汪桐萱，任　倩，梁景凱，曲延濱

（哈爾濱工業(yè)大學（威海）信息與電氣工程學院，山東 威海 264209）

惡劣海況下船舶電力推進系統(tǒng)抗過旋控制研究

汪桐萱，任倩，梁景凱，曲延濱

（哈爾濱工業(yè)大學（威海）信息與電氣工程學院，山東 威海 264209）

電力推進的船舶在惡劣海況下航行時存在較大擾動，螺旋槳不斷進出水面，使船舶推進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩過大從而造成機械損耗。為此，本文提出一種針對惡劣海況的船舶電力推進系統(tǒng)抗過旋控制策略，不同于平靜海況的轉(zhuǎn)速控制策略，考慮船槳通風狀態(tài)以及損失的估算，對損失因子和估算轉(zhuǎn)矩進行分析，驗證抗過旋控制的可靠性。

船舶電力推進；惡劣海況；抗過旋控制；損失計算

0　引　言

電力推進是現(xiàn)代船舶推進方式之一，通過電動機直接或經(jīng)減速齒輪裝置帶動螺旋槳推動船舶行進，目前已成為一種先進的推進方式［1］。而推進電機及其控制技術(shù)是船舶電力推進的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于推進電機受外部負載擾動、對象建模不充分和非線性動態(tài)等不確定因素的影響，要獲得高性能的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，必須由先進的控制策略來解決這些不確定因素的影響。目前，常用的控制船舶推進系統(tǒng)的方法有模糊控制方法、神經(jīng)元自適應(yīng) PID 方法、復合誤差模型自適應(yīng)方法等。模糊控制魯棒性強，但是模糊控制屬于有差控制，靜態(tài)性能不夠穩(wěn)定。神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制是一種與矢量控制相結(jié)合的控制方法，此控制方法有較好的自適應(yīng)能力，抗干擾性能較好［2］。復合誤差模型自適應(yīng)方法的主要優(yōu)點是具有很好的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性［3-5］。

這些方法在一定程度上解決了不確定性對控制性能的影響，提升了系統(tǒng)抗干擾的能力。但當船舶遭遇惡劣海況時，螺旋槳會出現(xiàn)不斷進出水面的情況，導致螺旋槳經(jīng)歷一個很大的負載瞬時變化，產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，快速旋轉(zhuǎn)的槳葉撞擊水面，會導致機械傳動機構(gòu)損壞和槳葉的損壞，產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟損失。只有適時根據(jù)海況調(diào)整控制策略，才能更好地解決所述的螺旋槳機械動態(tài)失衡問題。

鑒于目前針對船舶電力推進系統(tǒng)遭遇惡劣海況時的控制策略研究相對較少，本文提出一種惡劣海況下的船舶電力推進系統(tǒng)抗過旋控制策略，該控制方法能夠有效抑制螺旋槳失載時螺旋槳飛車，保障推進傳動系統(tǒng)的動態(tài)平衡，減少推進單元的機械損耗，有效實現(xiàn)船舶在惡劣海況中的安全平穩(wěn)推進。

1　船舶電力推進系統(tǒng)模型建立

1.1船槳模型

螺旋槳特性是指螺旋槳轉(zhuǎn)矩、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線與槳的轉(zhuǎn)動方向和水流入方向有關(guān)系。根據(jù)螺旋槳工作原理，螺旋槳實際推力、轉(zhuǎn)矩分別與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

式中：KF為推力系數(shù)；KT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ρ 為海水密度；D 為螺旋槳直徑；n 為軸的轉(zhuǎn)速。

1.2軸動態(tài)模型

連接電機和螺旋槳軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

式中：Tmp為軸上的電機轉(zhuǎn)矩；Is為軸、螺旋槳、電機的轉(zhuǎn)動慣量；ω 為軸的角速度；f（ω）為軸的摩擦力。

軸的摩擦力方程為：

式中：Kω為摩擦系數(shù)；Ts為靜摩擦轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

1.3電機模型

永磁同步電動機具有磁通密度高、動態(tài)響應(yīng)快、嚴格的轉(zhuǎn)速同步性、更硬性的轉(zhuǎn)速特性等優(yōu)點，因此目前船舶電力推進系統(tǒng)大多采用永磁同步電動機作為推進電機［6-7］。

電機動態(tài)模型方程為：

式中：Tm為電機的轉(zhuǎn)矩；tm為時間常數(shù)；Tcm為推進系統(tǒng)中電機需要的轉(zhuǎn)矩。

2　惡劣海況下船舶電力推進系統(tǒng)抗過旋控制策略研究

2.1平靜海況下船舶電力推進系統(tǒng)控制策略

平靜海況下電力推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu) 如圖1所示。

圖1　平靜海況下轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)Fig. 1　Block diagram of shaft speed control in normal condition

平靜海況是指船舶在平靜的水面航行，螺旋槳全部浸沒在海水里，不存在浪、流、涌等因素。Fr是 Fd通過一個濾波環(huán)節(jié)給定的理想的推力值，F(xiàn)d是給定的一個常值。

2.1.1控制的基本參數(shù)

經(jīng)過分析可知，軸的轉(zhuǎn)速 ω 與電機的轉(zhuǎn)矩 Tm可以實際測得。最基本的控制參數(shù)為螺旋槳的直徑 D、推力系數(shù) KF和轉(zhuǎn)矩系數(shù) KT，這 3個參數(shù)，可從船舶的推力或螺旋槳的敞水特性求出。對于此控制系統(tǒng)，靜摩擦轉(zhuǎn)矩常數(shù) Ts、摩擦系數(shù) Kω和轉(zhuǎn)動慣量 Is都為理想值。Ts與 Kω的值在確定控制系統(tǒng)時已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)動慣量 Is由電機本身的特性確定。

2.1.2控制目標

最終的控制目標是使實際螺旋槳輸出的推力 Fa跟隨給定的推力 Fr。在動態(tài)情況下，其他參數(shù)也應(yīng)跟隨給定的推力 Fr?？刂频哪康氖菧p少機械損耗，限制功率振蕩峰值。

2.1.3轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速控制部分主要由濾波環(huán)節(jié)、推力轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換函數(shù)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部分組成。Fd是給定的推力值，給定的推力經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)后，得到一個濾掉諧波和其它瞬時變化的推力，經(jīng)過濾波后的推力為Fr，根據(jù)推力計算出需要的轉(zhuǎn)速 nr，需要的轉(zhuǎn)速再經(jīng)過一個 PI 調(diào)節(jié)器，得到控制電機的轉(zhuǎn)矩 Tc。轉(zhuǎn)速控制策略最終輸出的是螺旋槳的轉(zhuǎn)速 n，與給定的轉(zhuǎn)速比較，從而達到控制轉(zhuǎn)速的目的［8］。

2.2惡劣海況下抗過旋控制策略

船舶在平靜海況下正常航行時，螺旋槳全部浸沒在水里。當海況惡劣變化時，螺旋槳會隨著外界環(huán)境的變化而露出水面，此時槳葉之間有一定的空氣流通，會產(chǎn)生通風變化。如果仍用平靜海況下的轉(zhuǎn)速控制策略，不能達到很好的控制效果，所以惡劣海況下，采用一種新型的控制策略，即抗過旋控制策略。圖2為抗過旋控制結(jié)構(gòu)框圖。

控制目標：降低推進電機的轉(zhuǎn)矩，限制電機過速旋轉(zhuǎn)。

控制方法：計算抗過旋控制系數(shù)，調(diào)整惡劣海況下轉(zhuǎn)矩參考值 Tras，使螺旋槳最終輸出的推力值與給定值基本吻合。

圖2　惡劣海況下抗過旋控制結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2　Block diagram of Anti-spin control in extreme condition

2.2.1抗過旋控制

抗過旋控制模塊由兩部分組成：一部分為轉(zhuǎn)矩抑制功能，一部分為轉(zhuǎn)矩平滑功能。總體控制思路：抗過旋控制器輸出一個系數(shù)送給推進器控制部分，將惡劣海況下的轉(zhuǎn)矩進行優(yōu)化，乘以一個因子之后，再輸送給電機，從而對推進電機進行控制。轉(zhuǎn)矩抑制環(huán)節(jié)引入轉(zhuǎn)矩比例系數(shù) γT控制推進器轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩平滑環(huán)節(jié)，用于形成與惡劣海況下的期望轉(zhuǎn)速相匹配的推進力，匹配推進力將實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的平滑過渡。依據(jù)調(diào)整后的軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，得到轉(zhuǎn)矩參考值 Tras。Tras與 γT共同作為主推進控制模塊的輸入，實現(xiàn)惡劣海況下的船舶推進控制。圖3為抗過旋控制模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖3　抗過旋控制結(jié)構(gòu)Fig. 3　Block diagram of Anti-spin control

2.2.2負載轉(zhuǎn)矩監(jiān)測

螺旋槳的旋轉(zhuǎn)動態(tài)模型為方程：

式中：nr為螺旋槳轉(zhuǎn)速參考值；Tf1為摩擦轉(zhuǎn)矩常數(shù)。Ta和δf滿足下面的方程：

有限的輸入 u 公式為：

其中 kg為電機與螺旋槳的傳動比。

與負載轉(zhuǎn)矩觀測器的數(shù)學模型類似，實際的螺旋槳旋轉(zhuǎn)動態(tài)模型關(guān)系式為：

2.2.3轉(zhuǎn)矩損耗估算

式中：n 為轉(zhuǎn)速；KTC為控制轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為期望的額定螺旋槳負載轉(zhuǎn)矩。

期望的螺旋槳負載轉(zhuǎn)矩為：

當軸轉(zhuǎn)速比較低時，為了防止過速旋轉(zhuǎn)，對轉(zhuǎn)矩損失因子的估算值加上下限。由于軸轉(zhuǎn)速為0 時沒有推力損失，因此重新定義轉(zhuǎn)矩損失因子為：

2.2.4螺旋槳通風狀態(tài)檢測

推力損失的檢測有許多種方法，比較簡單的方法是對螺旋槳軸轉(zhuǎn)速的變化速度或者推進電機轉(zhuǎn)矩的變化速度設(shè)定一個檢測標準值。下面建立螺旋槳出入水檢測的算法［9］，為了完善檢測算法，對轉(zhuǎn)矩損失因子加以限制對于檢測的另外一個要求是電機轉(zhuǎn)矩是非增的，即假定檢測信號為ζ，當檢測到螺旋槳處于通風狀態(tài)時將 ζ 置為1，否則將其置為0。數(shù)學關(guān)系式如下：

3　仿真模型的建立

圖4為系統(tǒng)仿真整體框圖。用 Matlab 搭建各部分仿真模型（圖5～圖8）。

圖4　系統(tǒng)整體仿真框圖Fig. 4　Block diagram of simulation

圖5　負載轉(zhuǎn)矩監(jiān)測Fig. 5　Load torque detection

圖6　轉(zhuǎn)矩損耗估算Fig. 6　Torque loss calculation

圖7　通風狀態(tài)檢測Fig. 7　Ventilation detection

仿真結(jié)果分析：抗過旋控制策略是在惡劣海況下產(chǎn)生控制效果。如圖9所示，2 s 之前船舶在平靜海況下航行，此時推力比較??；2 s 時產(chǎn)生通風，信號為1，船舶由平靜海況轉(zhuǎn)為惡劣海況航行，由于螺旋槳突然露出水面，產(chǎn)生通風，推力會突然增加，接近 3 500 kN。采用抗過旋控制策略后，螺旋槳產(chǎn)生的推力得以控制，2～5 s 之間減小到 300 kN，經(jīng)過一段波動后，幾乎平穩(wěn)在 300 kN，達到給定的推力值?？梢宰C明抗過旋控制策略有一定的控制效果，能達到預(yù)期控制目標。

圖8　抗過旋控制Fig. 8　Anti-spin control

圖9　螺旋槳輸出的推力與時間關(guān)系曲線圖Fig. 9　Simulation result of thrust

4　結(jié)　語

抗過旋的組成部分包括抗過旋控制、螺旋槳負載轉(zhuǎn)矩監(jiān)測、轉(zhuǎn)矩損耗估算、螺旋槳通風狀態(tài)檢測?？惯^旋控制能在極端工況，即惡劣海況下控制螺旋槳，并能控制和降低軸轉(zhuǎn)速直至該現(xiàn)象結(jié)束。惡劣海況下，螺旋槳進出水面，使得螺旋槳轉(zhuǎn)速過快，采用抗過旋控制方法可以使轉(zhuǎn)速降低，減少轉(zhuǎn)矩損耗，避免機械損失。本文使用 Matlab 仿真軟件對船舶電力推進系統(tǒng)進行建模仿真，最終輸出的推力值與給定的推力值基本吻合，達到了降低推力的效果，驗證了抗過旋控制策略在惡劣海況下的可行性。

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Research on anti-spin control of marine electric propulsion system in extreme conditions

WANG Tong-xuan， REN Qian， LIANG Jing-kai， QU Yan-bin
（School of Information and Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology at Weihai， Weihai 264209， China）

A propeller subject to extreme conditions may experience large load transients due to ventilation and in-andout-of water effects. The controllers designed for normal conditions may then no longer give satisfactory performance. Since torque and power control needs keeping constant， a loss of propeller load torque will lead to severe motor racing. To assure satisfactory performance for all conditions， the anti-spin control strategy for extreme conditions is therefore introduced. Differing from control strategy for normal conditions， the ventilation detection and loss effects are included the Anti-Spin control strategy. Moreover， loss factor and torque calculation are analyzed. The reliability of the anti-spin control strategy is verified.

marine electric propulsion system；extreme conditions；anti-spin control；loss calculation

U661.4

A

1672-7619（2016）09-0078-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.015

2016-02-02；

2016-03-04

工信部高技術(shù)船舶科研資助項目（工信部聯(lián)裝［2013］411號）；威海市大學共建資助項目（2013DXGJ04）

汪桐萱（1990-），女，碩士研究生，主要從事船舶電力推進系統(tǒng)的技術(shù)研究。