曾宏宇，黎 波，龍 飛

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基于RT-LAB的模擬螺旋槳負(fù)載控制系統(tǒng)實時仿真

曾宏宇，黎 波，龍 飛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

綜合考慮螺旋槳與船體的相互作用，以RT-LAB軟件為基礎(chǔ)建立了螺旋槳負(fù)載控制系統(tǒng)模型，并運(yùn)用simulink代碼生成技術(shù)實現(xiàn)實時代碼的自動生成。文章根據(jù)某型實船數(shù)據(jù)，借助OP5600實時仿真機(jī)進(jìn)行仿真試驗，結(jié)果與實際螺旋槳特性基本一致，驗證了實時仿真的準(zhǔn)確性，為構(gòu)建模擬螺旋槳負(fù)載半物理仿真平臺提供了準(zhǔn)確、可靠的控制系統(tǒng)。

螺旋槳負(fù)載 代碼生成技術(shù) RT-LAB 實時仿真

0 引言

隨著電力推進(jìn)逐步成為現(xiàn)代船舶推進(jìn)方式新的發(fā)展方向，開展電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究顯得越來越重要。而螺旋槳作為推進(jìn)器在電力推進(jìn)系統(tǒng)中占有重要地位，對其開展研究是深入認(rèn)識電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

本文開展基于RT-LAB的模擬螺旋槳負(fù)載控制系統(tǒng)的實時仿真研究能夠為構(gòu)建模擬螺旋槳負(fù)載半物理仿真平臺提供真實可靠的負(fù)載特性曲線，提高仿真系統(tǒng)的置信度，大大降低電力推進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)難度和試驗成本。如圖1所示為已構(gòu)建的模擬螺旋槳負(fù)載半物理仿真平臺示意圖。

本平臺所用推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)均使用SINAMICS S120 AC/DC多軸驅(qū)動器，供電電源取自380V交流電網(wǎng)。其中，推進(jìn)變頻器采用DFE電源模塊，經(jīng)過電機(jī)模塊直接驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)。同時，其控制單元CU320通過擴(kuò)展的TM31模塊將采集到的實際轉(zhuǎn)速經(jīng)I/O接口傳送至Opal-RT公司的實時仿真機(jī)（OP5600）內(nèi)部的螺旋槳模擬負(fù)載控制系統(tǒng)。負(fù)載回饋變頻器則采用AFE電源模塊，使回饋電流諧波含量大大降低，減小對電網(wǎng)的干擾。同時，其控制單元CU320通過擴(kuò)展TM31模塊接收來自仿真機(jī)內(nèi)控制系統(tǒng)的輸出給定轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從而達(dá)到模擬螺旋槳負(fù)載的目標(biāo)。

1 負(fù)載電機(jī)控制系統(tǒng)的建立

進(jìn)行模擬螺旋槳負(fù)載控制系統(tǒng)的仿真分析，首先需要建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（船槳模型）?？刂葡到y(tǒng)主要包括：船舶阻力模型，螺旋槳進(jìn)速模型，進(jìn)速比模型，螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩模型，以及船舶運(yùn)動模型。下面重點介紹控制系統(tǒng)中主要部分的數(shù)學(xué)模型。

1.1 螺旋槳轉(zhuǎn)矩與推力計算模塊

進(jìn)行螺旋槳轉(zhuǎn)矩與推力計算的前提是獲取螺旋槳特性，即

圖1模擬螺旋槳負(fù)載半物理仿真平臺

目前該特性曲線應(yīng)用較為廣泛的有圖譜和解析式兩種形式。本文選用的諾爾特斯特洛姆系列試驗圖譜是哥德堡水池進(jìn)行=4，=0.45，=0.0~1.6的全程試驗圖譜（主要針對直推單槳船舶）。由于它生動反映了各種工況下螺旋槳的運(yùn)行情況，且螺距比變化范圍大，具有一定代表性，在推進(jìn)仿真中具有很大參考價值。該系列螺旋槳特性曲線如圖2、3所示。其中，兩特性曲線的第一象限部分對應(yīng)為螺旋槳推船前進(jìn)（正航）狀態(tài)；第二象限部分對應(yīng)為船舶正航時拉倒車（船舶由前進(jìn)轉(zhuǎn)變成倒退運(yùn)行）狀態(tài)；第三象限部分對應(yīng)為船舶后退時用倒車（倒航）狀態(tài)；第四象限部分對應(yīng)為船舶倒航時拉正車（船舶由倒退轉(zhuǎn)變成前進(jìn)運(yùn)行）狀態(tài)。

為了便于數(shù)學(xué)分析和模型搭建，本文將選用該圖譜的解析形式（8階切比雪夫多項式）來計算。將切比雪夫多項式轉(zhuǎn)換為普通多項式后，結(jié)果如下：

上式中各項系數(shù)可查表獲得。

由此可得螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩的計算公式為：

1.2 有效推力模型

由于螺旋槳在船尾運(yùn)動時引起水流變化，導(dǎo)致船尾壓強(qiáng)重新分布，從而引起船體阻力增大。設(shè)螺旋槳產(chǎn)生的推力為，則其中一部分用于克服不帶螺旋槳時的阻力，另一部分用于克服螺旋槳運(yùn)動產(chǎn)生的阻力增額ΔR（推力減額），即

在工程上通常使用推力減額系數(shù)來表征推力減額大小，即

所以，有螺旋槳存在時，船的有效推力為：

1.3船體阻力模型

圖2 轉(zhuǎn)矩特性

圖3 推力特性

船舶在水面航行時所受到的總阻力主要由兩部分組成，一部分是靜水中的裸船體阻力，另一部分為附加阻力。其構(gòu)成如圖4所示。

鑒于本文重點研究在無風(fēng)浪海況下模擬螺旋槳負(fù)載控制系統(tǒng)的實時仿真，暫不考慮復(fù)雜海況對螺旋槳運(yùn)行的影響。因此，阻力計算模型只包含摩擦阻力和剩余阻力兩部分。根據(jù)“相當(dāng)平板”理論，加上實際應(yīng)用時引入的“形狀修正因子”和“粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)”的概念，得到船體摩擦阻力計算公式：

式中，k為形狀修正因子C為阻力系數(shù)，ΔC為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)，為船速，為濕表面積，為海水密度。

圖4 船舶阻力構(gòu)成

剩余阻力的計算則采用常用的蘭波-凱勒圖譜，可以求得剩余阻力系數(shù)C。

因此，船槳總阻力計算公式為：

1.4船舶運(yùn)動模型

建立船槳系統(tǒng)的運(yùn)動方程：

式中，為船舶噸位，單位為t；為船體附加質(zhì)量，單位為t。按經(jīng)驗’可取船體質(zhì)量的5%~15%。

由上式即可求得船速v。

2 RT-LAB建模

RT-LAB的設(shè)計與開發(fā)流程是：首先按照其建模規(guī)則在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)建模，然后通過RT-LAB對系統(tǒng)模型進(jìn)行分割處理、編輯、編譯、實時代碼生成，最后將實時代碼下載至OP5600實時仿真機(jī)中執(zhí)行。

2.1模型的建立

首先在Matlab/Simulink中建立控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖5所示。然后根據(jù)RT-LAB要求對模型進(jìn)行分割，將需要進(jìn)行在線監(jiān)測的工況輸入、輸出航速、輸出進(jìn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出推力、推進(jìn)功率通過OpComm模塊引至監(jiān)控臺子系統(tǒng)（前綴為SC_）中，將剩余的模型計算部分置于模型子系統(tǒng)(前綴為SM_)中。如圖6、7所示，分別為分割后的監(jiān)控臺子系統(tǒng)和模型子系統(tǒng)，圖8、9為船體模塊和螺旋槳模塊內(nèi)部。

進(jìn)行系統(tǒng)建模時，從基于模型設(shè)計開發(fā)的角度出發(fā)，為了更好地實現(xiàn)一些特定算法（如轉(zhuǎn)矩系數(shù)計算模塊），使用了自定義S函數(shù)模塊。按照執(zhí)行方式不同，常用的S函數(shù)有M S函數(shù)和C Mex S函數(shù)，根據(jù)本系統(tǒng)需要生成嵌入式C代碼進(jìn)行實時仿真的要求，以及從仿真的快速性出發(fā)，選用C Mex S函數(shù)進(jìn)行算法的編寫，編寫完成后需要先配置Matlab編譯器，然后使用Mex命令將C文件形式的S函數(shù)編譯為Mex文件才可正常使用C Mex S函數(shù)。

圖5 船槳仿真模型

圖6 S_M模型子系統(tǒng)

圖7 S_C監(jiān)控臺子系統(tǒng)

圖8 船體模塊

圖9 螺旋槳模塊

2.2模型的編譯與代碼生成

RT-LAB通過調(diào)用Matlab中的實時工作空間RTW來自動生成可在實時仿真機(jī)中執(zhí)行的嵌入式C代碼，從而生成可執(zhí)行目標(biāo)文件。整個編譯過程為系統(tǒng)自動進(jìn)行，可以大大提高基于模型設(shè)計的嵌入式開發(fā)效率。下面簡要介紹可執(zhí)行目標(biāo)文件生成的流程：先通過Build選項對模型的描述文件進(jìn)行編譯，然后調(diào)用TLC目標(biāo)語言編譯器產(chǎn)生模型的C源程序，再調(diào)用Make過程生成聯(lián)編文件，最后由聯(lián)編應(yīng)用程序生成可執(zhí)行程序。

此流程中，TLC編譯是保證整個編譯過程成功的關(guān)鍵。在TLC編譯過程中會使用到三類文件：系統(tǒng)TLC文件、模塊TLC文件、其他TLC函數(shù)庫。在船槳模型編譯過程中，這三類文件中的系統(tǒng)TLC文件、Simulink自帶模塊的TLC文件以及TLC函數(shù)庫已經(jīng)由MathWorks公司預(yù)先編寫好，因此在代碼生成時能夠順利通過編譯。而本文解決的一個關(guān)鍵技術(shù)就是為系統(tǒng)模型中C Mex S函數(shù)模塊形式的自定義算法編寫對應(yīng)的模塊級TLC文件。分別對各算法模塊進(jìn)行調(diào)試后，均通過RT-LAB編譯，并順利下載至實時仿真機(jī)中，成功實現(xiàn)相關(guān)算法的功能。

2.3模型的下載與執(zhí)行

將編寫完成的C Mex S函數(shù)文件及其對應(yīng)的TLC文件均置于控制系統(tǒng)所在目錄下。對控制系統(tǒng)編譯成功后，下載至實時仿真機(jī)中，待在線監(jiān)控窗口自動彈出后即可執(zhí)行模型。

3 仿真試驗驗證

本文以某實船船型數(shù)據(jù)為依據(jù)：船舶噸位為6914噸，額定航速為7.2 m/s，船長112.1 m，型寬17.5 m，吃水4.5 m，螺旋槳額定轉(zhuǎn)速為2.583 r/s，直徑為2.76 m，螺距比為0.7。

分別對船舶分級啟動正航、倒航、先正航后倒航三種典型工況進(jìn)行實時仿真。對以上三種工況的設(shè)定和輸出特性的監(jiān)測均在上位機(jī)中的監(jiān)控窗口進(jìn)行，如圖10為監(jiān)控窗口。

將仿真結(jié)果與實船各典型工況的理論特性曲線相比較，結(jié)果基本一致。本研究證實了模擬螺旋槳負(fù)載控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，可以用于模擬實船螺旋槳運(yùn)行狀態(tài)。

圖10 在線監(jiān)測窗口

各典型工況實時仿真結(jié)果如圖11、12、13。

圖11 分級啟動n-T曲線

圖12 倒航n-T曲線

圖13 先正航后倒航n-T曲線

4 結(jié)論

本文圍繞螺旋槳模擬負(fù)載的實時仿真展開研究，采用RT-LAB實時仿真平臺對模擬螺旋槳控制系統(tǒng)進(jìn)行實時仿真分析，結(jié)果證實了螺旋槳模擬負(fù)載控制系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合OP5600實時仿真機(jī)已具備的硬件條件，能夠采集推進(jìn)電機(jī)實際轉(zhuǎn)速信號，輸出負(fù)載電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩信號，為已建立的模擬螺旋槳負(fù)載半物理仿真平臺提供可行性依據(jù)和硬件支持。

同時，在研究過程中所應(yīng)用的嵌入式C代碼生成技術(shù)，不僅能夠用于RT-LAB實時仿真平臺，還可用于DSP、FPGA等大量嵌入式軟件開發(fā)平臺，能夠充分滿足用戶多樣化的需求，為今后進(jìn)行基于模型的開發(fā)設(shè)計提供了一個快速有效的途徑，大大提高了嵌入式開發(fā)效率。

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RT-LAB –based Real-time Simulation of Control System of Propellers Loading

Zeng Hongyu, Li Bo, Long Fei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Considering the interaction of ship and propeller, this paper builds a mathematical model of the control system of propeller loading by RT-LAB, and uses the technology of automatic code generation in simulink to achieve real-time generation. Based on the data of real ship, the model is loaded to the OP5600 HILBOX to execute. Comparing the real-time simulation result with the actual propeller curve, it shows that real-time simulation is accurate, and it provides the accurate and reliable control system for a hardware-in-the-loop simulation platform of propeller loading.

propellers loading; automatic generation; RT-LAB; real-time simulation

TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0069-04

2015-10-16

曾宏宇（1991-),男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真。