采用LabVIEW对船用双轴燃气轮机进行仿真建模，同时还将对比Simulink和LabVIEW两者在半物理仿真系统设计中的差异，进一步阐述它们的特点，并建立起船用燃气轮机半物理仿真系统。
一直以来，燃气轮机半物理仿真系统中的燃气轮机模型大多采用Simulink建模。虽然Simulink有着强大的仿真建模的能力，但它与硬件设备交互能力相对较弱。这使得在建立半物理仿真系统时，往往需要额外的编程工作才能完成。相比之下，LabVIEW有着图形化编程的特点，而且它还拥有强大的硬件支持，所以能方便地建立半物理仿真系统。
1燃气轮机建模1.1燃气轮机的数学模型目前，燃气轮机主要有3种建模方法：线性化仿真模型只适合于燃气轮机的状态偏离某一规定值很小的情况；准非线性化仿真模型能完成大扰动过渡过程的计算，但难以达到较高的精度，并且还需要离线计算各参数对状态变量和控制量的偏导数，使得建模过程较复杂；非线性仿真模型考虑了部件特性的非线性因素，因此它适合于燃气轮机动态特性研究。
鉴于以上3种方法的特点，本文采用模块化非线性仿真模型对双轴船用燃气轮机进行建模，并考虑了在各流动连接段处的容积惯性，使得燃气轮机的压力流量计算不再需要采用迭代算法，仿真的计算量是确定的，同时提高了运算速度，因此更适合半物理仿真实验。
1.1.1压气机模块：压气机特性通常都以特性图或曲线形式给出。
以压气机的压比和折合转速为自变量，通过对特性图进行插值可以求出压气机的折合流量和效率。其函数形式如下：121cGTPNfPT=（1）2121cPNfPTη=（2）（4）式中，H1，H2分别是压气机进出口比焓，可由压气机进出口温度T1，T2转换得到。
1.1.2燃烧室模块：考虑到燃烧室模块具有容积特性，根据质量和能量守恒原理，可以得到：213fbCtGHQdPdtVη =（5）式中，Gf为燃油流量；Hf为燃烧值；ηb为燃烧效率；Q为燃烧室向周围的放热量；H3为燃烧室出口气体的比焓；Gt1为高压涡轮流量；P3为燃烧室出口压力；V为燃烧室体积。燃烧室出口气体温度T3可由燃烧室出口比焓H3转换得到。
燃烧室出口比焓H3可由下式得出：231CffbtGHQHGη ≈（6）1.1.3高压涡轮与动力涡轮模块涡轮计算方法与压气机的类似。都是根据涡轮的特性曲线插值求出涡轮流量和效率，进而求出涡轮所产生的功率以及涡轮的出口温度。计算公式为：13413tGTPNfPT=（7）24524（，）tGTPNfPT=（8）4153tPNfPTη=（9）5264tPNfPTη=（10）式中，Gt1，Gt2分别为高压涡轮和动力涡轮流量；P4，P5分别为高压涡轮和动力涡轮出口压力；T3，T4分别为高压和动力涡轮入口温度；ηt1，ηt2为高压和动力涡轮效率。
涡轮的出口温度及所输出的功率公式为：4313（1（1））pRCtPTPη=（11）5424（1（1））pRCtPTPη=（12）134（）twtPGHH=（13）245（）twtPGHH=（14）式中，H4，H5，T4，T5分别为高压与动力涡轮出口气体比焓与温度。
1.1.4管道容积模块：对于管道这种单纯的流动连接部分来说，计算中主要考虑因流入流出的流量差而引起的压力变化，依据质量守恒定律，有如下压力流量微分方程：41241（）tRTGGdPdtV=（15）式中，V1为高压涡轮与动力涡轮之间管道的体积。
1.1.5转子模块高压转子与动力转子都可用同一个式子表示：1，22121，2900（）wdNPdtINπ=（16）式中，I为转子的转动惯量；Pw2在高压转子模块为高压涡轮输出功率Ptw1，在动力转子中为动力涡轮输出功率Ptw2；Pw1在高压转子模块为压气机消耗的功率Pcw，在动力转子中为负载Plw.
1.1.6负载模块：船用燃气轮机的负载为螺旋桨。而螺旋桨所需功率可简单认为与其转速成3次方成正比关系。即32lwPNα=式中α为比例系数。
1.2燃气轮机的LabVIEW建模基于以上的数学模型，燃机在LabVIEW仿真中也分为：压气机模块；燃烧室模块；高压涡轮模块；动力涡轮模块；转子模块；负载模块。每个模块中有一个公式节点，各个模块的数学公式都装在该节点中。例如在压气机模块中，公式节点如所示。压气机和涡轮模块中还有一个子程序。该程序用来读入压气机或涡轮特性曲线数据，然后根据压比和转速插值出气体流量与效率，如所示。燃气轮机的总体模型如所示。
在仿真循环过程中，首先由初始条件根据模块中各变量的微分方程求出微分值，再通过积分器累加后求出下一步各变量的值，实现动态系统仿真。
2半物理仿真系统结构半物理仿真系统主要包括模型计算机、PXI控制器以及燃油计量试验台。其系统结构如所示。
模型计算机运行着燃气轮机的仿真模型，相当于一台虚拟的燃气轮机。计算机通过PCI-6251高速率M系列数据卡采集到燃油流量信号，并将其带入到燃气轮机模型中进行计算。
PXI控制器运行着燃气轮机的燃油控制策略，其控制思想是通过控制燃油流量来控制燃气轮机的输出转速，同时保证燃气轮机在安全条件下工作（如燃气温度不能高于限定值、保持一定的喘振裕度等）。
控制器通过PXI数据采集卡进行燃油计量阀控制。PXI控制器与模型计算机通过TCP/IP进行通信。模型计算机的转速指令以及燃气轮机状态参数通过网线传到PXI控制器。PXI控制器根据燃油控制策略计算出供油量，再将其转换为电压控制信号传输到燃油计量试验台。
燃油计量试验台是该仿真系统的实物部分。该试验台的核心部分是Woodward公司的LQ系列燃油计量阀。燃油计量阀根据PXI控制器的控制信号改变阀门开度，从而改变管路中的燃油流量。涡轮流量计测出管路中的燃油流量值，将其反馈给模型计算机。由此形成一个闭环的半物理仿真系统。
3半物理仿真系统的实现除了硬件外，半物理仿真系统还必须具备有系统软件。一般燃气轮机半物理仿真系统软件包括人机交互界面模块，数据接口模块，仿真模块等模块。
人机交互界面模块的作用是处理和显示实验数据、控制系统的运行停止、更改控制参数等。仿真模块则是燃气轮机的仿真模型。而数据接口模块是仿真模型与数据采集卡等硬件设备之间的连接模块，负责硬件的控制和数据传递。仿真模块是整个半物理仿真系统的核心。
一般燃气轮机仿真采用的是Simulink仿真，其半物理仿真系统的设计过程如下。首先，建立燃气轮机Simulink仿真模型。然后，根据半物理仿真系统中的数据采集卡的类型，用VC 编写可供Simulink调用的，并用S函数封装好的硬件驱动模块。该模块是数据接口模块，它所调用的设备驱动API函数由数据采集卡生产厂家提供。然后通过Matlab/RTW（real-timeworkshop）将仿真模型转化为可移植的嵌入式C 代码。再利用VC 编写人机界面交互程序，实现数据处理、各个模块管理调度等功能，最终完成能够独立运行的实时半物理仿真系统。通过以上的设计可以看到，Simulink尽管有着丰富、便捷的仿真建模环境，但它在界面开发，硬件驱动程序编程方面存在不足，因此要借助于VC 等编程语言来对硬件驱动程序做二次开发和人机交互界面程序设计。这使得系统设计的复杂程度和工作量都有所增加。
为了解决以上问题，本文采用LabVIEW建立半物理仿真系统，其实现过程如下：第一步：在LabVIEW中的Real-Time项目环境下建立燃机模型。其方法已作介绍。LabVIEW程序分为前面板与程序框图两部分，其程序框图内包含的是程序的算法，而前面板则是程序的输入输出界面。
燃机仿真模型的输入输出界面在前面板中进行设计。
通过利用丰富的图形控件库，可方便地建立起燃机仿真系统的人机交互界面，其界面如所示。
第二步：建立数据接口模块，实现燃机仿真模型与硬件系统之间的数据传输。LabVIEW将一系列数据采集卡硬件的设置操作都集成在DAQAssistant模块中。通过调用该模块，并在模块中设置数据输出输入通道、采样频率等参数，燃机仿真模型即可实现与数据采集卡的数据传输，不必对底层硬件驱动程序做二次开发，减少了开发时间。
第三步：运用BuildSpecifications工具将燃机模型转化为可以实时运行的嵌入式代码，并将其部署到目标机上，从而完成能够独立运行的实时半物理仿真系统。
通过比较可以看到，采用LabVIEW设计半物理仿真系统时，可以把设计的主要精力放在半物理仿真系统的核心问题，对仿真对象的建模上，而不必用过多的时间关心底层硬件驱动程序开发、交互界面设计以及实时仿真等问题。这样就减少了开发时间，降低设计成本，并提高设计质量。
4半物理仿真实验及仿真结果半物理仿真系统建立后，进行半物理仿真实验。
实验中，将仿真步长设置为10ms秒。整个仿真时间为100s.初始状态为额定工况的75，10s后，推动人机交互界面上的PLA功率推杆，使工况上升到额定工况。、显示的是半物理仿真实验与全数字仿真的结果比较。其中实线为全数字仿真，虚线为半物理仿真。从图中可以看到，两者的误差较小，说明本文所采用的半物理仿真系统设计方案是合理的。
4结论船舶柴油机轴功率的测量是实船测试的一项重要环节，而轴功率测量软件是轴功率测量系统的重要组成部分。
本文设计的轴功率测量软件针对扭矩和转速计算输入参数较多的问题，设计了参数设置子程序集中对输入参数进行设置；在实时采集数据的同时，根据测量数据换算出扭矩和转速并计算瞬时轴功率，同时将扭矩、转速和轴功率保存在ACCESS数据库中，便于进一步的调用和分析；数据回放处理子程序不仅能够选择指定时间段的测量数据进行回放，还能对测量数据进行统计分析，剔除测量异常值，计算该时间段内扭矩、转速和轴功率的平均值作为测量结果并自动生成Word格式的测量报告。测量软件功能完善，界面友好，用户操作简单直观，通过实船测量，也验证了测量软件的准确性、可靠性和实用性。
