羅成漢

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0　引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)具有操縱性好、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，被視為極具潛力的船舶推進(jìn)方式，受到各方面的重視[1]。為了在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行船舶電力推進(jìn)的研究，迫切需要解決船舶電力推進(jìn)平臺帶載測試的問題，螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵所在。文獻(xiàn)[2]采用直流電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，對直流電機(jī)控制策略進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[3-4]對負(fù)載模擬原理進(jìn)行了詳細(xì)地分析，由于沒有采用實(shí)時(shí)仿真控制器作為開發(fā)工具，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行底層硬件開發(fā)，系統(tǒng)的靈活性和實(shí)時(shí)性有待提高。

本文采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真器，設(shè)計(jì)了基于硬件在環(huán)的螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、船槳模型系統(tǒng)及其監(jiān)控系統(tǒng)組成，為推進(jìn)電機(jī)的控制策略研究和性能測試提供試驗(yàn)平臺。

1　負(fù)載模擬方法

負(fù)載模擬方法分為靜態(tài)模擬和動態(tài)模擬兩種[5]，靜態(tài)模擬不考慮模擬系統(tǒng)和實(shí)際目標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)船槳模型計(jì)算出當(dāng)前船速和螺旋槳轉(zhuǎn)速下的螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩，將其作為模擬系統(tǒng)中負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值。根據(jù)機(jī)組的運(yùn)動方程可知[6]，在相同的轉(zhuǎn)矩變化下，機(jī)組的動態(tài)過程取決于系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量，由于模擬系統(tǒng)和實(shí)際目標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量不同，采用靜態(tài)模擬會造成模擬系統(tǒng)的動態(tài)過程與實(shí)際目標(biāo)系統(tǒng)的動態(tài)過程存在較大差異。為了克服靜態(tài)模擬存在的誤差，需加慣性轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償裝置進(jìn)行動態(tài)模擬，有兩種常用方法：一是加慣性飛輪進(jìn)行慣性轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，該方法降低了負(fù)載模擬系統(tǒng)的靈活性；二是采用慣性電模擬方法，在動態(tài)過程中根據(jù)加速度的變化計(jì)算出附加的慣性轉(zhuǎn)矩，作為負(fù)載電機(jī)的慣性轉(zhuǎn)矩給定值，通過控制負(fù)載電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償部分轉(zhuǎn)動慣量，實(shí)現(xiàn)動態(tài)模擬的目的[6]。

利用dSPACE實(shí)時(shí)仿真控制器，建立基于硬件在環(huán)的模擬系統(tǒng)，dSPACE控制器實(shí)時(shí)采集推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，將它送到船槳模型中，經(jīng)船槳模型計(jì)算出螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并作為負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定信號，直接控制負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，用于模擬螺旋槳負(fù)載。

2　硬件系統(tǒng)構(gòu)成

2.1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)由變頻器、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)和dSPACE實(shí)時(shí)仿真控制器組成，控制系統(tǒng)如圖1所示。

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)具有高速計(jì)算能力的硬件系統(tǒng)和方便易用的代碼自動生成的軟件環(huán)境，為螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)的研發(fā)提供了便利的硬件在環(huán)開發(fā)環(huán)境。

2.2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)采用驅(qū)動電機(jī)-負(fù)載電機(jī)結(jié)構(gòu)形式，如圖2[7]所示。采用機(jī)械負(fù)載電動模擬技術(shù)，推進(jìn)電機(jī)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式，負(fù)載電動機(jī)采用轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制方式，通過對負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)電機(jī)加載的目的，為推進(jìn)電機(jī)提供逼真的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

3　四象限船槳數(shù)學(xué)模型

由船舶推進(jìn)原理可知船舶航行時(shí)，船速和槳速任何一個(gè)發(fā)生變化都會引起進(jìn)速比J的變化，進(jìn)速比的變化將引起螺旋槳扭矩和推力的變化，因此在研究螺旋槳負(fù)載特性時(shí),必須將船和槳作為一個(gè)整體考慮[8-9]。

螺旋槳的推力系數(shù)Kp和扭矩系數(shù)KM是進(jìn)速比J的函數(shù)，自變量J的定義域?yàn)?- ∞，∞)，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速趨于零時(shí),J會出現(xiàn)趨于無窮大的情況，為了便于更好地研究，有界形式的螺旋槳特性參數(shù)被定義[10-11]如下：

(1)

(2)

(3)

有界形式的螺旋槳特性參數(shù)表示的船槳模型：

(m+Δm)dvs/dt=Pe-R；

(4)

(5)

(6)

vp=(1-ω)vs。

(7)

式中：m，Δm分別為船舶的質(zhì)量和附加質(zhì)量(kg)；vs為船舶相對于水的速度(m/s)；Pe為螺旋槳的有效推力(N)；R為船舶總阻力(N)；t為推力減額；ω為伴流系數(shù)。

式(1)—式(7)為船槳四象限的數(shù)學(xué)模型。

4　實(shí)時(shí)仿真測試

在simulink中搭建了四象限船槳模型，利用dSPACE的RTI和Matlab的RTW工具將船槳模型轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的C代碼，利用ControlDesk 進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)[12]。ControlDesk提供虛擬儀表和圖形化控件觀測變量，方便實(shí)現(xiàn)對船槳模型運(yùn)行過程中的參數(shù)在線監(jiān)控和調(diào)整。

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可行性，進(jìn)行船舶分級啟動性能測試。第一級啟動在0～40 s，而在120～150 s開始第二級啟動，總的運(yùn)行時(shí)間設(shè)為500 s，通過ControlDesk開發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件得到螺旋槳轉(zhuǎn)矩曲線和螺旋槳推力曲線，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，仿真曲線與螺旋槳理論特性曲線一致[11]。

5　結(jié)論

本文介紹了基于硬件在環(huán)的螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，推進(jìn)電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制、負(fù)載電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制的方式能夠動態(tài)模擬螺旋槳負(fù)載特性，為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的測試提供實(shí)驗(yàn)平臺，方便進(jìn)行不同工況下的負(fù)載測試實(shí)驗(yàn)，模型參數(shù)設(shè)置方便，靈活性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)表明該方法是有效的。