陸錫江，安麗，李詠桐

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610； 2.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣州 510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610）

引言

21世紀(jì)以來，隨著我國船舶工業(yè)的發(fā)展，在船舶行業(yè)也取得很多的成果，并且我國船舶產(chǎn)量位居前列。但是由于船舶智能化，自動(dòng)化方面的研究起步比較晚，一些關(guān)鍵的技術(shù)還沒有掌握。歐美一些西方國家很早開始研究船舶技術(shù)，在電站監(jiān)控系統(tǒng)等方面取得了許多成果，像西門子的未來者電站管理系統(tǒng)，STL的ISC系統(tǒng)等等，這些年隨著我國的科研工作者不斷研究，一些關(guān)鍵的技術(shù)取得了突破，也獲得了很多的成果，但是在船舶電站自動(dòng)化控制方面，我國還是有所欠缺，一些核心的設(shè)備仍需要從國外進(jìn)口，所以我們?nèi)匀恍枰罅Πl(fā)展船舶電站控制相關(guān)技術(shù)，加強(qiáng)我國船舶核心技術(shù)研究，以此來增強(qiáng)我國海上國防實(shí)力，所以對(duì)艦船電站控制系統(tǒng)方面的研究是十分必要的。

本文通過研究船舶電站控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在國產(chǎn)化多領(lǐng)域統(tǒng)一建模Modelica/Mworks仿真驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行船舶電站控制系統(tǒng)的仿真建模，相對(duì)于Matlab仿真平臺(tái)，Mworks.Sysplorer更適合于工程應(yīng)用，它具備多工程領(lǐng)域的系統(tǒng)和仿真能力，廣泛應(yīng)用于航天、船舶車輛等行業(yè)，本文的艦船電站控制模型就是基于Mworks.Sysplorer平臺(tái)進(jìn)行建模和仿真，以此驗(yàn)證船舶電站控制系統(tǒng)的一系列功能。

1 Mworks仿真驗(yàn)證平臺(tái)

1.1 Mworks.Sysplorer 簡介

MWorks.Sysplorer是面向多領(lǐng)域工業(yè)產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)綜合設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)?；趪H多領(lǐng)域統(tǒng)一建模規(guī)范Modelica，提供了可視化建模、仿真建模、仿真計(jì)算到結(jié)果分析的完整功能，Sysplorer支持工業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)的模型化表達(dá)和模塊化封裝，支持基于物理拓?fù)涞目焖傧到y(tǒng)模型集成與設(shè)計(jì)驗(yàn)證，支持多方案優(yōu)選及設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，以知識(shí)可重用、系統(tǒng)可重構(gòu)方式，為工業(yè)企業(yè)的設(shè)計(jì)知識(shí)積累與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)支撐，對(duì)及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案、全面優(yōu)化產(chǎn)品性能等具有重要價(jià)值。Mworks.Sysplorer仿真平臺(tái)示意圖如圖1。

圖1 Mworks.Sysplorer仿真平臺(tái)示意圖

1.2 Mworks.Sysplorer主要功能及特點(diǎn)

1.2.1 多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與一致表達(dá)

基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言Modelica，MWorks.Sysplorer支持組合不同領(lǐng)域的工程構(gòu)件形成多領(lǐng)域仿真模型，通過基于方程的建模支持模型復(fù)用，更加貼近系統(tǒng)工程實(shí)際，從而實(shí)現(xiàn)：

1）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：統(tǒng)一的模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，支持無縫的模型集成；

2）統(tǒng)一模型：統(tǒng)一的全系統(tǒng)模型，為多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同奠定了基礎(chǔ)；

3）統(tǒng)一平臺(tái)：支持系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)與部件級(jí)多層次統(tǒng)一設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

避免采用傳統(tǒng)的基于接口的單專業(yè)軟件聯(lián)合仿真模式帶來的弊端：

1）軟件種類繁多，需要對(duì)應(yīng)軟件提供相關(guān)接口，不便于應(yīng)用；

2）分散于各軟件平臺(tái)中的異構(gòu)模型難以體系化管理；

3）對(duì)復(fù)雜的多領(lǐng)域耦合系統(tǒng)求解效率

1.2.2 完備的結(jié)果后處理分析

MWorks.Sysplorer提供完備的結(jié)果處理分析工具，主要包括：曲線顯示與運(yùn)算、三維幾何動(dòng)畫、數(shù)字化動(dòng)態(tài)儀表、結(jié)果報(bào)表生成、參數(shù)分析工具、參數(shù)標(biāo)定與分析、多學(xué)科優(yōu)化。

1.2.3 便捷的可視化建模環(huán)境

MWorks.Sysplorer提供多文檔多視圖的建模環(huán)境，能夠方便地快捷進(jìn)行可視化建模，其主要功能包括：代碼助手、自動(dòng)查錯(cuò)與規(guī)范性檢查；靈活的插件機(jī)制，方便系統(tǒng)擴(kuò)展；物理單位的自動(dòng)推導(dǎo)與檢查；不同粒度的模型加密保護(hù)；交互式查看與監(jiān)視變量選擇；參數(shù)、數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出；優(yōu)越的模型編譯與求解性能；完善的用戶管理功能。

1.3 Modlica概述

隨著工業(yè)產(chǎn)品的自動(dòng)化與智能化發(fā)展，多領(lǐng)域耦合已成為當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)品的一個(gè)顯著特點(diǎn)，多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同與模型集成已成為工業(yè)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必需技術(shù)。

Modelica是在此背景下推出的一種多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言。Modelica語言繼承了先前多種領(lǐng)域建模語言的優(yōu)點(diǎn)，融合了Java語言的面向?qū)ο髾C(jī)制與Matlab的數(shù)組表達(dá)機(jī)制，是一種面向設(shè)計(jì)工程師的業(yè)務(wù)描述語言，能夠有力地支撐基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用。

1.3.1 面向?qū)ο蠼?/p>

Modlica制以類為中心組織和封裝數(shù)據(jù)，強(qiáng)調(diào)陳述式描述和模型的重用，通過面向?qū)ο蟮姆椒ǘx組件與接口，并支持采用分層機(jī)制、組件連接機(jī)制和繼承機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了模型基于模塊化、層次化的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用，可以使使得開發(fā)的模型具有擴(kuò)展性，便于用戶的使用、修改和完善。

1.3.2 多領(lǐng)域統(tǒng)一建模

Modlica可基于能量守恒的原理，可以讓不同專業(yè)所組成的大型系統(tǒng)模型在同一軟件工具下進(jìn)行構(gòu)建和分析，避免不同分系統(tǒng)、不同專業(yè)之間不同類型模型的復(fù)雜解耦，有效的克服了基于接口的多領(lǐng)域技術(shù)所引起的解耦困難、操作復(fù)雜的問題，進(jìn)而改善模型的求解性和準(zhǔn)確性，如圖2所示。

圖2 DC電機(jī)伺服系統(tǒng)

1.3.3 工程應(yīng)用

基于Modelica對(duì)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模的支持，借助系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)MWorks.Sysplorer可應(yīng)用于許多領(lǐng)域。

1）飛機(jī)系統(tǒng)仿真分析（航空領(lǐng)域應(yīng)用Modlica建模仿真）：

圍繞飛機(jī)早期論證與方案設(shè)計(jì)，采用Sysplorer平臺(tái)建立飛機(jī)級(jí)系統(tǒng)模型：主要對(duì)飛機(jī)的航電系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、和起落架系統(tǒng)建立仿真模型。

2）三相異步電動(dòng)機(jī)仿真分析（機(jī)電行業(yè)應(yīng)用Modlica建模仿真）

由于磁材料飽和、磁滯、渦流和導(dǎo)電材料趨膚效應(yīng)等影響，三相異步電機(jī)在起動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)特性很復(fù)雜。采用Sysplorer電磁計(jì)算模型庫，在現(xiàn)有電機(jī)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮鐵磁材料飽和、磁滯、渦流影響和導(dǎo)電材料趨膚效應(yīng)，以及溫度影響，擴(kuò)展系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自頂向下的設(shè)計(jì)，以便實(shí)時(shí)觀測到電機(jī)起動(dòng)到平穩(wěn)運(yùn)行過程中的相電流、相電壓、電磁轉(zhuǎn)矩等特性參數(shù)，并且可以計(jì)算出電機(jī)的功率因數(shù)、效率等參數(shù)，為產(chǎn)品的性能分析和方案改進(jìn)提供可靠依據(jù)。

2 基于Mworks的船舶電站控制系統(tǒng)建模及仿真

本文以研究船舶電站控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過在多領(lǐng)域多專業(yè)物理統(tǒng)一建模與仿真軟件平臺(tái)Mworks上搭建同步發(fā)電機(jī)的空載啟動(dòng)仿真模型、同步發(fā)電機(jī)的突加負(fù)載仿真模型、同步發(fā)電機(jī)的突加突卸異步電動(dòng)機(jī)仿真模型和同步發(fā)電機(jī)雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行仿真模型，用來驗(yàn)證船舶電站控制系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理和功能。

2.1 同步發(fā)電機(jī)組空載啟動(dòng)仿真

同步發(fā)電機(jī)組的空載起動(dòng)實(shí)驗(yàn)是研究發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)性能的主要方式，空載啟動(dòng)意義非常大，它能檢測空載下同步發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，測試同步電機(jī)組的是否正常，在船舶電站控制系統(tǒng)中空載啟動(dòng)試驗(yàn)是非常重要的試驗(yàn)，其仿真模型如圖3所示。

圖3 同步發(fā)電機(jī)組空載起動(dòng)仿真模型

該仿真模型模擬了同步發(fā)電機(jī)組空載啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)行工況，設(shè)置好負(fù)載空載啟動(dòng)參數(shù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)組空載啟動(dòng)時(shí)，其仿真結(jié)果參數(shù)如圖4所示，可以看出同步發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁電壓在剛起動(dòng)時(shí)非常大，隨著發(fā)電機(jī)輸出端的電壓形成，勵(lì)磁電壓在不斷減小并且很快達(dá)到額定值。發(fā)電機(jī)組輸出端A相電壓維持在450 V左右，A相電流基本為零。

圖4 空載時(shí)同步發(fā)電機(jī)組輸出端工況

2.2 同步發(fā)電機(jī)組突加突卸負(fù)載

通過在不同時(shí)刻加入負(fù)載和卸掉負(fù)載，來觀察同步發(fā)電機(jī)組仿真過程時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)，以此來驗(yàn)證艦船電站自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真效果。在MWORK里搭建的單臺(tái)發(fā)電機(jī)組突加突卸負(fù)載模型如圖5。

圖5 單臺(tái)發(fā)電機(jī)組突加突卸負(fù)載仿真模型

圖6 單機(jī)組突加突卸負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)組A相電流

該仿真模型模擬了船舶電站控制系統(tǒng)中單臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組突加和突卸負(fù)載時(shí)的運(yùn)行工況，該模型所帶負(fù)載均為電阻性負(fù)載，設(shè)置好同步發(fā)電機(jī)組突加和突卸負(fù)載時(shí)相應(yīng)的參數(shù)，其仿真結(jié)果參數(shù)如下圖所示，從下圖可以看出在加入負(fù)載的5 s、10 s和15 s時(shí)，同步發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁電壓，發(fā)電機(jī)組角速度、勵(lì)磁電壓和發(fā)電機(jī)組的A相電壓波動(dòng)都很小，波動(dòng)幅度很穩(wěn)定，在20 s時(shí)，負(fù)載從電網(wǎng)中脫離出來，可以看到發(fā)電機(jī)的A相電流變?yōu)榱?，角速度在?fù)載脫離瞬間快速上升，一段時(shí)間后恢復(fù)穩(wěn)定。通過觀察和分析該仿真模型的仿真結(jié)果，我們對(duì)船舶電站控制系統(tǒng)控制同步發(fā)電機(jī)組突加突卸負(fù)載時(shí)的運(yùn)行機(jī)理有了更深入的理解。

2.3 同步發(fā)電機(jī)組突加突卸異步電機(jī)

在艦船電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中，我們知道異步電動(dòng)機(jī)是艦船電站重要的負(fù)載，影響著電站的穩(wěn)定運(yùn)行，異步電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行和帶電感性負(fù)載時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行。單個(gè)發(fā)電機(jī)組投切異步電動(dòng)機(jī)模型如圖7所示。

圖7 單機(jī)組投切異步電動(dòng)機(jī)仿真模型

該仿真模型模擬了單臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組投切異步電動(dòng)機(jī)，設(shè)置好感性負(fù)載參數(shù)，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)組投切異步電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)發(fā)生了變化，當(dāng)投入異步電機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，異步電機(jī)脫離電網(wǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)速開始上升，在勵(lì)磁調(diào)壓系統(tǒng)的作用下，我們可以看到很快的恢復(fù)了穩(wěn)定。其仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 帶電感性負(fù)載投切異步電機(jī)時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

2.4 同步發(fā)電機(jī)組雙機(jī)并聯(lián)仿真

雙機(jī)并聯(lián)仿真實(shí)驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)組1為在網(wǎng)機(jī)組，發(fā)電機(jī)組2為代并機(jī)組，兩同步發(fā)電機(jī)組參數(shù)基本相同，在仿真模型中，發(fā)電機(jī)組2并入電網(wǎng)開關(guān)由并車模塊決定是否合閘，發(fā)電機(jī)組帶的兩個(gè)負(fù)載均為電阻性負(fù)載。雙機(jī)并車仿真模型如圖9所示。

圖9 發(fā)電機(jī)組并車仿真模型

該仿真模型模擬了同步發(fā)電機(jī)組并車仿真運(yùn)行工況，設(shè)置好并車仿真參數(shù)，在系統(tǒng)仿真過程中，設(shè)置發(fā)電機(jī)組1空載運(yùn)行，第5 s時(shí)，電阻性負(fù)載1接入電網(wǎng)運(yùn)行，在第10 s的時(shí)候機(jī)組控制器發(fā)出指令，同時(shí)并車模塊開始檢測，相位、電壓、頻率都滿足條件時(shí)，開始并車，使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。在15 s時(shí)，接入電阻性負(fù)載2，觀察兩機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，其仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 同步發(fā)電機(jī)組的有功功率

從仿真結(jié)果分析得出，在10 s時(shí)開始并車，發(fā)電機(jī)組1的有功功率在下降，發(fā)電機(jī)組2開始并入電網(wǎng)，輸出的有功功率在增加，并車結(jié)束后實(shí)現(xiàn)了有功率的均分。

3 結(jié)論

本文針對(duì)船舶電站控制系統(tǒng)，基于面向?qū)ο蟮膶?duì)領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言Modelica和國產(chǎn)MWORKS仿真平臺(tái)，構(gòu)建船舶電站控制系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理仿真模型，完成了對(duì)船舶電站控制運(yùn)行機(jī)理的仿真研究，得出主要結(jié)論如下：

1）采用Mworks平臺(tái)，可以有效的搭建船舶電站控制系統(tǒng)的仿真模型，基于方程的建模，更加貼近工程實(shí)用，有效的實(shí)現(xiàn)了船舶電站控制的運(yùn)行機(jī)理。

2）通過仿真模型結(jié)果分析，準(zhǔn)確的了解到船舶電站控制系統(tǒng)各工況下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和規(guī)率，可以作為理論分析和驗(yàn)證的依據(jù)，在船舶電站控制系統(tǒng)仿真研究中取得了良好的結(jié)果。