基于Simulink的船舶電力系統(tǒng)仿真研究

侯新國+潘昕 馮源

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)用C++語言編寫船舶電力系統(tǒng)模型的方法較為復(fù)雜的特點(diǎn)，將Simulink仿真與C++語言相結(jié)合，建立船舶電力系統(tǒng)基本模型。根據(jù)Simulink仿真發(fā)電機(jī)模塊與算法的特點(diǎn)，結(jié)合模擬訓(xùn)練中實(shí)時(shí)性的要求，對(duì)基本模型進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建兩種適用于不同算法的船舶電力系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，定步長(zhǎng)算法下的仿真模型可滿足模擬訓(xùn)練實(shí)時(shí)仿真的要求；變步長(zhǎng)算法下的仿真模型結(jié)合多項(xiàng)式擬合算法，可得到與實(shí)時(shí)仿真基本相同的結(jié)果。因此，兩種仿真模型均適合于基于模擬訓(xùn)練的船舶電力系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：船舶電力系統(tǒng)；模擬訓(xùn)練；實(shí)時(shí)仿真

中圖分類號(hào)：TP183文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在船舶上，電力監(jiān)控系統(tǒng)逐漸取代傳統(tǒng)的人工手動(dòng)控制。船舶裝備電力監(jiān)控系統(tǒng)后，必須對(duì)船員進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)輔導(dǎo)，使其盡快掌握必要的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際的操作技能。由于C++語言的通用性，選擇由C++語言開發(fā)船舶模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[1]。然而，對(duì)于船舶電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模型，如果僅用C++語言編寫，工作較為繁瑣。Matlab中Simulink工具提供了豐富的電力及電氣系統(tǒng)元件模型，但是，基于Simulink的仿真屬于偽實(shí)時(shí)仿真，其仿真時(shí)間并不與實(shí)際時(shí)間同步，其原因在于模型的復(fù)雜性使得軟件無法在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成所有仿真過程。而在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性是非常關(guān)鍵的。因此，本文的重點(diǎn)在于如何將船舶Simulink模型轉(zhuǎn)化為C++代碼，并實(shí)現(xiàn)仿真的實(shí)時(shí)性。

文獻(xiàn)[2-4]中通過Matlab提供的實(shí)時(shí)工作工具RTW將Simulink模型直接轉(zhuǎn)化為C++程序，文獻(xiàn)[5-6]更進(jìn)一步，提出采用基于Windows平臺(tái)的實(shí)時(shí)性擴(kuò)展平臺(tái)RTX。但是，上述文獻(xiàn)的基本代碼轉(zhuǎn)換方法對(duì)模型仿真算法有嚴(yán)格要求，在Simulink兩種仿真算法中，RTW和RTX均只支持固定步長(zhǎng)仿真算法的模型進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換。而Simulink中已封裝的發(fā)電機(jī)模塊，屬于剛性系統(tǒng)，采用定步長(zhǎng)算法仿真極易報(bào)錯(cuò)，從而造成實(shí)時(shí)仿真無法進(jìn)行，有學(xué)者為了避免這種問題，自己設(shè)計(jì)和封裝發(fā)電機(jī)模塊[7]，但建模工作量較大，無法充分利用仿真軟件的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，在模型中仍舊使用Simulink軟件已封裝的發(fā)電機(jī)模塊，在采用定步長(zhǎng)算法時(shí)，在電力系統(tǒng)模型中添加相應(yīng)模塊改進(jìn)模型，連接半實(shí)物仿真機(jī)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真；而當(dāng)模型采用變步長(zhǎng)算法時(shí)，添加S-函數(shù)模塊，并運(yùn)用多項(xiàng)式擬合技術(shù)，同樣可得到相應(yīng)的實(shí)時(shí)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果，達(dá)到實(shí)時(shí)仿真的效果。

2船舶電力系統(tǒng)基本模型

一個(gè)基本的船舶電力系統(tǒng)模型應(yīng)包括原動(dòng)機(jī)及調(diào)速器模型、同步發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁控制系統(tǒng)模型以及負(fù)載模型，其中前三者構(gòu)成發(fā)電機(jī)組[8]。其中，調(diào)速部分維持系統(tǒng)頻率的恒定；勵(lì)磁部分提供勵(lì)磁電壓，通過無功功率形式，維持發(fā)電機(jī)端電壓恒定。而有功功率即原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械功率，它與頻率有密切關(guān)系，在Matlab的Simulink環(huán)境下，建立調(diào)速模塊模型和勵(lì)磁模塊模型[9]，同步發(fā)電機(jī)模塊采用軟件自帶模型，發(fā)電機(jī)組仿真模型如圖1所示。

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)模擬訓(xùn)練的功能要求，主要試驗(yàn)包括機(jī)組起動(dòng)停機(jī)試驗(yàn)，突加突卸負(fù)載試驗(yàn)，三相故障試驗(yàn)。由于仿真中對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)特性要求一般，模型中使用三相并聯(lián)負(fù)載。考慮船上容性負(fù)載較少，采用功率因數(shù)為滯后的負(fù)載。模型中還添加電壓表、電流表等測(cè)量裝置，方便觀測(cè)數(shù)據(jù)。船舶電力系統(tǒng)基本模型如圖2所示[8]。

3基于定步長(zhǎng)算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真

3.1船舶電力系統(tǒng)改進(jìn)模型

在Simulink仿真過程中，仿真算法是求常微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程解的數(shù)值計(jì)算方法，這些方法分為兩大類，即可變步長(zhǎng)類算法和定步長(zhǎng)類算法。可變步長(zhǎng)類算法是在解算模型時(shí)自動(dòng)調(diào)整步長(zhǎng)，并通過減小步長(zhǎng)來提高計(jì)算精度；而定步長(zhǎng)類算法，則在解算模型時(shí)補(bǔ)償是固定不變的。對(duì)于一般模型，兩種算法下仿真得到的結(jié)果和波形圖基本一致，但在已建立的基本的電力系統(tǒng)模型中，若采用固定步長(zhǎng)仿真，當(dāng)模型運(yùn)行后，仿真報(bào)錯(cuò)，系統(tǒng)提示在某時(shí)刻機(jī)組速度控制系統(tǒng)的輸入異常。實(shí)際上，在速度控制輸入端加入示波器，可以很清楚觀察出在報(bào)錯(cuò)時(shí)間點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速值由0迅速增加到十萬級(jí)以上，系統(tǒng)由于步長(zhǎng)固定，造成反饋失去作用，系統(tǒng)失穩(wěn)。分析整個(gè)模型，造成輸入端數(shù)值異常，是由于發(fā)電機(jī)組作為剛性系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)組空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載斷路器全部斷開，在初始階段轉(zhuǎn)速數(shù)值較小，而功率由于積分作用持續(xù)變大，而轉(zhuǎn)矩不能突變，而仿真步長(zhǎng)采取固定值，造成某時(shí)刻轉(zhuǎn)速數(shù)值急速增大，而仿真不能通過減小步長(zhǎng)來調(diào)節(jié)反饋，從而造成系統(tǒng)失饋[10]。因此，只需在基本模型中緊鄰發(fā)電機(jī)組添加一個(gè)負(fù)載模塊，使得當(dāng)模型運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)組能夠形成閉合回路，提供機(jī)組的功率，使得機(jī)組功率與轉(zhuǎn)速能夠緩慢變化。通過大量試驗(yàn)表明，將負(fù)載總功率設(shè)定在發(fā)電機(jī)組總功率的6%以上，船舶電力系統(tǒng)采用固定步長(zhǎng)仿真即可正常運(yùn)行。由于此負(fù)載與試驗(yàn)內(nèi)容沒有關(guān)聯(lián)，應(yīng)盡量取小值，減小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果觀測(cè)的影響。

3.2實(shí)時(shí)仿真結(jié)果

半實(shí)物仿真機(jī)MDES的工作原理是在定步長(zhǎng)算法下，通過Simulink的RTW工具將模型轉(zhuǎn)化為C++代碼，再執(zhí)行相關(guān)C++代碼從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，導(dǎo)入改進(jìn)后的船舶電力系統(tǒng)模型，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)仿真。發(fā)電機(jī)組特性曲線如圖3所示，波形變化合理，實(shí)時(shí)仿真成功，說明改進(jìn)模型是可行的。

4基于變步長(zhǎng)算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真

變步長(zhǎng)算法是在解算模型時(shí)自動(dòng)調(diào)整步長(zhǎng)，可以通過減小步長(zhǎng)來提高計(jì)算精度，因此在模型運(yùn)行時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)固失饋現(xiàn)象。雖然采用變步長(zhǎng)算法，模型無法利用RTW工具轉(zhuǎn)化代碼，但是在船舶模擬訓(xùn)練中，只考慮固定的幾種典型工況。因此運(yùn)用多項(xiàng)式擬合方法，對(duì)仿真模型工況下的特征曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，將特征曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為C++代碼，由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行C++語言數(shù)學(xué)表達(dá)式的速度較快，延時(shí)時(shí)間短，因而在理論上可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真的效果。endprint

4.1多項(xiàng)式擬合算法推導(dǎo)

將用已知試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)方法得到變量之間的近似函數(shù)表達(dá)式的方法稱為數(shù)據(jù)擬合[11]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合之前，首先要確定擬合采用的數(shù)學(xué)表達(dá)式。常用的基于Matlab曲線擬合的方法分為多項(xiàng)式擬合和非線性曲線擬合。其中，非線性曲線擬合主要指雙曲線和指數(shù)形式。文獻(xiàn)[12]中指出，多項(xiàng)式曲線擬合的方法可逼近任意一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的函數(shù)。在本文中選擇多項(xiàng)式擬合的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

4.2基于多項(xiàng)式擬合方法的仿真實(shí)現(xiàn)

Matlab軟件提供了polyfit、polyval等函數(shù)求解多項(xiàng)式擬合。在仿真時(shí)，利用Toworkspace模塊將仿真數(shù)據(jù)保存到工作空間，再運(yùn)用相關(guān)函數(shù)即可。

4.3基于多項(xiàng)式擬合方法的驗(yàn)證

驗(yàn)證主要分為仿真數(shù)據(jù)的精確性和實(shí)時(shí)性兩方面。同樣選擇發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)，觀測(cè)發(fā)電機(jī)組端電壓、轉(zhuǎn)速、原動(dòng)機(jī)輸出功率和勵(lì)磁電壓的變化情況。精確性方面，在Matlab工作空間中，通過多項(xiàng)式擬合得到的數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。根據(jù)誤差計(jì)算公式繪制誤差圖如圖5所示。

通過觀察圖4，擬合曲線與實(shí)際曲線基本重合，圖5表明誤差較小，擬合程度較高。因而多項(xiàng)式擬合的方法較好表征了仿真數(shù)據(jù)，精確性較高。

在實(shí)時(shí)性方面。以VS2012工具為例，在其中運(yùn)行C++代碼表示的上述轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)表達(dá)式。在VC++環(huán)境中，可直接利用WindowsAPI中如GetTickCount（）等函數(shù)，還可利用計(jì)算機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)功能編寫相關(guān)代碼等多種方法。在本文中主要利用time.millitm函數(shù)編寫代碼，其可精確到毫秒級(jí)別。計(jì)算上述10s過程的發(fā)電機(jī)組各變量變化所用時(shí)間，其所耗時(shí)間分別為：端電壓26ms，轉(zhuǎn)速15ms，原動(dòng)機(jī)輸出功率17沒事，勵(lì)磁電壓28ms。因而程序計(jì)算延時(shí)較少，實(shí)時(shí)性較好。

綜合上述兩方面的試驗(yàn)，可得知基于多項(xiàng)式擬合方法的仿真結(jié)果在精確度和實(shí)時(shí)性上都是滿足要求的，因而該方法是可行的。

比較上述兩種算法下的改進(jìn)模型。結(jié)合多項(xiàng)式擬合算法的變步長(zhǎng)仿真模型思路較為簡(jiǎn)單清晰，對(duì)C++語言編程能力較低，較適用于模擬訓(xùn)練中觀測(cè)對(duì)象較少的場(chǎng)合，可用于觀測(cè)在試驗(yàn)中改變工況后發(fā)電機(jī)組觀測(cè)對(duì)象總體的變化趨勢(shì)；而基于定步長(zhǎng)算法的改進(jìn)模型可對(duì)試驗(yàn)中觀測(cè)對(duì)象在具體時(shí)刻的觀測(cè)值進(jìn)行分析；同時(shí)，在轉(zhuǎn)變C++代碼后，通過編寫發(fā)電機(jī)組有關(guān)控制參數(shù)的代碼，可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)參[4，14]，從而更好控制模型，在數(shù)據(jù)的分析方面有一定優(yōu)勢(shì)。

5總結(jié)

本文針對(duì)船舶電力模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的要求，應(yīng)用Simulink仿真軟件，首先搭建了船舶電力系統(tǒng)模型，根據(jù)仿真實(shí)時(shí)性的要求，分別構(gòu)建了兩種不同算法下的仿真模型。在定步長(zhǎng)算法下的模型實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真，在變步長(zhǎng)算法下的模型結(jié)合多項(xiàng)式擬合的方法得到實(shí)時(shí)性較好的可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，兩種仿真方法均適合于應(yīng)用于模擬訓(xùn)練的船舶電力系統(tǒng)仿真研究。通過比較，提出了兩種方法各自的特點(diǎn)和具體的應(yīng)用場(chǎng)合。

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