姚文龍，涂志平，池榮虎，張均東

(1. 青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042；2. 青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系，山東 青島 266071；3. 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)控制策略發(fā)展綜述

姚文龍1，涂志平2，池榮虎1，張均東3

(1. 青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042；2. 青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系，山東 青島 266071；3. 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

隨著船舶節(jié)能減排要求的提高，吊艙推進(jìn)系統(tǒng)因其具有常規(guī)電力推進(jìn)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)而成為目前國(guó)內(nèi)外造船界的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)的類型及特點(diǎn)進(jìn)行分析，歸納和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、類型、負(fù)載特性以及電機(jī)控制等方面的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)推進(jìn)電機(jī)的控制策略進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)控制策略的發(fā)展做了展望，并對(duì)基于無(wú)模型自適應(yīng)控制的船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

船舶吊艙；推進(jìn)電機(jī)；螺旋槳負(fù)載；電機(jī)控制；矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制

本文首先對(duì)吊艙推進(jìn)電機(jī)的形式、結(jié)構(gòu)、負(fù)載特性以及控制系統(tǒng)等進(jìn)行分析研究，然后對(duì)推進(jìn)電機(jī)的控制策略進(jìn)行探討，最后討論了先進(jìn)控制理論在船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的主要發(fā)展方向。

1 吊艙推進(jìn)電機(jī)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

吊艙推進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，它能夠360°旋轉(zhuǎn)，可以完成對(duì)船舶的航向及航速控制，其安全可靠性對(duì)船舶的安全運(yùn)營(yíng)起到至關(guān)重要的作用，因此，吊艙推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)是船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域需要重點(diǎn)研究的技術(shù)。

早期階段直流電機(jī)為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要形式，直流電機(jī)具有扭矩波動(dòng)平滑、啟動(dòng)性能較好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，使其在吊艙推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。近年來(lái)隨著人類社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，交流電機(jī)迅速應(yīng)用到吊艙推進(jìn)系統(tǒng)中，并取得了諸多進(jìn)展。

當(dāng)前，各國(guó)正在使用和處于研究當(dāng)中的推進(jìn)電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)以及高溫超導(dǎo)電機(jī)等。其中，永磁電機(jī)由于其體積比常規(guī)電機(jī)小很多而成為吊艙推進(jìn)電機(jī)的理想選擇，對(duì)永磁同步電機(jī)的應(yīng)用研究成為當(dāng)前吊艙推進(jìn)控制系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。

1.1 永磁推進(jìn)電機(jī)

永磁推進(jìn)電機(jī)主要由永磁電機(jī)本體、電源模塊、控制模塊組成。與常規(guī)推進(jìn)電機(jī)相比，永磁推進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、體積小、重量輕、噪聲低等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)其轉(zhuǎn)子型式，分為表面式磁路結(jié)構(gòu)、切向式磁路結(jié)構(gòu)、橫向磁通磁路結(jié)構(gòu)以及徑向式氣隙磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)等。

國(guó)外對(duì)于高效永磁同步推進(jìn)電機(jī)的研究設(shè)計(jì)已有近40年的歷史。早在1978年，法國(guó)CEM公司就獲得了18.5 kW以下的高效永磁電機(jī)發(fā)明專利，其效率比感應(yīng)電機(jī)高2%～8%，功率因數(shù)提高0.005～0.15，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.6～2.2。1986年初，德國(guó)Siemens公司研制出1 100 kW，230 r/min的六相永磁同步電動(dòng)機(jī)，并做了對(duì)比航行試驗(yàn)，使得系統(tǒng)效率特別是在低速工況下的效率大大提高。而后又研制出1 700 ～5 000 kW，150 r/min的PERMASYN永磁推進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子采用多極表面式磁路結(jié)構(gòu)。近年來(lái)西門子與肖特爾公司聯(lián)合研制出5～30 MW SSP推進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)利用了Schottel雙螺旋槳設(shè)計(jì)思想，利用2個(gè)螺旋槳均擔(dān)負(fù)載，使系統(tǒng)效率提高20%，目前，SSP推進(jìn)電機(jī)已安裝于中遠(yuǎn)集團(tuán)“泰安口”和“康盛口”，2011年中遠(yuǎn)集團(tuán)“祥云口”采用了SSP6型推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。1986年德國(guó)磁電機(jī)公司與瑞士BBC公司為瑞典潛艇設(shè)計(jì)了1臺(tái)1 500 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)[4]，其速度范圍可達(dá)0～180 r/min。1987年法國(guó)熱蒙-施奈德（Jeumont-Schneider）公司研制成功1臺(tái)400 kW，500 r/min永磁推進(jìn)電機(jī)，后續(xù)相繼設(shè)計(jì)了1 800 kW以及3 300 kW的永磁推進(jìn)電機(jī)，已裝備智利海軍“蝎子”號(hào)潛艇。1990年加拿大M.A.Rahman教授研制成功25 hp四極異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)[5]，該機(jī)包括徑向磁路結(jié)構(gòu)、弧形排列永磁體結(jié)構(gòu)和弧形永磁體磁路結(jié)構(gòu)等3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，效率可達(dá)到94%。1997年英國(guó)Rolls-Royce公司研制出16～24 MW，180 r/min的永磁橫向磁通電動(dòng)機(jī)，目前已裝備于皇家海軍艦船永磁推進(jìn)系統(tǒng)[6]。1994年美國(guó)卡曼（Kaman）公司研制了1臺(tái)3 000 hp永磁電動(dòng)機(jī)，并于1999年研制成功1臺(tái)18.375 MW，100 r/min的大功率永磁推進(jìn)電機(jī)，該機(jī)總效率可達(dá)95%[7]。另外，俄羅斯電氣物理裝置研究所已研制采用切向式磁路結(jié)構(gòu)的永磁推進(jìn)電機(jī)，其功率可達(dá)4 100 kW，并投入實(shí)艇使用[8]。

由于吊艙推進(jìn)器在國(guó)外尤其是歐洲的盛行，使得他們對(duì)吊艙推進(jìn)電機(jī)的研究高度重視，目前發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)大型永磁同步電機(jī)的研究比較充分，在理論研究、實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)工藝等方面都取得了很多的研究成果并積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)。相比較而言，中國(guó)在吊艙推進(jìn)領(lǐng)域的起步比較晚，國(guó)內(nèi)對(duì)永磁同步推進(jìn)電機(jī)的研究還較少，只有中船重工712研究所、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)等幾所高校和研究所開(kāi)展了這方面的研究。1980年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)率先開(kāi)展永磁電動(dòng)機(jī)研制，并研發(fā)出我國(guó)第1臺(tái)4kW四極稀土鉆永磁同步電動(dòng)機(jī)和第1臺(tái)1.1kW六極欽鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)；1987年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制出3kW四極永磁同步電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)比Y系列電機(jī)高0.12，效率比Y系列電動(dòng)機(jī)高3.8%；1998年該校又研發(fā)了高效高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)，該機(jī)不僅在額定負(fù)載時(shí)效率和功率因數(shù)高，而且在輕載時(shí)效率高于89%，功率因數(shù)高于0.83[9]。2013年7月中船重工712研究所研制成功國(guó)內(nèi)首套3 MW級(jí)永磁同步推進(jìn)電機(jī)，這標(biāo)志著我國(guó)具備了船舶大容量中壓電力推進(jìn)系統(tǒng)制造能力，但是，目前我國(guó)還不具有完全獨(dú)立設(shè)計(jì)和研發(fā)制造船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)的能力，與國(guó)外綜合全電力推進(jìn)方案相比還存在著很大的差距。

1.2 高溫超導(dǎo)同步電機(jī)

目前世界各國(guó)在研究船舶吊艙永磁同步電機(jī)的同時(shí)，還大力研究新型船舶推進(jìn)電機(jī)，包括高溫超導(dǎo)同步電機(jī)等。高溫超導(dǎo)電機(jī)定子冷卻方式與傳統(tǒng)電機(jī)的定子冷卻方式相同，如強(qiáng)迫空氣冷卻和水內(nèi)冷技術(shù)等。轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)保證了線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)，是整個(gè)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

美國(guó)在高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)上處于世界領(lǐng)先地位。2004年，美國(guó)超導(dǎo)公司率先研發(fā)出5 MW高溫超導(dǎo)同步電機(jī)[10]。德國(guó)西門子公司于2004年研制出4 MW高溫超導(dǎo)電機(jī)，目前已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)。英國(guó)CONVERTEAM公司與德國(guó)Zenergy公司研發(fā)出8 MW超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。日本研發(fā)出10 MW級(jí)高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。韓國(guó)在此領(lǐng)域也取得了較大的進(jìn)展，并有不同容量的樣機(jī)問(wèn)世[11]。

近年來(lái)，國(guó)家863計(jì)劃對(duì)高溫超導(dǎo)電機(jī)加大了支持力度，其中，2012年中船重工712所研制的兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)電機(jī)實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)在兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制方面走在了世界前列。當(dāng)前，船舶吊艙的體積以及噪聲已成為其發(fā)展的瓶頸，高溫超導(dǎo)電機(jī)可能成為船舶吊艙用推進(jìn)電機(jī)的最終發(fā)展方向。

2 船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)負(fù)載分析

船舶在海上航行，需要克服航行時(shí)的阻力包括海水和風(fēng)力阻力等，因此吊艙推進(jìn)電機(jī)需要產(chǎn)生相應(yīng)的推力來(lái)維持船舶運(yùn)動(dòng)。由于螺旋槳與吊艙推進(jìn)電機(jī)直接相連，因此兩者的非線性動(dòng)力學(xué)特性一致。對(duì)于螺旋槳負(fù)載的研究，主要是對(duì)吊艙螺旋槳的推力特性和扭矩特性進(jìn)行分析。吊艙螺旋槳推力特性主要反映為螺旋槳的推力Fp和扭矩Tp以及敞水效率等隨船舶轉(zhuǎn)速和進(jìn)速比的變化關(guān)系。螺旋槳扭矩特性指的是螺旋槳的扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，包括自由航行特性、拋錨特性以及反轉(zhuǎn)特性等。

目前，吊艙推進(jìn)電機(jī)負(fù)載的研究工作很大部分集中在對(duì)船舶正車啟動(dòng)和啟動(dòng)后倒車以及惡劣海況和機(jī)動(dòng)航行等工況進(jìn)行分析。Damir和Qyvind等對(duì)螺旋槳在多種復(fù)雜工況下的負(fù)載特性進(jìn)行研究，并應(yīng)用瓦格寧根實(shí)驗(yàn)圖譜（Wageningen B-Serew Series），建立了適合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的仿真模型，通過(guò)敞水試驗(yàn)得到動(dòng)態(tài)特性[12]。美國(guó)海軍對(duì)吊艙推進(jìn)器敞水性能以及船舶吊艙推進(jìn)器與船體間的作用力等性能進(jìn)行研究，由此進(jìn)行推進(jìn)器敞水性能、伴流系數(shù)以及推力減額等負(fù)載特性參數(shù)的預(yù)報(bào)。美國(guó)國(guó)家可再生實(shí)驗(yàn)室Steurer等為了模擬風(fēng)力發(fā)電螺旋槳負(fù)載而建立了風(fēng)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)應(yīng)用電機(jī)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，該平臺(tái)中的負(fù)載模擬系統(tǒng)為吊艙推進(jìn)電機(jī)負(fù)載研究提供了理論依據(jù)[13]。

在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工程大學(xué)、大連海事大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上海海事大學(xué)以及中遠(yuǎn)海集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心等科研單位都已建設(shè)了吊艙推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。其中，大連海事大學(xué)給出了關(guān)于推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的螺旋槳特性計(jì)算方法，滿足了船舶電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)全工況范圍的仿真需要[14]。哈爾濱工程大學(xué)建立了艦船電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)，其負(fù)載電機(jī)采用直流電機(jī)，通過(guò)控制電機(jī)的電樞電流來(lái)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)螺旋槳負(fù)載特性[15]。武漢理工大學(xué)為了逼真地模擬螺旋槳負(fù)載，采用Chebyshev多項(xiàng)式擬合Nordstrom系列試驗(yàn)圖譜，并可根據(jù)不同槳型靈活修正[16]。上海海事大學(xué)的半實(shí)物吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)利用交流異步電機(jī)、變頻器以及相應(yīng)負(fù)載控制系統(tǒng)，進(jìn)行吊艙推進(jìn)電機(jī)負(fù)載特性的研究[17]。中遠(yuǎn)集團(tuán)技術(shù)中心利用西門子最新驅(qū)動(dòng)技術(shù)建立了吊艙推進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了SSP推進(jìn)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真及控制算法的模擬實(shí)驗(yàn)[18]。另外，文獻(xiàn)[19]利用Matlab軟件對(duì)船槳數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究，分析分級(jí)啟動(dòng)時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)矩變化以及在倒車時(shí)最大負(fù)轉(zhuǎn)矩的情況，為推進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。文獻(xiàn)[20]以螺旋槳負(fù)載特性的半實(shí)物仿真平臺(tái)為研究對(duì)象，從螺旋槳的四象限模型出發(fā)，建立了船舶吊艙推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)模型和風(fēng)浪流干擾模型，對(duì)拖式吊艙推進(jìn)器負(fù)載進(jìn)行研究。

3 船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)控制策略應(yīng)用研究

3.1 先進(jìn)控制理論在吊艙推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

吊艙推進(jìn)器不僅需要性能良好的推進(jìn)電機(jī)，還需要能實(shí)現(xiàn)船舶在不同的運(yùn)行工況時(shí)能安全航行的推進(jìn)控制系統(tǒng)。為了解決這一問(wèn)題，需要研究吊艙推進(jìn)電機(jī)主要是永磁同步電機(jī)的先進(jìn)控制理論，目前永磁同步電機(jī)的基本控制方法主要有矢量控制（Vector Control，VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制這2種基本的永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)模型控制方法，提出了許多采用解耦后的線性控制和線性控制方法以提高系統(tǒng)的控制性能及魯棒性。李鵬等[31]根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算PI參數(shù)值和內(nèi)環(huán)補(bǔ)償量，提出了基于PI參數(shù)混合整定的矢量控制方法，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。Florent等[32]針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大等問(wèn)題，提出基于預(yù)測(cè)控制的空間電壓矢量調(diào)制方法，它根據(jù)轉(zhuǎn)矩的偏差值，通過(guò)矢量調(diào)制技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)定子電壓空間矢量值，有效抑制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)。周華偉等[33]針對(duì)電機(jī)的解耦模型，提出基于內(nèi)模的滑模電流解耦控制策略，解決了傳統(tǒng)PI矢量控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)解耦以及電壓前饋解耦策略對(duì)參數(shù)敏感等問(wèn)題。Lian和Linb[34]利用灰色預(yù)測(cè)模型的超前預(yù)測(cè)功能預(yù)測(cè)下一狀態(tài)磁鏈、轉(zhuǎn)矩和位置角，解決了永磁同步電機(jī)參數(shù)變化及滯后效應(yīng)的影響。李亮亮等[35]針對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制PI控制器，運(yùn)用ITAE最優(yōu)控制方法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定，提高了矢量控制的性能。Andon和Giuseppe等[36]在考慮電流控制不確定因素的情況下，提出自適應(yīng)滑模電流控制方法，實(shí)現(xiàn)了模型不確定情況下的電流控制。Angelo和Bossio等[37]研究了永磁同步電機(jī)的無(wú)源控制策略，實(shí)現(xiàn)了全局穩(wěn)定性控制，但對(duì)負(fù)載參數(shù)變化較敏感。Ortega等[38]針對(duì)無(wú)源控制提出了端口受控的耗散哈密頓方法，并將其應(yīng)用到永磁電機(jī)的控制中，具有魯棒性高等特點(diǎn)，但是計(jì)算量較大。王禮鵬等[39]基于永磁同步電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，將積分反步控制作為矢量控制的速度和電流控制器，實(shí)現(xiàn)速度和電流的無(wú)靜差跟蹤。

張春朋等[40]采用反饋線性化控制對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行完全解耦，較好地抑制參數(shù)變化和外部干擾的影響。李擎等[41]運(yùn)用逆系統(tǒng)控制將電機(jī)解耦成轉(zhuǎn)速與磁鏈2個(gè)線性子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的全局漸進(jìn)跟蹤。孫凱等[42]將韓京清先生提出的自抗擾控制應(yīng)用到永磁同步電機(jī)的矢量控制中，該方法提高了控制系統(tǒng)的魯棒性，抑制參數(shù)波動(dòng)及負(fù)載擾動(dòng)的影響。

值得指出的是，由于船舶吊艙推進(jìn)系統(tǒng)是一類典型的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，其某些參數(shù)未知、負(fù)荷及工況變動(dòng)不確定，很難建立吊艙推進(jìn)電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型，從而，以往需要已知受控系統(tǒng)階數(shù)、模型等先驗(yàn)知識(shí)的基于模型的控制方法受到了挑戰(zhàn)，如自適應(yīng)控制、反推控制、無(wú)源控制、內(nèi)?？刂啤㈩A(yù)測(cè)控制、灰色控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等先進(jìn)控制策略以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、支持向量機(jī)控制、專家控制、遺傳算法等智能控制方法。這些方法對(duì)模型的依賴性較強(qiáng)，且數(shù)學(xué)工具較抽象，控制算法較復(fù)雜，難以工程實(shí)現(xiàn)，因此它們?cè)谔幚斫Y(jié)構(gòu)時(shí)變、參數(shù)時(shí)變、階數(shù)時(shí)變的具有較強(qiáng)未建模動(dòng)態(tài)的吊艙推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的控制問(wèn)題時(shí)具有一定的局限性。

在實(shí)船應(yīng)用中，矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仍占主要地位，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好[43–44]。文獻(xiàn)[43]為使矢量控制系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，提出了采用基于模型的離線式整定與模糊PI在線整定相結(jié)合的混合整定法；文獻(xiàn)[44]提出了以電磁轉(zhuǎn)矩誤差和定子磁鏈誤差作為PI控制器輸入的矢量控制算法，并對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行研究。這些方法使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到了改善，但是在實(shí)船應(yīng)用中當(dāng)遭遇惡劣海況時(shí)，需要重新對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，且要使電流能很好地跟隨，需要較大的比例增益系數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致超調(diào)，另外由于吊艙推進(jìn)電機(jī)電流、逆變器驅(qū)動(dòng)電壓較大，當(dāng)速度變化較大時(shí)，將出現(xiàn)windup現(xiàn)象，這在實(shí)船應(yīng)用中具有一定局限性。

3.2 無(wú)模型自適應(yīng)控制在吊艙推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

對(duì)于復(fù)雜非線性系統(tǒng)控制問(wèn)題，侯忠生教授給出了一種新的非參數(shù)動(dòng)態(tài)線性化方法[45]，進(jìn)而提出了無(wú)模型自適應(yīng)控制理論（Model-free Adaptive Control，MFAC）[46–47]。無(wú)模型自適應(yīng)控制擺脫了對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的依賴及未建模動(dòng)態(tài)的影響，僅用系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)控制器，并且無(wú)模型自適應(yīng)控制的計(jì)算量很小，響應(yīng)速度快。目前，該方法已被應(yīng)用到船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中[48]，該方法無(wú)需建立推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，所需參數(shù)少、對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)能力強(qiáng)。其算法過(guò)程描述如下：

考慮如下控制輸入準(zhǔn)則函數(shù)

其中λ是一個(gè)正的權(quán)重因子。

由式（1）可得 J (iq(t))新的表達(dá)式如下：

其中，γt為步長(zhǎng)序列。

μ為權(quán)重因子。

其中，ηt為步長(zhǎng)序列。

其中ε為一個(gè)充分小的正數(shù)。

由此可以給出船舶吊艙推進(jìn)電機(jī)無(wú)模型自適應(yīng)矢量控制方案

經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，無(wú)模型自適應(yīng)控制算法已經(jīng)取得了許多理論成果，隨著MFAC理論的研究和發(fā)展，MFAC在不同領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前，無(wú)模型自適應(yīng)控制算法常與跟蹤微分器等其他數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相結(jié)合，以便提高其在線挖掘能力、“學(xué)習(xí)”系統(tǒng)的更多信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)吊艙推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)研究，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的關(guān)于吊艙推進(jìn)電機(jī)研究工作的整理、研究和分析，得出以下結(jié)論：

1）研發(fā)低成本、低噪聲以及高效緊湊的吊艙推進(jìn)電機(jī)是未來(lái)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。在高效緊湊方面，永磁同步電機(jī)成為無(wú)可爭(zhēng)議的首選，現(xiàn)有吊艙推進(jìn)系統(tǒng)大都采用該形式，但永磁體易失磁且安裝維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)，增加了船舶日后的維護(hù)保養(yǎng)成本，因此，高溫超導(dǎo)電機(jī)成為目前最有競(jìng)爭(zhēng)力以及技術(shù)含量最高的機(jī)型。

2）吊艙推進(jìn)電機(jī)負(fù)載特性主要表現(xiàn)為螺旋槳?jiǎng)恿W(xué)特性，與前期單純軟件擬合螺旋槳特性的仿真相比，采用軟件擬合與半實(shí)物仿真能夠更精確地對(duì)螺旋槳系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析，為推進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制提供參考依據(jù)。

3）為使推進(jìn)電機(jī)更好地適應(yīng)實(shí)船海況的變化，需要對(duì)推進(jìn)電機(jī)的控制算法進(jìn)行研究，先進(jìn)控制理論可以提高系統(tǒng)的控制精度，但是對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴性較強(qiáng)并且實(shí)現(xiàn)方法較復(fù)雜，不利于實(shí)船應(yīng)用?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制只依賴于系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，方法簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性，是以后的研究熱點(diǎn)。

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Development of the control strategy for ship podded propulsion motor

YAO Wen-long1, TU Zhi-ping2, CHI Rong-hu1, ZHANG Jun-dong3
(1. School of Automation and Electrical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China;2. Department of Marine Engineering, Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China;3. School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

With the increasing demand of marine energy efficiency and emission reduction, the ship podded propulsion system which has great advantages over the conventional ship electric propulsion has become the research focus currently over the shipbuilding industry. In this paper, the types and characteristics of ship podded propulsion motor are analyzed. The research status and developing trends of the ship podded propulsion motor structure, type, load characteristic and motor control on domestic and overseas is summarized. Especially, the control strategies of the propulsion motor are investigated and summarized. On the base of this, some outlook on the future development of ship podded propulsion motor are discussed,and the ship podded propulsion motor control system based on the MFAC was studied.

ship podded；propulsion motor；propeller load；motor control；vector control；direct torque control

TM359；U665.12

A

1672 – 7649(2017)10 – 0001 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.001

0 引 言

船舶吊艙推進(jìn)系統(tǒng)是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型船舶電力推進(jìn)裝置，受到了世界造船業(yè)的廣泛關(guān)注[1]。它主要由支架、吊艙和螺旋槳等部件構(gòu)成，其推進(jìn)電機(jī)被置于一個(gè)能360°回轉(zhuǎn)的吊艙內(nèi)，推進(jìn)電機(jī)兩端直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，轉(zhuǎn)子為螺旋槳的共同軸，由于采用了可靠性更高的電氣控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)冗余度得到極大提高，可實(shí)現(xiàn)船舶的快速啟動(dòng)及平穩(wěn)調(diào)速等優(yōu)良操縱性能。但是，由于船舶吊艙推進(jìn)系統(tǒng)沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得推進(jìn)電機(jī)對(duì)負(fù)載的變化和擾動(dòng)更加敏感，如推力紋波以及齒槽效應(yīng)等非線性因素對(duì)系統(tǒng)的跟蹤精度影響都很大[2]，在這種背景下，開(kāi)發(fā)一種低成本、魯棒性好，在風(fēng)浪條件下有利于充分發(fā)揮動(dòng)力裝置效能的推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。

相比于傳統(tǒng)軸系式推進(jìn)器的螺旋槳，船舶吊艙推進(jìn)器螺旋槳工作于穩(wěn)流場(chǎng)中，且省去了中間軸承等長(zhǎng)軸系，取消了螺旋槳支撐裝置及舵，提高了推進(jìn)效率，并具有布置方便、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)[3]。而且，船舶柴油機(jī)的故障不會(huì)導(dǎo)致船舶失去動(dòng)力，提高了船舶的安全性。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使吊艙推進(jìn)電機(jī)成為船舶節(jié)能減排領(lǐng)域的重要研究方向。

2016 – 03 – 29；

2017 – 04 – 21

青島科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(010022820)；中遠(yuǎn)集團(tuán)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014-1-H-005，2016-1-H-009，2017-1-H-010)；青島市市南區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012-5-004-ZH，2012-5-005-ZH)；山東省自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(Zr2017mee071)

姚文龍(1981 – )，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榇暗跖撏七M(jìn)電機(jī)控制。