单柴油机动力船舶建模与仿真

基于 Simulink 模型的前向仿真

Step 1旋转运动牛顿第二定律

核心方程

J × dω/dt = T₁ − T₂

牛顿第二定律：惯量 × 角加速度 = 净扭矩

Simulink 模型 fw_s1_ntlaw.slx

模型参数

T₁ 驱动扭矩 N·m

T₂ 阻力扭矩 N·m

J 转动惯量 kg·m²

仿真时长 s

步长 dt s

仿真结果

终态螺旋桨角速度 ω₁₀ rad/s

—

ω(t) 角速度 (rad/s)

核心方程

T_en = MAP(α)

T₁ = T_en × i_g

J × dω/dt = T₁ − T₂

柴油机负荷 α 经柴油机扭矩 MAP 查表得 T_en，乘减速器速比 i_g 后减负载 T₂ 得净扭矩

Simulink 模型 fw_s2_engine.slx

模型参数

α 柴油机负荷 0~1

T₂ 负载扭矩 N·m

J 转动惯量 kg·m²

ig 减速器速比

ω₀ 初始角速度 rad/s

仿真时长 s

步长 dt s

仿真结果

终态螺旋桨角速度 ω₁₀ rad/s

—

ω(t) 角速度 (rad/s)

核心方程

T_en = MAP(α)

T₁ = T_en × i_g

Q_p = K_Qρn_p²D⁵

J × dω/dt = T₁ − Q_p

螺旋桨负载扭矩 Q_p 随转速 n_p² 增长（n_p=ω/2π），形成反馈使系统趋于平衡 T₁=Q_p

Simulink 模型 fw_s3_propeller.slx

模型参数

α 柴油机负荷 0~1

J 转动惯量 kg·m²

ig 减速器速比

KQ 扭矩系数

ω₀ 初始角速度 rad/s

D 桨直径 m

ρ 水密度 kg/m³

仿真时长 s

步长 dt s

仿真结果

终态螺旋桨角速度 ω₂ rad/s

—

ω(t) 角速度 (rad/s)

核心方程

T_en = MAP(α)

T₁ = T_en × i_g

Q_p = K_Qρn_p²D⁵

T_p = K_Pρn_p²D⁴

R = (80v²+100v+150)×10³

J × dω/dt = T₁ − Q_p

m × dv/dt = T_p − R

完整前向仿真闭环：柴油机扭矩经齿轮箱驱动螺旋桨产生推力 T_p，船舶阻力 R 随航速 v 增长，两者之差决定航速变化，系统趋于 T_p=R 平衡

Simulink 模型 fw_s4_ship.slx

模型参数

α 柴油机负荷 0~1

J 转动惯量 kg·m²

ig 减速器速比

KQ 扭矩系数

KP 推力系数

ω₀ 初始角速度 rad/s

v₀ 初始航速 m/s

ρ 水密度 kg/m³

D 桨直径 m

m 船舶质量 kg

仿真时长 s

步长 dt s

仿真结果

终态螺旋桨角速度 ω rad/s

—

终态航速 v_knot kn

—

ω(t) 螺旋桨角速度 (rad/s)

v(t) 船舶航速 (m/s)

船舶航行向前仿真 · 共 4 步（全部实现）· 纯浏览器运行