張桂臣，馬捷

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，上海 200030)

綜合全電力推進(jìn)(IFEP)是現(xiàn)代船舶電力推進(jìn)研究方向之一［1］，IFEP系統(tǒng)在海洋工程船、客船、特種用途船等船上的廣泛應(yīng)用一直是研究的熱點(diǎn)［2］.推進(jìn)電機(jī)是IFEP的核心設(shè)備與研究重點(diǎn)之一［3-5］，并且其控制技術(shù)是船舶電力推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)［6-7］.目前，船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域的理論研究、實(shí)驗(yàn)研究與仿真驗(yàn)證都非常重視并取得較多研究成果［3-10］.然而，IFEP為MIMO非線性復(fù)雜系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳之間相互影響嚴(yán)重且難以精確地描述［11］.文獻(xiàn)［6-9］用兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)?zāi)M船舶電力推進(jìn)的功能，其主要控制目標(biāo)為推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但其控制策略中沒(méi)有利用螺旋槳的動(dòng)態(tài)性能.頻繁操縱推進(jìn)電機(jī)時(shí)，尤其是遭遇惡劣海況情況下，這將導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的嚴(yán)重振蕩.

本課題采用SIEMENS最新技術(shù)SIMOTION，由統(tǒng)一的工程開發(fā)軟件SCOUT和多種硬件平臺(tái)SINAMICS，建立全新的船舶電力推進(jìn)Siemens-Schottel-Propulsion(SSP)半實(shí)物仿真系統(tǒng).重點(diǎn)分析電力推進(jìn)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與功率動(dòng)態(tài)特性，并應(yīng)用于推進(jìn)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的復(fù)合控制，獲得精確和平滑的功率與轉(zhuǎn)矩控制，最小的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，意味著更少的機(jī)械磨損、導(dǎo)致更低的維護(hù)成本.

1 SIMOTION船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SIEMENS SIMOTION控制系統(tǒng)及異步電動(dòng)機(jī)組成吊艙式SSP電力推進(jìn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)［12］，如圖1所示，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)船舶電力推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制、邏輯和運(yùn)算功能，提供測(cè)試和驗(yàn)證平臺(tái).在SIMOTION電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)上可進(jìn)行推進(jìn)電機(jī)操縱及其復(fù)合控制試驗(yàn).

圖1中的主要部件如下:

1)SCOUT是電力推進(jìn)控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，提供統(tǒng)一的功能導(dǎo)向的自動(dòng)化控制及其編程.

2)WinCC Flexible是創(chuàng)建和編輯SSP操作界面HMI的工程軟件.

3)SITOP:24VDC電源模塊.

4)D425:電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制核心(CPU).

5)SINAMICS雙軸電機(jī)模塊VECTOR:一個(gè)軸驅(qū)動(dòng)吊艙推進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合控制;另一個(gè)軸驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)電機(jī)，進(jìn)行定位控制.

6)SINAMICS單軸電機(jī)模塊VECTOR:控制與推進(jìn)電機(jī)對(duì)拖的負(fù)載電動(dòng)機(jī)，模擬螺旋槳，它采用的是轉(zhuǎn)矩控制.

7)模塊SMC10處理編碼器信號(hào)，將SSP的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、位置值經(jīng)DRIVE-CliQ實(shí)時(shí)傳給控制單元.

8)電抗器與電源濾波器消除諧波干擾.

9)推進(jìn)器由SSP、回轉(zhuǎn)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)組成.

圖1 SIMOTION船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)Fig.1 Simulation of the marine electric propulsion system based on SIMOTION

2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

SSP的推進(jìn)電機(jī)由SINAMICS電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳.由螺旋槳的推力Fp、轉(zhuǎn)矩Tp和功率Pp表達(dá)式［11］，得出SSP轉(zhuǎn)速:

式中:n1、n2和n3為SSP轉(zhuǎn)速的不同表達(dá)形式.海水密度ρ=1 025 kg/m3，KT、KF分別是無(wú)因次的轉(zhuǎn)矩系數(shù)、推力系數(shù)，D是螺旋槳直徑.

由式(1)～(3)得推進(jìn)電機(jī)復(fù)合控制轉(zhuǎn)速為

式(4)復(fù)合轉(zhuǎn)速Σ n包含了SSP的推進(jìn)特性.

由式(1)、(2)得

由式(2)、(3)得

由式(1)～(3)得

于是，由式(5)、(7)得SSP的復(fù)合推力

由式(2)、(6)得SSP的復(fù)合轉(zhuǎn)矩

SSP的動(dòng)態(tài)平衡式為

式中:Is為SSP的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tm是推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Ts是SSP的靜態(tài)摩擦轉(zhuǎn)矩，ω=2πnm和nm分別是推進(jìn)電機(jī)的角速度和轉(zhuǎn)速，kω是線性摩擦系數(shù)，τm是推進(jìn)電機(jī)時(shí)間常數(shù).Tsp為推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令，SIMOTION電力推進(jìn)采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)，不需速度和相位角編碼器，可降低維護(hù)成本和確保高的可靠性.

Σ n、Σ F、Σ Tp的仿真結(jié)果如圖2、3所示:

圖2 n1、n2和n3的仿真結(jié)果Fig.2 The simulation result of n1，n2and n3

圖3 復(fù)合算法仿真結(jié)果Fig.3 The simulation result of the hybrid algorithm

圖2、3中的參數(shù)全部刻度化為無(wú)量綱的標(biāo)準(zhǔn)值，這樣處理方便，可在同一坐標(biāo)下表示多個(gè)變量，便于比較分析不同算式之間的結(jié)果.參數(shù) KF= 0.393、ρ=1.025、D=4、KT=0.0655.圖2中的Fp、Tp和Pp由式(1)～(3)分別對(duì)應(yīng)于n1、n2和n3，n1、n2和n3之間為局部線性關(guān)系，不同范圍段的增益是變化的，表明推進(jìn)動(dòng)力Fp、Tp和Pp對(duì)Σ n的影響程度不同.圖3中，F(xiàn)p和 Pp、F1和 F2、Tp1和Tp2、Σ F和Σ Tp隨Σ n的變化關(guān)系，具有非線性特性.

3 推進(jìn)電機(jī)的復(fù)合控制

SSP推進(jìn)電機(jī)速度反饋控制算法為

式中:kp和ki是PI的增益系數(shù).其中，e=［nset(t+ 1)－Σ n(t+1)］－［nset(t)－Σ n(t)］，nset為推進(jìn)電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速.

由式(5)、(8)得推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩前饋控制算法為

由SSP的推力Fp、轉(zhuǎn)矩Tp和功率Pp表達(dá)式［11］可得推進(jìn)電機(jī)的功率前饋控制算法為

則

式中:Tm1、Tm2和Tm3分別對(duì)應(yīng)推進(jìn)電機(jī)的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和功率控制的指令轉(zhuǎn)矩，Pm是推進(jìn)電機(jī)功率.

綜合推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩-功率控制策略，由式(13)、(14)和(16)得

式中:Σ Tc為復(fù)合控制指令，權(quán)重函數(shù)α(Σ n)為

式中:k、λ和γ為大于0的常數(shù)，且滿足以下條件

α(Σ n)仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 α(Σ n)的仿真結(jié)果Fig.4 The simulation result of α(Σ n)

圖4中，參數(shù)k、λ和γ的不同取值，權(quán)重函數(shù)α(Σ n)曲線的形狀一致.k越大，權(quán)重函數(shù)曲線基寬變窄;λ越大，權(quán)重函數(shù)曲線越瘦，基寬變小，峰頂變尖，則選擇性好;γ越大，權(quán)重函數(shù)曲線越胖，基寬變小，峰部平坦，則穩(wěn)定性好.

4 結(jié)果分析

建立圖1所示的基于SIMOTION船舶電力推進(jìn)模擬系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)和模擬螺旋槳電機(jī)均為三相異步電動(dòng)機(jī)，可處于電動(dòng)狀態(tài)，也可處于再生發(fā)電狀態(tài)，且都工作在穩(wěn)定區(qū)域.電機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在線檢測(cè)結(jié)果如圖5所示.

圖5 電機(jī)在線參數(shù)檢測(cè)Fig.5 Motor parameter on-line detecting

分別以速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和功率控制的試驗(yàn)結(jié)果如圖6～8所示.

圖6為推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制結(jié)果，圖6(b)所示的轉(zhuǎn)矩大幅度波動(dòng);圖7為推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制結(jié)果，圖7(a)所示的轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度較小;圖8為推進(jìn)電機(jī)功率控制結(jié)果，圖8(a)和圖8(b)所示的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度最小.顯然，轉(zhuǎn)矩控制和功率控制的效果要比轉(zhuǎn)速控制的效果好，而功率控制的效果最好.

圖6～8表明，采用功率控制策略時(shí)，由于推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積決定了其功率大小，根據(jù)推進(jìn)負(fù)荷和海況，同時(shí)控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，保持功率穩(wěn)定，可獲得最佳的控制效果，圖8所示，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變動(dòng)平滑，脈動(dòng)最小.功率變化時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可都增大、都減小或一個(gè)增大而另一個(gè)減小，兩者變動(dòng)的幅度也不同.因此，基于SIMOTION的船舶電力推進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合控制的策略是理想的、靈活的.

圖6 速度控制試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The test result of speed control

圖7 轉(zhuǎn)矩控制試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The test result of torque control

圖8 功率控制試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 The test result of power control

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析船舶電力推進(jìn)SSP動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，提出了推進(jìn)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的復(fù)合控制算法，利用SIEMENS最新技術(shù)SIMOTION，建立了電力推進(jìn)SSP模擬系統(tǒng).進(jìn)行了船舶電力推進(jìn)的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和功率控制的試驗(yàn)研究，并對(duì)這3種控制策略進(jìn)行了比較分析，得出了功率控制最好的結(jié)果.下一步工作將在SIMOTION船舶電力推進(jìn)模擬試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行摩擦轉(zhuǎn)矩與慣性矩預(yù)測(cè)估計(jì)，應(yīng)用于復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償研究，進(jìn)一步提高船舶電力推進(jìn)的魯棒性能.

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