理 階段。 80年代后，船舶磁流體推進(jìn)的研究逐步向?qū)嵱没A段邁 進(jìn)。美國(guó)、日本、俄羅斯和中國(guó)等相繼開展了一系列超 導(dǎo)磁流體推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)用化研究，包括高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo) 磁體和磁流體推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)形式及其最佳設(shè)計(jì)計(jì)算方法， 性能分析，試驗(yàn)裝置及方法，物理和化學(xué)現(xiàn)象，推進(jìn)器 的輔助和控制設(shè)備以及最佳船型的設(shè)計(jì)等等。 美國(guó) 美國(guó)磁流體推進(jìn)研究的目標(biāo)是QT磁流體推進(jìn)技術(shù)。主要研究單位有： 美國(guó)海軍水下系統(tǒng)中心，戴維泰勒艦船研究發(fā)展中心，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn) 室，阿夫可公司。他們?cè)谕七M(jìn)器的結(jié)構(gòu)形式，推進(jìn)通道內(nèi)部流場(chǎng)特性 等方面進(jìn)行了大

39、量的理論分析和試驗(yàn)研究。提出了鞍型磁體直線通道 和D型磁體環(huán)形通道兩種不同結(jié)構(gòu)形式的磁流體推進(jìn)器。并針對(duì)洛杉 磯號(hào)攻擊型核QT進(jìn)行了QT的磁流體推進(jìn)的概念設(shè)計(jì)。其結(jié)果表明， 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為6特斯拉，航速為30節(jié)時(shí)，通過合理地選取推進(jìn)器的形 狀和電場(chǎng)數(shù)據(jù)，電磁推進(jìn)效率可達(dá)到40% （如圖5所示）。同時(shí)，在 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心各建有一套大型的超導(dǎo)磁流 體推進(jìn)器的試驗(yàn)裝置，用于研究推進(jìn)器性能，如壓力增加效率與磁場(chǎng) 強(qiáng)度、電極電壓、電導(dǎo)率、通道流速、環(huán)境壓力等相互關(guān)系。同時(shí)， 進(jìn)行了電極性能及材料，磁流體推進(jìn)器與機(jī)械泵振動(dòng)的對(duì)比試驗(yàn)及聲 學(xué)特性的研究等。目前的研究工作據(jù)說已進(jìn)入秘密研究

40、階段，進(jìn)展詳 情不知。 美國(guó)磁流體推進(jìn)QT概念設(shè)計(jì) 俄羅斯 俄羅斯在上世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)科學(xué)院高溫物理 研究所、卡爾波夫物理化學(xué)研究所等單位開展了 QT磁流體推進(jìn)的研究，研制出5.8特斯拉、 150800毫米的超導(dǎo)螺旋型磁流體推進(jìn)器通道模 型，進(jìn)行了壓力分布、電極壓降、磁流體性能的 分析和試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了7特斯拉、 10002200毫米的超導(dǎo)螺旋型磁流體推進(jìn)器及其 推進(jìn)的QT概念設(shè)計(jì)計(jì)算；此外，還進(jìn)行了電極的 腐蝕機(jī)理及其試驗(yàn)研究。 俄羅斯磁流體推進(jìn)回路試驗(yàn)裝置 日本 日本鑒于具有超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船模的理論和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)，具有大 型超導(dǎo)磁體的制造能力。在1985年，日本成立了“超導(dǎo)電

41、磁推進(jìn)船 的開發(fā)研究委員會(huì)”，決定建立超導(dǎo)電磁推進(jìn)船，即超導(dǎo)磁流體推 進(jìn)試驗(yàn)船，并以實(shí)際海域航行試驗(yàn)為目的，從而開始了磁流體推進(jìn) 在船舶實(shí)用化的研究。研究的主要內(nèi)容包括：磁流體推進(jìn)器和船的 結(jié)構(gòu)型式及最佳配合，超導(dǎo)磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)和輕量化及其可靠性，電 極材料及其電化學(xué)性能，磁流體推進(jìn)器及其動(dòng)力，制冷和控制設(shè)備 的合理布局，船舶的航行及操縱性能，等等。經(jīng)過理論分析計(jì)算和 模型試驗(yàn)，于1992年研制出“大和一號(hào)”試驗(yàn)船，該船總長(zhǎng)為30米， 排水量為185 噸，設(shè)計(jì)航速為8節(jié)，采用直流內(nèi)磁式推進(jìn)器，并在 海上進(jìn)行自航試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，進(jìn)行了航速試驗(yàn)、操舵試驗(yàn)、回旋 試驗(yàn)等，獲得了相當(dāng)?shù)某晒?。它?biāo)志著世界

42、上第一艘超導(dǎo)磁流體推 進(jìn)船的誕生。 日本“大和一號(hào) ” 我國(guó)磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究 我國(guó)于70年代開展了對(duì)磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究。七二所曾經(jīng)研究過 常規(guī)導(dǎo)體的磁流體推進(jìn)技術(shù)，但由于常規(guī)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱， 回轉(zhuǎn)體水下模型的外磁式磁流體推進(jìn)自航試驗(yàn)結(jié)果表明，其推進(jìn)效率 極低。它是我國(guó)進(jìn)行磁流體推進(jìn)技術(shù)研究的開端。 作為國(guó)家研究發(fā)展項(xiàng)目，磁流體推進(jìn)技術(shù)在1992年開始得到中科院的 支持，列入中科院“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，在電工所進(jìn)行基礎(chǔ)研究，成 功地研制了永磁磁體的磁流體推進(jìn)QT模型，并進(jìn)行了演示試驗(yàn)。 在“九五”期間，中科院電工所在863 計(jì)劃的支持下，進(jìn)行了超導(dǎo)磁流 體推進(jìn)技術(shù)的研究，已建成了較

43、為完整的超導(dǎo)磁流體船舶推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室， 包括鹽水循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，航行試驗(yàn)池以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、 激光測(cè)速系統(tǒng)等；建立了一套磁流體船舶推進(jìn)的數(shù)學(xué)分析方法和計(jì)算 模型及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器回路試驗(yàn)裝置的研制 其目的是研究影響螺旋型通道推進(jìn)器性能的各種損失因素以及各種性 能參數(shù)之間的關(guān)系，驗(yàn)證螺旋型通道推進(jìn)器性能預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)的理論分 析方法，同時(shí)，建立螺旋型通道推進(jìn)器設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)與機(jī)械損失相關(guān) 的數(shù)據(jù)庫(kù)。 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)裝置由循環(huán)海水試驗(yàn)主回路，輔助回路，超導(dǎo)磁 體及低溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量及計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)等組成。其中主回路包括 可拆卸的螺旋型通道試驗(yàn)段、T超導(dǎo)磁體、便于觀察氣泡的透明段

44、、 氣體分離器、帶變頻調(diào)速的循環(huán)泵以及不銹鋼的聯(lián)接管件，輔助回路 的目的是將主回路海水（鹽水）泵入貯罐中 ，以便多次使用，并能清 除主回路的沉淀物。 試驗(yàn)中各物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，進(jìn) 入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存盤 和監(jiān)控，大大方便了試驗(yàn)操作，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，同 時(shí)也使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和后期分析變得可能。 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)裝置 磁流體推進(jìn)發(fā)展 在超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器中，船舶的推力是由電磁力產(chǎn)生，為 了獲得大的推力和高的效率，就要求提供高的磁場(chǎng)。初步 的理論分析表明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為10特斯拉以上，磁流體船 舶推進(jìn)將具有實(shí)用價(jià)值。在以往的研究中，更

45、多的研究工 作主要集中在直線通道鞍形磁體推進(jìn)器的研究和試驗(yàn)。由 于鞍形磁體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝要求高，目前的水平很難 制造出適用于磁流體船舶推進(jìn)使用的場(chǎng)強(qiáng)高，尺寸大，重 量輕的鞍形超導(dǎo)磁體。因此，試驗(yàn)研究的推進(jìn)器幾何尺寸 和磁場(chǎng)強(qiáng)度均處于較低的水平，推進(jìn)器的效率和推力很難 達(dá)到實(shí)用。 中日高場(chǎng)強(qiáng)磁流體推進(jìn)器的試驗(yàn)研究 多年來，中科院電工所主要從事螺管磁體螺旋型通道推進(jìn)器的研究，在理論 分析和試驗(yàn)研究方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)而言，高場(chǎng)強(qiáng)，大溫孔的螺管 磁體的制造更為現(xiàn)實(shí)。經(jīng)中國(guó)科學(xué)院電工研究所的提議，得到日本神戶商船 大學(xué)和日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的響應(yīng)，兩國(guó)三方的科研人員于1999年8 月9月在

46、日本筑波首次完成了14特斯拉高場(chǎng)強(qiáng)條件下的螺旋型通道磁流體 船舶推進(jìn)器的合作試驗(yàn)研究。 試驗(yàn)結(jié)果表明，其性能指標(biāo)較“HEMS1”試驗(yàn)船及日本研制的“大和一號(hào)”試 驗(yàn)船提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是世界上首次進(jìn)行的高場(chǎng)強(qiáng)情況下的磁流體推進(jìn) 器的試驗(yàn)研究，中科院電工所承擔(dān)了試驗(yàn)核心部件磁流體推進(jìn)器的研制工 作，研制和試驗(yàn)中解決了一系列重要技術(shù)問題， 當(dāng)電流密度為1000安培/平方米，推進(jìn)器電效率為22%，比“大和一號(hào)”提高了 近10倍，電磁力密度約為10000牛頓/平方米，比“大和一號(hào)”高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。 這次試驗(yàn)的成功，不僅獲得了頗有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且顯示了我國(guó)已具備 進(jìn)行大型船舶的磁流體推進(jìn)系統(tǒng)概念設(shè)

47、計(jì)的能力和必要的技術(shù)基礎(chǔ)，也確立 了我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際先進(jìn)地位。 磁流體推進(jìn)的展望 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)是一項(xiàng)涉及電磁學(xué)、流體力學(xué)、電化 學(xué)等多學(xué)科，并且綜合性很強(qiáng)的高技術(shù)。該技術(shù)難度很大， 需要解決的問題很多，有些問題已經(jīng)解決，有些問題正在 研究，但還有些問題有待未來高新技術(shù)，尤其是超導(dǎo)材料 及磁體技術(shù)的解決。近幾年來，磁流體推進(jìn)技術(shù)在其他領(lǐng) 域的應(yīng)用研究也得到擴(kuò)展，如微流體泵，人工心臟輔助裝 置，超音速飛機(jī)、海水流動(dòng)控制以及油污海水的分離回收 等技術(shù)的研究。可以預(yù)言，隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步、 新材料和新工藝的出現(xiàn)，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)將在不遠(yuǎn)的 將來得到更大的發(fā)展，并走向?qū)嵱没?面臨的挑

48、戰(zhàn) 船舶動(dòng)力裝置所面臨的挑戰(zhàn)： 1、安全 Safety 船舶及其貨值愈益昂貴，常以10億元計(jì)；出現(xiàn)事故時(shí) 伴隨著重大污染；船員數(shù)量減少，現(xiàn)場(chǎng)處理幾乎不可能。 解決方案 Solutions： （1）駕駛遙控，無人值班機(jī)艙。 （2）智能化的監(jiān)控系統(tǒng)及故障診斷。 （3）故障出現(xiàn)后的自我保護(hù)。 2、節(jié)能 Engine Saving 化石燃料的供應(yīng)，全球性不足的時(shí)代已經(jīng)來臨。全球 油價(jià)高企，燃料成本已經(jīng)超過全部開銷的30%。 解決方案 Solutions： （1）船舶大型化；根據(jù)船舶的用途，采用先進(jìn)的船舶動(dòng)力 系統(tǒng)。 （2）科學(xué)用能：船舶是一個(gè)獨(dú)立的能島，要建立科學(xué)的能 量管理系統(tǒng)，以杜絕浪費(fèi)。例如要杜

49、絕以電供熱，以電致 冷。 3、環(huán)保 人類正在面臨全球氣候突變的威脅。CO2的 過量排放，溫室效應(yīng)，全球變暖，是罪魁禍?zhǔn)住?中國(guó)每年排放40億噸CO2，僅次于美國(guó)。京都議 定書要求各國(guó)降低CO2排放。 NOx及SOx都是化石燃料燃燒的產(chǎn)物，會(huì)引 起酸雨、光化學(xué)煙霧等后果，國(guó)際公約對(duì)其排放 均有要求。 動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 ECU的發(fā)展 ECU開發(fā)技術(shù)的發(fā)展 柴油機(jī)電控單元研究發(fā)展柴油機(jī)電控單元研究發(fā)展 電控單元的研究取得的飛速進(jìn)步，主要得益于電 子控制行業(yè)的迅速發(fā)展和各種現(xiàn)代控制技術(shù)在柴 油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。為了滿足各個(gè)方面的性能要求， 電控技術(shù)已經(jīng)滲透到柴油機(jī)的各個(gè)部分，采用了 許多新的控

50、制技術(shù)?，F(xiàn)在，柴油機(jī)電子控制的內(nèi) 容已由當(dāng)初的燃油系統(tǒng)單一控制逐步發(fā)展到包括 發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)控制、故障診斷、實(shí)時(shí)管理等功 能在內(nèi)的綜合管理系統(tǒng)，各種先進(jìn)的電子控制技 術(shù)在電控單元中得到了越來越廣泛的應(yīng)用 控制理論在電控單元研究中的應(yīng)用 發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制使用的控制方法從早期的經(jīng)典控 制理論的PID算法逐步發(fā)展到優(yōu)化控制、自適應(yīng) 控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及預(yù)測(cè)控制等 多種現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論的引入使得電 控系統(tǒng)更能適應(yīng)柴油機(jī)這一類復(fù)雜多變量系統(tǒng)， 時(shí)變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，此外，現(xiàn)代控制理論與 不斷進(jìn)步的新型電控器件相結(jié)合，使柴油機(jī)電控 技術(shù)在進(jìn)入實(shí)用化方面不斷取得新的突破。 自適應(yīng)控制和魯

51、棒控制 內(nèi)燃機(jī)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)首先由Draper和Li在 1951年提出，他們介紹了一種能使性能特性不確 定的內(nèi)燃機(jī)達(dá)到最優(yōu)性能的控制系統(tǒng) 。 基于模型的自適應(yīng)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控 制以提高精度，其主要運(yùn)用范圍是發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài) 工況。由于動(dòng)態(tài)工況下參數(shù)變化快、自適應(yīng)算法 收斂速度限制和控制器計(jì)算速度限制等因素，在 動(dòng)態(tài)工況下應(yīng)用存在著不足。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制 柴油機(jī)是一種多輸入、多輸出的非線性控 制系統(tǒng)，難以用經(jīng)典的控制方法來滿足控 制設(shè)計(jì)要求。隨著控制理論的發(fā)展，各種 新穎的控制方法正在逐步取代經(jīng)典的控制 方法，并在實(shí)際中得到推廣，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 和模糊控制等方法。 神經(jīng)

52、網(wǎng)絡(luò)和模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是并行結(jié)構(gòu)的非線性系統(tǒng)， 這給發(fā)動(dòng)機(jī)非線性控制系統(tǒng)的描述帶來了 一種新的數(shù)學(xué)模型；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多輸 入輸出系統(tǒng)，在信息綜合、信息互補(bǔ)與冗 余等方面有較強(qiáng)的能力，而且在多變量、 大系統(tǒng)與復(fù)雜系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)上有很 明顯的優(yōu)勢(shì)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制 模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有共同之處，如均為 并行處理結(jié)構(gòu)、都具有非線性映射能力。 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來智能控制領(lǐng)域的熱 點(diǎn)，它既具有模糊系統(tǒng)的便于理解，可以 表達(dá)人的經(jīng)驗(yàn)?zāi)：忍攸c(diǎn)，又有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的并行處理功能、容錯(cuò)能力、強(qiáng)大的自組 織、自學(xué)習(xí)能力。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制

53、在國(guó)外，日本豐田公司較早將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng) 用于控制，并提出了“智能發(fā)動(dòng)機(jī)”的概 念。同時(shí)還進(jìn)行了應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制 發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)。另外，M. Michael等開發(fā)了 一個(gè)神經(jīng)控制器，實(shí)現(xiàn)汽車燃油噴射系統(tǒng) 的空燃比的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制；Lenz U等利 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提出了一種高精度控制燃 燒室內(nèi)空燃比的火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控 制對(duì)策 。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的特點(diǎn)是其本質(zhì)為并行結(jié)構(gòu)， 這種特點(diǎn)決定了其計(jì)算速度取決于控制器的結(jié)構(gòu) 形式。目前，并行計(jì)算芯片還處在研究階段，遠(yuǎn) 未進(jìn)入控制器領(lǐng)域，這使得理論上計(jì)算速度很快 的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在實(shí)際的處理器上速度慢、 資源占

54、用量大，實(shí)時(shí)性差。此外，兩者數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 均不完善，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性等性能分析 都無確定的準(zhǔn)則和方法 反饋線性化等非線性反饋技術(shù)反饋線性化等非線性反饋技術(shù) 20世紀(jì)非線性控制理論的突破性進(jìn)展發(fā)端 于20世紀(jì)70年代初期。隨著微分幾何理論 和微分代數(shù)方法的引入，使得非線性系統(tǒng) 控制理論及其應(yīng)用有了一個(gè)巨大飛躍。非 線性系統(tǒng)的幾何理論在20世紀(jì)80年代己經(jīng) 初步形成了自己的完整體系，基于微分幾 何的非線性系統(tǒng)控制理論的出現(xiàn)，也極大 地促進(jìn)了非線性系統(tǒng)魯棒控制理論的研究。 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的功能發(fā)展 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，車 輛發(fā)動(dòng)機(jī)電控的功能由最初的燃油噴射系統(tǒng)電控 逐步發(fā)展到集

55、噴油電控、增壓電控、怠速電控、 進(jìn)氣渦流控制、電控風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)、怠速穩(wěn)定控制、 EGR控制、冷啟動(dòng)電控、柴油機(jī)電控液壓?jiǎn)?dòng)系 統(tǒng)、冷卻控制、故障診斷為一體的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電 子控制裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制逐步形成了包括控 制、處理、故障診斷和實(shí)時(shí)管理的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合管 理系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的功能發(fā)展 國(guó)外新開發(fā)的電控柴油機(jī)上都具備監(jiān)控診斷功能。 這已成為現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特征。例如，美 國(guó)CUMMINS公司采用CELECT和CENTRY發(fā)動(dòng) 機(jī)電子管理系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面控制和管理。 有些電控系統(tǒng)還包括了對(duì)機(jī)外排放的控制、安全 性控制、以及與其它電控系統(tǒng)的信息通訊等等。 如：電控柴油機(jī)微粒袋濾系統(tǒng)、壁流式

56、微粒過濾 器電加熱再生控制系統(tǒng)、電控牽引力控制系統(tǒng)等 等。 電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障自診斷功能 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)復(fù)雜程度逐步 增加，故障診斷功能也被包含進(jìn)電控系統(tǒng) 當(dāng)中，這不僅要求故障系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工 作特性進(jìn)行檢測(cè)，還要求ECU具有故障自 診斷功能以監(jiān)測(cè)電子控制系統(tǒng)各部分的工 作狀況，如：傳感器的故障診斷、執(zhí)行器 的故障診斷和配線電路的故障診斷等等。 電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障自診斷功能 1988年，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）、美國(guó)環(huán)保 署（EPA）、加州空氣資源委員會(huì)（CARB）協(xié)同 提出了OBD-I隨車診斷系統(tǒng)，其目的是加快燃油噴 射系統(tǒng)的維修速度，提高其維修質(zhì)量，以降低汽車 的廢氣排放。OBD-I

57、系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視控制模塊、 與控制模塊相連的各傳感器、燃油表系統(tǒng)以及廢氣 再循環(huán)系統(tǒng)等等。 1993年，美國(guó)環(huán)保署頒布了OBD-II的規(guī)定，一些 1994年出廠的輕型車上開始配備OBD-II隨車診斷系 統(tǒng)。 目前已推出了OBD-III型系統(tǒng) 。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 當(dāng)前，出現(xiàn)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線： 基金會(huì)總線 LonWorks Profibus HART CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) CAN即控制局域網(wǎng)絡(luò)，最早由德國(guó)BOSCH公司 推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通 信。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)， CAN越來越受到人們的重視。世界上一些著名的 汽車制造廠商，如BENZ、BMW、PORSCHE、

58、ROLLS-ROYCE和JAGU都已開始采用CAN總線 來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間 的數(shù)據(jù)通信。 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 近年來，隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)的快速發(fā)展，多傳感器系統(tǒng)得到了越來越多 的應(yīng)用，這對(duì)傳感器提出了更高的要求，即準(zhǔn)確 度高，可靠性好，易于組網(wǎng)，并具有信息處理和 自檢等智力功能。 隨著新材料及新技術(shù)的應(yīng)用，電控系統(tǒng)要求傳感 器集成化和智能化。實(shí)現(xiàn)智能化的傳感器具有信 號(hào)放大、處理功能，各種補(bǔ)償功能，以及自診斷 功能，其智能部分還應(yīng)具有編碼和譯碼的能力。 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是以嵌入式技術(shù)為核心，集成 了傳感單元、信號(hào)處理單元和網(wǎng)

59、絡(luò)接口單元的新 一代傳感器。 處理器的引入使傳感器成為硬件和軟件的結(jié)合體， 能根據(jù)輸入信號(hào)值進(jìn)行一定程度的判斷和制定決 策，實(shí)現(xiàn)自校正和自保護(hù)功能。非線性補(bǔ)償、零 點(diǎn)漂移和溫度補(bǔ)償?shù)溶浖夹g(shù)的應(yīng)用，則使傳感 器具有很高的線性度和測(cè)量精度。網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù) 的應(yīng)用使傳感器能方便地接入網(wǎng)絡(luò)。 計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展 電控單元（ECU）是柴油機(jī)電控系統(tǒng)的核心，其 硬件就是微處理器。目前，在發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元中 除了常用的8位和16位的微處理器外，32位特別 是64位微處理器已逐步開始使用，而且，專用的 汽車微機(jī)也已研制出來。 當(dāng)前ECU發(fā)展的總趨勢(shì)是從單系統(tǒng)單機(jī)控制向多 系統(tǒng)集中控制過渡，汽車電控系統(tǒng)將采用計(jì)算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)、車身電控系統(tǒng)、 底盤電控系統(tǒng)及信息與通信系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)的 ECU相聯(lián)接，形成機(jī)內(nèi)分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 電控系統(tǒng)開發(fā)工具與設(shè)計(jì)方法的發(fā) 展 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) （CACSD）技術(shù) 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)