電力推進(jìn)船舶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正研究

吳 佩 龐 路

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司 廣州 510727；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

引 言

采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的游船具有舒適性高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，這對(duì)船舶控制系統(tǒng)有著更高的要求。尤其在電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)過程中，過高的電機(jī)轉(zhuǎn)矩及過高的螺旋槳轉(zhuǎn)速均會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成極為不利的影響，甚或是不可逆的損害。如何實(shí)現(xiàn)平滑、低振蕩的控制要求，在電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)過程中顯得尤為重要。此時(shí)可考慮采用調(diào)整前向通道增益來達(dá)到某些要求，如最大允許超調(diào)量、最大允許穩(wěn)態(tài)誤差等。但是，單個(gè)增益值通常不能同時(shí)滿足系統(tǒng)多個(gè)性能指標(biāo)的要求。較為常見的一種改善措施為相位超前校正，即在前向通道串聯(lián)一個(gè)校正環(huán)節(jié)以滿足性能指標(biāo)要求。

本文根據(jù)相位超前校正原理，對(duì)某游船電力推進(jìn)系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)過程進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)串聯(lián)有源超前校正裝置來滿足控制系統(tǒng)性能要求。

1 系統(tǒng)原理

1.1 串聯(lián)有源超前校正裝置

超前校正設(shè)計(jì)中，有源校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中參數(shù)設(shè)計(jì)受到的約束較小，而且校正網(wǎng)絡(luò)增益可以大于1，可補(bǔ)償原系統(tǒng)直流增益的不足［2］，故本次研究采用有源校正網(wǎng)絡(luò)。

1.2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)

典型游船電力推進(jìn)系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)過程采用電機(jī)轉(zhuǎn)矩及螺旋槳轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，可表示為圖1所示的框圖。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

控制系統(tǒng)中，可通過修改電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升和下降時(shí)間來決定啟動(dòng)時(shí)間的長短。在啟動(dòng)過程中，如果時(shí)間過短，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩過載；若時(shí)間過長，又無法滿足性能要求。所以，通常需要對(duì)控制環(huán)節(jié)中的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以滿足設(shè)計(jì)需要。然而實(shí)際調(diào)試過程中，由于某些原因，PI參數(shù)調(diào)節(jié)過程會(huì)非常繁瑣。此時(shí)，可在初步調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，配合使用系統(tǒng)超前校正的方法，使系統(tǒng)滿足控制性能要求，縮短調(diào)試周期，提高控制精度。

2 實(shí)例分析

現(xiàn)針對(duì)某型電力推進(jìn)船舶中電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)過程的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

該船為電力推進(jìn)的雙體游覽客船，設(shè)計(jì)航速10 kn。主推進(jìn)電機(jī)是2套鼠籠式感應(yīng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用變頻驅(qū)動(dòng)，額定電壓為380 V/50 Hz，額定功率為200 kW，額定轉(zhuǎn)速1 485 r/min。螺旋槳為2只MAU型4葉定距槳，額定轉(zhuǎn)速為420 r/min，螺旋槳慣性矩為12.37 kg·m2。

利用matlab軟件構(gòu)建電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)控制系統(tǒng)仿真框圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

實(shí)際設(shè)備中，主推電機(jī)的額定功率為200 kW，并考慮110%的過載，轉(zhuǎn)矩限制為1 415 N·m，換算到螺旋槳端的轉(zhuǎn)矩限制為5 000 N·m。為使系統(tǒng)具備良好的啟動(dòng)性能，則要求在盡量短的啟動(dòng)時(shí)間情況下，不會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩過載。

根據(jù)船舶的航速設(shè)定，經(jīng)過初步的PI參數(shù)調(diào)節(jié)，按照固定上升斜率調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，仿真可得啟動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩和螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化趨勢，如圖3、圖4所示。

圖3 啟動(dòng)過程電機(jī)轉(zhuǎn)矩

由圖3可見，在電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩超出了限制值。同時(shí)由圖4可以看出，螺旋槳轉(zhuǎn)速具有較大的超調(diào)量，存在電機(jī)轉(zhuǎn)速超速的情況。

根據(jù)仿真結(jié)果可以判定，初步的PI參數(shù)調(diào)節(jié)無法滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。然而，PI參數(shù)的調(diào)節(jié)并無直接的計(jì)算公式可以參考，只能根據(jù)仿真結(jié)果的變化趨勢逐步進(jìn)行試湊，進(jìn)而獲得較理想的控制性能。不可避免的是這個(gè)過程會(huì)比較繁瑣，同時(shí)需要較豐富的工程經(jīng)驗(yàn)才能較為迅捷地選定合適的PI參數(shù)，給實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來諸多不便。

圖4 啟動(dòng)過程螺旋槳轉(zhuǎn)速

為滿足控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩幅值低于5 000 N·m，且盡可能縮短螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，考慮在PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)前串入超前校正網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)［3-4］中提出的方法，計(jì)算的校正傳遞函數(shù)為：

校正裝置的參數(shù)：α=0.736，β=0.113 2。

利用Matlab軟件構(gòu)建其系統(tǒng)仿真框圖如圖5所示。

圖5 校正后電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

仿真結(jié)果見下頁圖6、圖7。

對(duì)比圖3與圖6，可以看出，串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)后，可有效限制電機(jī)轉(zhuǎn)矩幅值，滿足控制系統(tǒng)要求。同時(shí)，對(duì)比圖4與圖7可以看出，電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)過程中，螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間有略微增加，但依然可滿足常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求。

圖6 校正后啟動(dòng)過程電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖7 校正后啟動(dòng)過程螺旋槳轉(zhuǎn)速

3 結(jié) 論

本文根據(jù)相位超前校正原理，設(shè)計(jì)有源超前校正裝置串聯(lián)船舶推進(jìn)異步電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)過程控制系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)性能要求。仿真結(jié)果可證實(shí)，添加所設(shè)計(jì)的校正網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩幅值得到有效限制，螺旋槳轉(zhuǎn)速變化更為平滑，確實(shí)有助于改善系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 丁偉玲，孫立軍. 基于MATLAB的相位超前校正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］. 農(nóng)業(yè)科技與裝備. 2015（7）：40-42.

［2］ Driels M.線性控制系統(tǒng)工程［M］. 金愛娟，李少龍，李航天，譯. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 梁麗娟. 利用MATLAB基于頻率法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)串聯(lián)校正［J］. 中國科技信息，2013（1）：135-137.

［4］ 張文，陳建萍，袁新娣，等. 應(yīng)用MATLAB實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的頻域法校正［J］. 廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（3）：12-14.