CN105867171A - 船舶多桨推进模拟*** - Google Patents

船舶多桨推进模拟*** Download PDF

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刘胜
苏鹏
张兰勇
李冰
刘洪丹
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

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Abstract

本发明涉及船舶综合电力推进控制领域，特别涉及水面船舶多桨推进模拟***。本发明提出的船舶多桨推进模拟***包括：多个桨推进模拟装置、实时仿真器和上位机，多个桨推进模拟装置分别与实时仿真器连接，实时仿真器与上位机连接，通过各部分之间的数据交换实现船舶多桨模拟及螺旋桨四象限水动力特性的模拟。

Description

船舶多桨推进模拟***
技术领域
本发明涉及船舶综合电力推进控制领域，特别涉及水面船舶多桨推进模拟***。
背景技术
在船舶推进控制***中，船舶航速控制是最基本的。船舶航速控制主要是靠螺旋桨控制来实现，现有的桨推进模拟***采用单套模拟装置，不能实现多桨协调。
此外，无法实现螺旋桨四象限水动力特性的模拟，船舶模型仅考虑深水情况，未考虑近水面风浪对螺旋桨的干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶多桨推进模拟，能够实现船舶多桨模拟及螺旋桨四象限水动力特性的模拟。
本发明的一种船舶多桨推进模拟***，其特征在于，所述***包括：多个桨推进模拟装置、实时仿真器和上位机；所述多个桨推进模拟装置分别与所述实时仿真器连接，所述实时仿真器与所述上位机连接；
每个所述桨推进模拟装置包括：推进电机、推进电机控制电路、负载电机、负载电机控制电路、螺旋桨及转速扭矩传感器；
所述推进电机与所述负载电机通过转轴相连，所述螺旋桨固定在所述转轴上，所述转速扭矩传感器安装在所述转轴上；
所述实时仿真器设置多个模型，所述上位机通过IO接口与所述实行仿真器通信并输入所述多个模型；
所述实时仿真器根据所述上位机的指令实时输出所述指令给定的转速给各所述桨推进模拟装置的推进电机控制电路以控制推进电机的转速，以及输出所述指令给定的扭矩给各所述桨推进模拟装置的负载电机控制电路以控制负载电机的转速，并根据选定的模型控制所述负载电机模拟不同运行工况下的负载特性；
所述实时仿真器采集各所述桨推进模拟装置的转速扭矩传感器的反馈信号；
所述上位机实时更新显示所述实时仿真器采集的反馈信号。
进一步地，每个所述桨推进模拟装置还包括：整流器、第一逆变器和第二逆变器，所述整流器分别和第一逆变器、第二逆变器连接，所述第一逆变器与所述推进电机连接，所述第二逆变器与所述负载电机连接，所述第一逆变器和所述第二逆变器。
进一步地，每个所述桨推进模拟装置还包括：母线电压传感器、负载电机直流母线和推进电机直流母线，所述负载电机直流母线和所述推进电机直流母线之间连接所述母线电压传感器，还连接储能电容；
进一步地，所述母线电压传感器与所述储能电容并联，所述第一逆变器和所述第二逆变器均以四象限方式工作。
进一步地，每个所述桨推进模拟装置还包括滤波器，所述滤波器与所述整流器连接。
进一步地，所述实时仿真器采用模型分割的多速率计算方式。提升了计算机效率及精度，便于用户对复杂的控制算法进行验证。
进一步地，所述多个模型包括螺旋桨水动力学模型、船体动力学模型、船体运动学模型、海浪干扰模型。
进一步地，所述实时仿真器的接口形式为DB39。进一步地，所述实时仿真器采用时间戳技术进行多路信号同步采集。
进一步地，所述上位机与所述实行仿真器之间采用的通信方式支持以太网通信，485通信以及CAN总线通信，通讯速率能够现场调节。
进一步地，所述转速扭矩传感器包括采集螺旋桨旋转角速度的转速传感器和采集螺旋桨负载扭矩的扭矩传感器。
与现有技术相比，本发明具有模拟多桨推进***动力特性功能，在设计中考虑了近水面风浪对螺旋桨的影响，实现了螺旋桨四象限水动力特性的模拟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。此处的附图构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明提供的一种船舶多桨协调***的第一示意图；
图2为本发明提供的一种船舶多桨协调***的第二示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例中的附图1，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于已给出的实施例，本领域普通技术人员在未做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明的一种船舶多桨推进模拟***，由多个桨推进模拟装置、实时仿真器和上位机；多个桨推进模拟装置分别与所述实时仿真器连接，实时仿真器与所述上位机连接；
每个桨推进模拟装置包括：推进电机、推进电机控制电路、负载电机、负载电机控制电路、螺旋桨及转速扭矩传感器；
推进电机与负载电机卧式安装在底座上，通过转轴相连，螺旋桨固定在转轴上，转速扭矩传感器安装在转轴上，进线方式采用机侧进线，前部操作，前部维修。螺旋桨采用五桨叶螺旋桨，五桨叶螺旋桨为尼龙桨，亚克力防护外壳罩在螺旋桨上方，固定在底座上。亚克力防护外壳减少了螺旋桨来自外力的损伤并起到了防水作用。
实时仿真器设置多个模型，上位机通过IO接口与实行仿真器通信并输入多个模型。实时仿真器根据上位机的指令实时输出指令给定的转速给各所述桨推进模拟装置的推进电机控制电路以控制推进电机的转速，输出指令给定的扭矩给各桨推进模拟装置的负载电机控制电路以控制负载电机的转速，并根据选定的模型控制负载电机模拟不同运行工况下的负载特性。实时仿真器采集各多桨推进模拟装置的转速扭矩传感器的反馈信号。上位机实时更新显示所述实时仿真器采集的反馈信号。
每套桨推进模拟装置还包括：整流器、第一逆变器和第二逆变器，整流器分别和第一逆变器、第二逆变器连接，第一逆变器与推进电机连接，第二逆变器与负载电机连接。整流器将交流电整流成直流电供给推进电机驱动电路。每个桨推进模拟装置还包括：推进电机定子A、B两相电流传感器、负载电机A、B两相电流传感器、母线电压传感器、负载电机直流母线和推进电机直流母线，负载电机直流母线和推进电机直流母线之间连接母线电压传感器，还连接储能电容。***采用自耦变压器将市电220V交流电升压，经入整流器整流成直流电供给推进电机驱动电路。负载电机的直流母线与推进电机的直流母线并联,母线电压传感器与储能电容并联，第一逆变器和第二逆变器均以四象限方式工作。二者共用同一储能电容，实现能量的双向流通，实现两台电机的四象限运行，并节省消耗的电能量。船舶多桨协调推进***采用了可控整流技术实现了母线电压的稳定控制，减少了交流侧谐波干扰，便于***功率因数的控制。
每个桨推进模拟装置还包括滤波器，滤波器与整流器连接。实时仿真器采用模型分割的多速率计算方式。提升了计算效率及精度，便于用户对复杂的先进控制算法进行仿真验证，促进了智能算法在船舶多桨协调控制***中的应用。
多个模型包括螺旋桨水动力学模型、船体动力学模型、船体运动学模型、海浪干扰模型。船舶多桨协调***改进了原有的螺旋桨水动力学模型，除了正常工况下的稳态及动态特性外，还考虑了水面船舶运行时船体与螺旋桨之间相互作用、海浪海流干扰以及螺旋桨进出水引起的负载扭矩突加突卸的影响。根据实测螺旋桨水动力学特性数据，利用matlab软件建立了螺旋桨稳态、动态以及干扰条件下的负载扭矩特性仿真模型。
将建立好的模型按时间常数大小及物理意义进行分割，按其运行速率分成快***和慢***两部分，将整套***模型划分成两个子***模型，下装到实时仿真器中，为模型分割多速率仿真提供模型基础条件。
实时仿真器的接口形式为DB39。可通过模拟、数字信号I/O接口与多桨推进模拟***直接相连。实时仿真器采用时间戳技术进行多路信号同步采集。方面用户在线监测全***当前运行状态，提高了船舶多桨协调***的工作效率。多桨推进***控制信号由上位机通过实时仿真器对多桨推进***进行实时控制，并将多桨推进***采集回的信号在上位机监控界面上实时显示、更新。
物理仿真平台采用可控整流技术实现了母线电压的稳定控制，减少了交流侧谐波干扰，便于***功率因数的控制。
上位机与所述实行仿真器之间采用的通信方式支持以太网通信，485通信以及CAN总线通信，通讯速率能够现场调节。上位机完成***的模型计算及监控显示功能。
转速扭矩传感器包括采集螺旋桨旋转角速度的转速传感器和采集螺旋桨负载扭矩的扭矩传感器。
船舶多桨协调***驱动板与控制板采用光耦进行强电弱电隔离，桨推进***外壳采用多点主接地技术实现电磁干扰信号的屏蔽。
每套桨推进模拟***均支持推进转速闭环控制及负载转矩闭环控制，控制信号可由上位机给定。模拟***支持机旁手动操作，可完成推进电机加、减速以及负载电机加、抛载等功能。
船舶多桨协调***便于工程师针对多种船舶、不同桨型及不同种类推进器的进行模拟仿真验证。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种船舶多桨推进模拟***，其特征在于，所述***包括：多个桨推进模拟装置、实时仿真器和上位机；所述多个桨推进模拟装置分别与所述实时仿真器连接，所述实时仿真器与所述上位机连接；
每个所述桨推进模拟装置包括：推进电机、推进电机控制电路、负载电机、负载电机控制电路、螺旋桨及转速扭矩传感器；
所述推进电机与所述负载电机通过转轴相连，所述螺旋桨固定在所述转轴上，所述转速扭矩传感器安装在所述转轴上；
所述实时仿真器设置多个模型，所述上位机通过IO接口与所述实行仿真器通信并输入所述多个模型；
所述实时仿真器根据所述上位机的指令实时输出所述指令给定的转速给各所述桨推进模拟装置的推进电机控制电路以控制推进电机的转速，以及输出所述指令给定的扭矩给各所述桨推进模拟装置的负载电机控制电路以控制负载电机的转速，并根据选定的模型控制所述负载电机模拟不同运行工况下的负载特性；
所述实时仿真器采集各所述桨推进模拟装置的转速扭矩传感器的反馈信号；
所述上位机实时更新显示所述实时仿真器采集的反馈信号。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，每个所述桨推进模拟装置还包括：整流器、第一逆变器和第二逆变器，所述整流器分别和第一逆变器、第二逆变器连接，所述第一逆变器与所述推进电机连接，所述第二逆变器与所述负载电机连接，所述第一逆变器和所述第二逆变器。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，每个所述桨推进模拟装置还包括：母线电压传感器、负载电机直流母线和推进电机直流母线，所述负载电机直流母线和所述推进电机直流母线之间连接所述母线电压传感器，还连接储能电容；
所述母线电压传感器与所述储能电容并联，所述第一逆变器和所述第二逆变器均以四象限方式工作。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，每个所述桨推进模拟装置还包括滤波器，所述滤波器与所述整流器连接。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述实时仿真器采用模型分割的多速率计算方式。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述多个模型包括螺旋桨水动力学模型、船体动力学模型、船体运动学模型、海浪干扰模型。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述实时仿真器的接口形式为DB39。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述实时仿真器采用时间戳技术进行多路信号同步采集。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述上位机与所述实行仿真器之间采用的通信方式支持以太网通信，485通信以及CAN总线通信，通讯速率能够现场调节。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述转速扭矩传感器包括采集螺旋桨旋转角速度的转速传感器和采集螺旋桨负载扭矩的扭矩传感器。
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