基于Modelica/MWroks的船舶電站控制系統建模與仿真研究

陸錫江，安麗，李詠桐

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610； 2.電子信息產品可靠性分析與測試技術國家地方聯合工程研究中心，廣州 510610；3.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣州 510610）

引言

21世紀以來，隨著我國船舶工業的發展，在船舶行業也取得很多的成果，并且我國船舶產量位居前列。但是由于船舶智能化，自動化方面的研究起步比較晚，一些關鍵的技術還沒有掌握。歐美一些西方國家很早開始研究船舶技術，在電站監控系統等方面取得了許多成果，像西門子的未來者電站管理系統，STL的ISC系統等等，這些年隨著我國的科研工作者不斷研究，一些關鍵的技術取得了突破，也獲得了很多的成果，但是在船舶電站自動化控制方面，我國還是有所欠缺，一些核心的設備仍需要從國外進口，所以我們仍然需要大力發展船舶電站控制相關技術，加強我國船舶核心技術研究，以此來增強我國海上國防實力，所以對艦船電站控制系統方面的研究是十分必要的。

本文通過研究船舶電站控制系統的數學模型，并在國產化多領域統一建模Modelica/Mworks仿真驗證平臺進行船舶電站控制系統的仿真建模，相對于Matlab仿真平臺，Mworks.Sysplorer更適合于工程應用，它具備多工程領域的系統和仿真能力，廣泛應用于航天、船舶車輛等行業，本文的艦船電站控制模型就是基于Mworks.Sysplorer平臺進行建模和仿真，以此驗證船舶電站控制系統的一系列功能。

1 Mworks仿真驗證平臺

1.1 Mworks.Sysplorer 簡介

MWorks.Sysplorer是面向多領域工業產品的系統級綜合設計與仿真驗證平臺。基于國際多領域統一建模規范Modelica，提供了可視化建模、仿真建模、仿真計算到結果分析的完整功能，Sysplorer支持工業設計知識的模型化表達和模塊化封裝，支持基于物理拓撲的快速系統模型集成與設計驗證，支持多方案優選及設計參數優化，以知識可重用、系統可重構方式，為工業企業的設計知識積累與產品創新設計提供了有效的技術支撐，對及早發現產品設計缺陷、快速驗證設計方案、全面優化產品性能等具有重要價值。Mworks.Sysplorer仿真平臺示意圖如圖1。

圖1 Mworks.Sysplorer仿真平臺示意圖

1.2 Mworks.Sysplorer主要功能及特點

1.2.1 多領域統一建模與一致表達

基于多領域統一建模語言Modelica，MWorks.Sysplorer支持組合不同領域的工程構件形成多領域仿真模型，通過基于方程的建模支持模型復用，更加貼近系統工程實際，從而實現：

1）統一標準：統一的模型表達標準，支持無縫的模型集成；

2）統一模型：統一的全系統模型，為多專業設計協同奠定了基礎；

3）統一平臺：支持系統級、子系統級與部件級多層次統一設計驗證。

避免采用傳統的基于接口的單專業軟件聯合仿真模式帶來的弊端：

1）軟件種類繁多，需要對應軟件提供相關接口，不便于應用；

2）分散于各軟件平臺中的異構模型難以體系化管理；

3）對復雜的多領域耦合系統求解效率

1.2.2 完備的結果后處理分析

MWorks.Sysplorer提供完備的結果處理分析工具，主要包括：曲線顯示與運算、三維幾何動畫、數字化動態儀表、結果報表生成、參數分析工具、參數標定與分析、多學科優化。

1.2.3 便捷的可視化建模環境

MWorks.Sysplorer提供多文檔多視圖的建模環境，能夠方便地快捷進行可視化建模，其主要功能包括：代碼助手、自動查錯與規范性檢查；靈活的插件機制，方便系統擴展；物理單位的自動推導與檢查；不同粒度的模型加密保護；交互式查看與監視變量選擇；參數、數據的導入導出；優越的模型編譯與求解性能；完善的用戶管理功能。

1.3 Modlica概述

隨著工業產品的自動化與智能化發展，多領域耦合已成為當前工業產品的一個顯著特點，多專業設計協同與模型集成已成為工業產品系統設計的必需技術。

Modelica是在此背景下推出的一種多領域統一建模語言。Modelica語言繼承了先前多種領域建模語言的優點，融合了Java語言的面向對象機制與Matlab的數組表達機制，是一種面向設計工程師的業務描述語言，能夠有力地支撐基于模型的系統工程應用。

1.3.1 面向對象建模

Modlica制以類為中心組織和封裝數據，強調陳述式描述和模型的重用，通過面向對象的方法定義組件與接口，并支持采用分層機制、組件連接機制和繼承機制，實現了模型基于模塊化、層次化的設計、開發和應用，可以使使得開發的模型具有擴展性，便于用戶的使用、修改和完善。

1.3.2 多領域統一建模

Modlica可基于能量守恒的原理，可以讓不同專業所組成的大型系統模型在同一軟件工具下進行構建和分析，避免不同分系統、不同專業之間不同類型模型的復雜解耦，有效的克服了基于接口的多領域技術所引起的解耦困難、操作復雜的問題，進而改善模型的求解性和準確性，如圖2所示。

圖2 DC電機伺服系統

1.3.3 工程應用

基于Modelica對多領域物理系統統一建模的支持，借助系統數字化設計與驗證平臺MWorks.Sysplorer可應用于許多領域。

1）飛機系統仿真分析（航空領域應用Modlica建模仿真）：

圍繞飛機早期論證與方案設計，采用Sysplorer平臺建立飛機級系統模型：主要對飛機的航電系統、燃油系統、電氣系統、液壓系統、飛控系統、和起落架系統建立仿真模型。

2）三相異步電動機仿真分析（機電行業應用Modlica建模仿真）

由于磁材料飽和、磁滯、渦流和導電材料趨膚效應等影響，三相異步電機在起動過程中的動態特性很復雜。采用Sysplorer電磁計算模型庫，在現有電機模型基礎上，進一步考慮鐵磁材料飽和、磁滯、渦流影響和導電材料趨膚效應，以及溫度影響，擴展系統功能，實現電機驅動系統的自頂向下的設計，以便實時觀測到電機起動到平穩運行過程中的相電流、相電壓、電磁轉矩等特性參數，并且可以計算出電機的功率因數、效率等參數，為產品的性能分析和方案改進提供可靠依據。

2 基于Mworks的船舶電站控制系統建模及仿真

本文以研究船舶電站控制系統為研究對象，通過在多領域多專業物理統一建模與仿真軟件平臺Mworks上搭建同步發電機的空載啟動仿真模型、同步發電機的突加負載仿真模型、同步發電機的突加突卸異步電動機仿真模型和同步發電機雙機并聯運行仿真模型，用來驗證船舶電站控制系統的運行機理和功能。

2.1 同步發電機組空載啟動仿真

同步發電機組的空載起動實驗是研究發電機組的起動性能的主要方式，空載啟動意義非常大，它能檢測空載下同步發電機組的運行狀況，測試同步電機組的是否正常，在船舶電站控制系統中空載啟動試驗是非常重要的試驗，其仿真模型如圖3所示。

圖3 同步發電機組空載起動仿真模型

該仿真模型模擬了同步發電機組空載啟動時的運行工況，設置好負載空載啟動參數，當發電機組空載啟動時，其仿真結果參數如圖4所示，可以看出同步發電機組的勵磁電壓在剛起動時非常大，隨著發電機輸出端的電壓形成，勵磁電壓在不斷減小并且很快達到額定值。發電機組輸出端A相電壓維持在450 V左右，A相電流基本為零。

圖4 空載時同步發電機組輸出端工況

2.2 同步發電機組突加突卸負載

通過在不同時刻加入負載和卸掉負載，來觀察同步發電機組仿真過程時的系統參數，以此來驗證艦船電站自動控制系統仿真效果。在MWORK里搭建的單臺發電機組突加突卸負載模型如圖5。

圖5 單臺發電機組突加突卸負載仿真模型

圖6 單機組突加突卸負載時發電機組A相電流

該仿真模型模擬了船舶電站控制系統中單臺同步發電機組突加和突卸負載時的運行工況，該模型所帶負載均為電阻性負載，設置好同步發電機組突加和突卸負載時相應的參數，其仿真結果參數如下圖所示，從下圖可以看出在加入負載的5 s、10 s和15 s時，同步發電機組的勵磁電壓，發電機組角速度、勵磁電壓和發電機組的A相電壓波動都很小，波動幅度很穩定，在20 s時，負載從電網中脫離出來，可以看到發電機的A相電流變為零，角速度在負載脫離瞬間快速上升，一段時間后恢復穩定。通過觀察和分析該仿真模型的仿真結果，我們對船舶電站控制系統控制同步發電機組突加突卸負載時的運行機理有了更深入的理解。

2.3 同步發電機組突加突卸異步電機

在艦船電站自動控制系統中，我們知道異步電動機是艦船電站重要的負載，影響著電站的穩定運行，異步電動機投入運行和帶電感性負載時，異步電動機投入運行。單個發電機組投切異步電動機模型如圖7所示。

圖7 單機組投切異步電動機仿真模型

該仿真模型模擬了單臺同步發電機組投切異步電動機，設置好感性負載參數，當同步發電機組投切異步電機時，系統的各個參數發生了變化，當投入異步電機時，發電機轉速降低，異步電機脫離電網時，轉速開始上升，在勵磁調壓系統的作用下，我們可以看到很快的恢復了穩定。其仿真結果如圖8所示。

圖8 帶電感性負載投切異步電機時發電機轉速

2.4 同步發電機組雙機并聯仿真

雙機并聯仿真實驗中，發電機組1為在網機組，發電機組2為代并機組，兩同步發電機組參數基本相同，在仿真模型中，發電機組2并入電網開關由并車模塊決定是否合閘，發電機組帶的兩個負載均為電阻性負載。雙機并車仿真模型如圖9所示。

圖9 發電機組并車仿真模型

該仿真模型模擬了同步發電機組并車仿真運行工況，設置好并車仿真參數，在系統仿真過程中，設置發電機組1空載運行，第5 s時，電阻性負載1接入電網運行，在第10 s的時候機組控制器發出指令，同時并車模塊開始檢測，相位、電壓、頻率都滿足條件時，開始并車，使兩臺發電機組并聯運行。在15 s時，接入電阻性負載2，觀察兩機組并聯運行狀態，其仿真結果如圖10所示。

圖10 同步發電機組的有功功率

從仿真結果分析得出，在10 s時開始并車，發電機組1的有功功率在下降，發電機組2開始并入電網，輸出的有功功率在增加，并車結束后實現了有功率的均分。

3 結論

本文針對船舶電站控制系統，基于面向對象的對領域統一建模語言Modelica和國產MWORKS仿真平臺，構建船舶電站控制系統運行機理仿真模型，完成了對船舶電站控制運行機理的仿真研究，得出主要結論如下：

1）采用Mworks平臺，可以有效的搭建船舶電站控制系統的仿真模型，基于方程的建模，更加貼近工程實用，有效的實現了船舶電站控制的運行機理。

2）通過仿真模型結果分析，準確的了解到船舶電站控制系統各工況下設備的運行狀態和規率，可以作為理論分析和驗證的依據，在船舶電站控制系統仿真研究中取得了良好的結果。