基于RT-LAB的模擬螺旋槳負載控制系統實時仿真

曾宏宇，黎 波，龍 飛

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基于RT-LAB的模擬螺旋槳負載控制系統實時仿真

曾宏宇，黎 波，龍 飛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

綜合考慮螺旋槳與船體的相互作用，以RT-LAB軟件為基礎建立了螺旋槳負載控制系統模型，并運用simulink代碼生成技術實現實時代碼的自動生成。文章根據某型實船數據，借助OP5600實時仿真機進行仿真試驗，結果與實際螺旋槳特性基本一致，驗證了實時仿真的準確性，為構建模擬螺旋槳負載半物理仿真平臺提供了準確、可靠的控制系統。

螺旋槳負載 代碼生成技術 RT-LAB 實時仿真

0 引言

隨著電力推進逐步成為現代船舶推進方式新的發展方向，開展電力推進系統的研究顯得越來越重要。而螺旋槳作為推進器在電力推進系統中占有重要地位，對其開展研究是深入認識電力推進系統的關鍵。

本文開展基于RT-LAB的模擬螺旋槳負載控制系統的實時仿真研究能夠為構建模擬螺旋槳負載半物理仿真平臺提供真實可靠的負載特性曲線，提高仿真系統的置信度，大大降低電力推進系統的開發難度和試驗成本。如圖1所示為已構建的模擬螺旋槳負載半物理仿真平臺示意圖。

本平臺所用推進電機和負載電機均使用SINAMICS S120 AC/DC多軸驅動器，供電電源取自380V交流電網。其中，推進變頻器采用DFE電源模塊，經過電機模塊直接驅動推進電機。同時，其控制單元CU320通過擴展的TM31模塊將采集到的實際轉速經I/O接口傳送至Opal-RT公司的實時仿真機（OP5600）內部的螺旋槳模擬負載控制系統。負載回饋變頻器則采用AFE電源模塊，使回饋電流諧波含量大大降低，減小對電網的干擾。同時，其控制單元CU320通過擴展TM31模塊接收來自仿真機內控制系統的輸出給定轉矩，實現對負載電機的轉矩控制，從而達到模擬螺旋槳負載的目標。

1 負載電機控制系統的建立

進行模擬螺旋槳負載控制系統的仿真分析，首先需要建立控制系統的數學模型（船槳模型）。控制系統主要包括：船舶阻力模型，螺旋槳進速模型，進速比模型，螺旋槳推力和轉矩模型，以及船舶運動模型。下面重點介紹控制系統中主要部分的數學模型。

1.1 螺旋槳轉矩與推力計算模塊

進行螺旋槳轉矩與推力計算的前提是獲取螺旋槳特性，即

圖1模擬螺旋槳負載半物理仿真平臺

目前該特性曲線應用較為廣泛的有圖譜和解析式兩種形式。本文選用的諾爾特斯特洛姆系列試驗圖譜是哥德堡水池進行=4，=0.45，=0.0~1.6的全程試驗圖譜（主要針對直推單槳船舶）。由于它生動反映了各種工況下螺旋槳的運行情況，且螺距比變化范圍大，具有一定代表性，在推進仿真中具有很大參考價值。該系列螺旋槳特性曲線如圖2、3所示。其中，兩特性曲線的第一象限部分對應為螺旋槳推船前進（正航）狀態；第二象限部分對應為船舶正航時拉倒車（船舶由前進轉變成倒退運行）狀態；第三象限部分對應為船舶后退時用倒車（倒航）狀態；第四象限部分對應為船舶倒航時拉正車（船舶由倒退轉變成前進運行）狀態。

為了便于數學分析和模型搭建，本文將選用該圖譜的解析形式（8階切比雪夫多項式）來計算。將切比雪夫多項式轉換為普通多項式后，結果如下：

上式中各項系數可查表獲得。

由此可得螺旋槳推力、轉矩的計算公式為：

1.2 有效推力模型

由于螺旋槳在船尾運動時引起水流變化，導致船尾壓強重新分布，從而引起船體阻力增大。設螺旋槳產生的推力為，則其中一部分用于克服不帶螺旋槳時的阻力，另一部分用于克服螺旋槳運動產生的阻力增額ΔR（推力減額），即

在工程上通常使用推力減額系數來表征推力減額大小，即

所以，有螺旋槳存在時，船的有效推力為：

1.3船體阻力模型

圖2 轉矩特性

圖3 推力特性

船舶在水面航行時所受到的總阻力主要由兩部分組成，一部分是靜水中的裸船體阻力，另一部分為附加阻力。其構成如圖4所示。

鑒于本文重點研究在無風浪海況下模擬螺旋槳負載控制系統的實時仿真，暫不考慮復雜海況對螺旋槳運行的影響。因此，阻力計算模型只包含摩擦阻力和剩余阻力兩部分。根據“相當平板”理論，加上實際應用時引入的“形狀修正因子”和“粗糙度補貼系數”的概念，得到船體摩擦阻力計算公式：

式中，k為形狀修正因子C為阻力系數，ΔC為粗糙度補貼系數，為船速，為濕表面積，為海水密度。

圖4 船舶阻力構成

剩余阻力的計算則采用常用的蘭波-凱勒圖譜，可以求得剩余阻力系數C。

因此，船槳總阻力計算公式為：

1.4船舶運動模型

建立船槳系統的運動方程：

式中，為船舶噸位，單位為t；為船體附加質量，單位為t。按經驗’可取船體質量的5%~15%。

由上式即可求得船速v。

2 RT-LAB建模

RT-LAB的設計與開發流程是：首先按照其建模規則在Matlab/Simulink環境下進行系統建模，然后通過RT-LAB對系統模型進行分割處理、編輯、編譯、實時代碼生成，最后將實時代碼下載至OP5600實時仿真機中執行。

2.1模型的建立

首先在Matlab/Simulink中建立控制系統的仿真模型，如圖5所示。然后根據RT-LAB要求對模型進行分割，將需要進行在線監測的工況輸入、輸出航速、輸出進速、輸出轉矩、輸出推力、推進功率通過OpComm模塊引至監控臺子系統（前綴為SC_）中，將剩余的模型計算部分置于模型子系統(前綴為SM_)中。如圖6、7所示，分別為分割后的監控臺子系統和模型子系統，圖8、9為船體模塊和螺旋槳模塊內部。

進行系統建模時，從基于模型設計開發的角度出發，為了更好地實現一些特定算法（如轉矩系數計算模塊），使用了自定義S函數模塊。按照執行方式不同，常用的S函數有M S函數和C Mex S函數，根據本系統需要生成嵌入式C代碼進行實時仿真的要求，以及從仿真的快速性出發，選用C Mex S函數進行算法的編寫，編寫完成后需要先配置Matlab編譯器，然后使用Mex命令將C文件形式的S函數編譯為Mex文件才可正常使用C Mex S函數。

圖5 船槳仿真模型

圖6 S_M模型子系統

圖7 S_C監控臺子系統

圖8 船體模塊

圖9 螺旋槳模塊

2.2模型的編譯與代碼生成

RT-LAB通過調用Matlab中的實時工作空間RTW來自動生成可在實時仿真機中執行的嵌入式C代碼，從而生成可執行目標文件。整個編譯過程為系統自動進行，可以大大提高基于模型設計的嵌入式開發效率。下面簡要介紹可執行目標文件生成的流程：先通過Build選項對模型的描述文件進行編譯，然后調用TLC目標語言編譯器產生模型的C源程序，再調用Make過程生成聯編文件，最后由聯編應用程序生成可執行程序。

此流程中，TLC編譯是保證整個編譯過程成功的關鍵。在TLC編譯過程中會使用到三類文件：系統TLC文件、模塊TLC文件、其他TLC函數庫。在船槳模型編譯過程中，這三類文件中的系統TLC文件、Simulink自帶模塊的TLC文件以及TLC函數庫已經由MathWorks公司預先編寫好，因此在代碼生成時能夠順利通過編譯。而本文解決的一個關鍵技術就是為系統模型中C Mex S函數模塊形式的自定義算法編寫對應的模塊級TLC文件。分別對各算法模塊進行調試后，均通過RT-LAB編譯，并順利下載至實時仿真機中，成功實現相關算法的功能。

2.3模型的下載與執行

將編寫完成的C Mex S函數文件及其對應的TLC文件均置于控制系統所在目錄下。對控制系統編譯成功后，下載至實時仿真機中，待在線監控窗口自動彈出后即可執行模型。

3 仿真試驗驗證

本文以某實船船型數據為依據：船舶噸位為6914噸，額定航速為7.2 m/s，船長112.1 m，型寬17.5 m，吃水4.5 m，螺旋槳額定轉速為2.583 r/s，直徑為2.76 m，螺距比為0.7。

分別對船舶分級啟動正航、倒航、先正航后倒航三種典型工況進行實時仿真。對以上三種工況的設定和輸出特性的監測均在上位機中的監控窗口進行，如圖10為監控窗口。

將仿真結果與實船各典型工況的理論特性曲線相比較，結果基本一致。本研究證實了模擬螺旋槳負載控制系統的準確性與可靠性，可以用于模擬實船螺旋槳運行狀態。

圖10 在線監測窗口

各典型工況實時仿真結果如圖11、12、13。

圖11 分級啟動n-T曲線

圖12 倒航n-T曲線

圖13 先正航后倒航n-T曲線

4 結論

本文圍繞螺旋槳模擬負載的實時仿真展開研究，采用RT-LAB實時仿真平臺對模擬螺旋槳控制系統進行實時仿真分析，結果證實了螺旋槳模擬負載控制系統的可靠性和準確性。以此為基礎，結合OP5600實時仿真機已具備的硬件條件，能夠采集推進電機實際轉速信號，輸出負載電機給定轉矩信號，為已建立的模擬螺旋槳負載半物理仿真平臺提供可行性依據和硬件支持。

同時，在研究過程中所應用的嵌入式C代碼生成技術，不僅能夠用于RT-LAB實時仿真平臺，還可用于DSP、FPGA等大量嵌入式軟件開發平臺，能夠充分滿足用戶多樣化的需求，為今后進行基于模型的開發設計提供了一個快速有效的途徑，大大提高了嵌入式開發效率。

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RT-LAB –based Real-time Simulation of Control System of Propellers Loading

Zeng Hongyu, Li Bo, Long Fei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Considering the interaction of ship and propeller, this paper builds a mathematical model of the control system of propeller loading by RT-LAB, and uses the technology of automatic code generation in simulink to achieve real-time generation. Based on the data of real ship, the model is loaded to the OP5600 HILBOX to execute. Comparing the real-time simulation result with the actual propeller curve, it shows that real-time simulation is accurate, and it provides the accurate and reliable control system for a hardware-in-the-loop simulation platform of propeller loading.

propellers loading; automatic generation; RT-LAB; real-time simulation

TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0069-04

2015-10-16

曾宏宇（1991-),男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進系統仿真。