電力推進(jìn)船舶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正

文/孫萍

電力推進(jìn)船舶有著較高的自動(dòng)化程度和較好的舒適度，在現(xiàn)實(shí)中有著較為廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)也對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。為此，筆者基于相位超前校正原理，對(duì)電力推進(jìn)船舶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正開展研究，以期能夠達(dá)到船舶控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

1 系統(tǒng)原理

1.1 串聯(lián)有源超前校正裝置

筆者在本文的研究過(guò)程中通過(guò)有源校正網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行研究，以便對(duì)系統(tǒng)直流增益的不足予以相應(yīng)的補(bǔ)償。

1.2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)

通過(guò)螺旋槳轉(zhuǎn)速環(huán)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩環(huán)來(lái)有效的控制異步電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳的啟動(dòng)過(guò)程。對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的控制主要是利用對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升以及下降時(shí)間的修改來(lái)實(shí)現(xiàn)。若啟動(dòng)時(shí)間太短，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩過(guò)載情況的出現(xiàn)；若啟動(dòng)時(shí)間太長(zhǎng)，難以達(dá)到控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。因此，必須合理的優(yōu)化控制環(huán)節(jié)的PI 參數(shù)。但需要注意的是，通常情況下調(diào)整優(yōu)化PI 參數(shù)會(huì)極為困難和繁瑣，為此，需要通過(guò)系統(tǒng)超前校正來(lái)提高船舶控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2 實(shí)例分析

研究對(duì)象為設(shè)計(jì)航速為10Kn 的客船，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)。主推進(jìn)電機(jī)為鼠籠式感應(yīng)推進(jìn)機(jī)（變頻啟動(dòng)、數(shù)量2 套），慣性矩12.41Kg·m2，額定轉(zhuǎn)速420r/min，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定功率200KW，額定電壓380V/50HZ。啟動(dòng)控制系統(tǒng)仿真框圖詳見圖1。

為了讓控制系統(tǒng)達(dá)到更為理想的啟動(dòng)性能指標(biāo)，必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩過(guò)載的情況。

圖1：?jiǎn)?dòng)控制系統(tǒng)框圖

圖2：校正后的啟動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)速以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真后可以發(fā)現(xiàn)，首先，電動(dòng)機(jī)帶螺旋槳啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩超過(guò)規(guī)定的限制值。其次，還具有電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)規(guī)定的限制值的情況。能夠發(fā)現(xiàn)，初步的PI 參數(shù)調(diào)節(jié)難以達(dá)到控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。但是，現(xiàn)階段還沒有相應(yīng)的計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行研究和計(jì)算，僅可以通過(guò)仿真來(lái)多次試湊以獲取更為可靠的控制性能。但這樣也產(chǎn)生了顯著的問題，一方面加大了優(yōu)化調(diào)試的工作量，另一方面還需要工作人員具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)秀的工作技能。

為對(duì)控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩幅值進(jìn)行有效的控制，使其處于5000N·m 的水平之下，最大限度的降低螺旋槳轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)更為理想的時(shí)間指標(biāo)，將超前校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)置于PI 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)之前。采用的校正調(diào)節(jié)函數(shù)如下：GcS=0.736+1/0.1132s+1。主要參數(shù)為α=0.736，β=0.1132。校正后的仿真框圖如圖2。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，將超前校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串聯(lián)后，能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)矩幅值進(jìn)行合理的控制，達(dá)到更為理想的控制系統(tǒng)性能。另外，在啟動(dòng)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的時(shí)間稍有提升，不過(guò)依然在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求之內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者在本文的研究分析活動(dòng)中，基于超前相位校正原理，對(duì)電力推進(jìn)船舶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，以便能夠達(dá)到控制系統(tǒng)性能要求。通過(guò)仿真活動(dòng)后，能夠發(fā)現(xiàn)在增加校正網(wǎng)絡(luò)之后，能夠更為理想的控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩幅值，促使螺旋槳轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)更加平滑的變化，從而更為有效的優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)。