羅成漢

(1.集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0　引言

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

本文采用dSPACE實時仿真器，設計了基于硬件在環(huán)的螺旋槳負載模擬系統(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，為推進電機的控制策略研究和性能測試提供試驗平臺。

1　負載模擬方法

負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)和實際目標系統(tǒng)的轉動慣量，根據(jù)船槳模型計算出當前船速和螺旋槳轉速下的螺旋槳負載轉矩，將其作為模擬系統(tǒng)中負載電機的轉矩給定值。根據(jù)機組的運動方程可知[6]，在相同的轉矩變化下，機組的動態(tài)過程取決于系統(tǒng)總的轉動慣量，由于模擬系統(tǒng)和實際目標系統(tǒng)的轉動慣量不同，采用靜態(tài)模擬會造成模擬系統(tǒng)的動態(tài)過程與實際目標系統(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，需加慣性轉矩補償裝置進行動態(tài)模擬，有兩種常用方法：一是加慣性飛輪進行慣性轉矩補償，該方法降低了負載模擬系統(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)加速度的變化計算出附加的慣性轉矩，作為負載電機的慣性轉矩給定值，通過控制負載電機的電磁轉矩補償部分轉動慣量，實現(xiàn)動態(tài)模擬的目的[6]。

利用dSPACE實時仿真控制器，建立基于硬件在環(huán)的模擬系統(tǒng)，dSPACE控制器實時采集推進電機的轉速信號，將它送到船槳模型中，經(jīng)船槳模型計算出螺旋槳負載轉矩，并作為負載電機的轉矩給定信號，直接控制負載電機的轉矩，用于模擬螺旋槳負載。

2　硬件系統(tǒng)構成

2.1　控制系統(tǒng)結構

控制系統(tǒng)由變頻器、上位監(jiān)控計算機和dSPACE實時仿真控制器組成，控制系統(tǒng)如圖1所示。

dSPACE實時仿真系統(tǒng)具有高速計算能力的硬件系統(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)結構

螺旋槳負載模擬系統(tǒng)采用驅動電機-負載電機結構形式，如圖2[7]所示。采用機械負載電動模擬技術，推進電機采用轉速閉環(huán)控制方式，負載電動機采用轉矩開環(huán)控制方式，通過對負載電機的轉矩控制，實現(xiàn)對推進電機加載的目的，為推進電機提供逼真的負載轉矩。

3　四象限船槳數(shù)學模型

由船舶推進原理可知船舶航行時，船速和槳速任何一個發(fā)生變化都會引起進速比J的變化，進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載特性時,必須將船和槳作為一個整體考慮[8-9]。

螺旋槳的推力系數(shù)Kp和扭矩系數(shù)KM是進速比J的函數(shù)，自變量J的定義域為(- ∞，∞)，當螺旋槳轉速趨于零時,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分別為船舶的質量和附加質量(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)學模型。

4　實時仿真測試

在simulink中搭建了四象限船槳模型，利用dSPACE的RTI和Matlab的RTW工具將船槳模型轉化為實時系統(tǒng)中的C代碼，利用ControlDesk 進行監(jiān)控界面設計[12]。ControlDesk提供虛擬儀表和圖形化控件觀測變量，方便實現(xiàn)對船槳模型運行過程中的參數(shù)在線監(jiān)控和調整。

為了驗證該設計方法的可行性，進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，總的運行時間設為500 s，通過ControlDesk開發(fā)的實時監(jiān)控軟件得到螺旋槳轉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　結論

本文介紹了基于硬件在環(huán)的螺旋槳負載模擬系統(tǒng)設計方法，推進電機采用轉速控制、負載電機采用轉矩控制的方式能夠動態(tài)模擬螺旋槳負載特性，為船舶電力推進系統(tǒng)的測試提供實驗平臺，方便進行不同工況下的負載測試實驗，模型參數(shù)設置方便，靈活性強，實驗表明該方法是有效的。