艦船電力系統聯合仿真研究及實現

金 珍，李維嘉，李 霖

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艦船電力系統聯合仿真研究及實現

金 珍1，李維嘉1，李 霖2

（1. 華中科技大學船舶與海洋工程學院，武漢 430074；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205）

艦船研制的方案設計階段，常常需要根據各個分系統的用電需求，配置電力系統的發、配電設備。本文采用參數化的數學模型來模擬電力系統，并與液壓、運動操控、高壓空氣等子系統聯通，設計了基于用戶操作的仿真分析軟件，實現了電、液、氣、水等多學科的聯合仿真。根據仿真結果可以得到艦船系統的電能消耗，從而進行艦船設計階段的電力設備選型。仿真軟件采用C#搭建軟件系統框架，采用SQL實現數據庫管理，采用C語言編寫各個子系統的數學模型。仿真平臺具備快速性、準確性、準動態要求。

艦船 電力系統 聯合仿真 準動態演示

0 引言

目前，艦船電力系統仿真主要是基于陸地電力系統仿真軟件來完成。例如MATLAB/Simulink、PSPICE和SABER等，但一般只用于原理性驗證以及單模塊仿真，無法實現實時的、聯合的數字化仿真，在輸出及圖形顯示方面不盡如人意，也實現不了快速響應的目標[[1]]。艦船電力系統在方案設計階段，還沒有一個合適的軟件，用于滿足快速性、準確性要求的多領域聯合仿真的需要。

本文將結合方案設計階段的特點，研發一個可以實現艦船電力系統與機械、液壓、水路、氣路等多系統之間的聯合仿真的工程軟件，兼具快速響應性、一定的準確性以及準動態性能等特點，為艦船方案設計階段提供一個可供設計人員進行功能分析、驗證、修改的實用性工具。

1 聯合仿真軟件的設計

艦船電力系統聯合仿真的關鍵技術在于電力系統子模塊建模、電力系統與其他系統參數傳遞、以及軟件交互界面設計等。為此，本文在電力系統子模塊的建模過程中，采用參數化的數學模型，來滿足用戶仿真分析過程中的參數修正需要；對于電力系統與操控系統、液壓系統、高壓空氣系統等之間的參數傳遞，則基于各個系統工作過程中的電能需求，以電流為傳遞參數，將各個系統準動態無縫聯接；軟件交互界面設計以應用較為廣泛的VS2012為開發平臺，基于仿真軟件對圖形化顯示以及滿足數據庫的頻繁交互的需求，采用C#搭建系統框架，從而為用戶提供一個可進行功能選擇、配置參數修改的實用性軟件。

2 艦船電力系統建模

艦船電力系統各部分的關系可用圖1表示。發電單元和配電系統相連，構成船舶主電站，通過配電系統為電力推進系統及艦船其他用電系統提供電能[2]。

圖1 艦船電力系統示意圖

針對配電系統對重要的負荷如電力推進系統進行直接供電、對其他用電系統如照明系統、空調系統等通過船舶電網進行配電的特點[3]，本文按配電系統、電力推進系統和其它系統進行艦船電力系統的建模。

2.1配電系統

配電系統對電能進行集中控制、分配和切換。在分配電能的過程中，配電系統把從電源發出的400 V電壓電源轉換為380 V、220 V、24 V三種不同電壓的電源，供不同設備使用。其中，電力推進系統、液壓系統、燃油滑油系統、冷卻水系統、日用水系統、通風系統使用380 V電壓源，照明系統、空調系統則使用220 V電壓源，而24 V電壓源主要供給電子信息系統以及照明系統中的低照度照明設備。配電系統數學模型構建如下：

其中，V、V、V分別為三種幅值的電壓，I、I、I分別為使用這三種電壓電源的系統工作時的電流。

2.2電力推進系統

電力推進系統主要用于推進電機驅動螺旋槳轉動，其負載特性與船-機-槳的特性有關[4]。電力推進系統的建模如下。

2.2.1電機運動方程

電動機傳遞的是驅動負荷需要的能量，從配電吸收的功率主要取決于轉軸上的機械負荷[5]。電動機的軸馬力、轉矩、轉速及輸出功率如公式(2)所示。

2.2.2螺旋槳轉矩方程

推進電機經軸系和減速裝置，帶動螺旋槳工作從而為船身產生推進力。螺旋槳推力和轉矩可用下列無因次數表示[6]。

式中，為推力，為轉矩，為海水密度，取1030 kg/m2。為旋槳轉速，為螺旋槳直徑，取5 m。對于螺旋槳的效率η也可以用K、K和進速系數來表示，如公式（6）。

(5)

式中，為進速系數：

其中，為伴流系數，為航速。根據螺旋槳的敞水特性及艦船運動方程理論可得，螺旋槳轉矩和推力方程為：

(7)

2.2.3電力推進系統模型

電力推進模塊與螺旋槳負載模塊之間的聯接是通過求解船機槳模型得到的。船槳數學模型根據推進電機的轉速和航速推算出螺旋槳轉矩。將螺旋槳轉矩方程和推進電機輸入轉矩方程聯立，可以得到電力推進系統功率消耗和船航速及螺旋槳轉速的數學模型，如圖2所示。

2.3艦船系統聯合仿真模型

圖2 電力推進系統數學模型

基于艦船各個系統間的能量傳遞和耦合關系，將艦船電力系統和其他系統進行聯合建模，以模擬艦船在各個工況下的準動態工作過程。聯合仿真模型如圖3所示。

艦船運動操控系統實現艦船的操縱和控制。在各個系統對操控系統的響應過程中，需要有電能的供應，此時艦船電力系統發揮作用[7]。艦船各個系統間也有其他參數的傳遞，如高壓空氣系統通過充氣體積來作用于啟閉升降系統、冷卻水系統通過冷卻水流量來作用于燃油滑油系統。

圖3 聯合仿真模型

3 聯合仿真軟件及結果分析

3.1軟件設計及實現

圖形化軟件編程、面向對象技術以及面向對象的數據庫管理是現代艦船電力系統仿真分析軟件的發展趨勢和追求目標?；贛icrosoft Visual Studio 2012開發環境具有靈活敏捷的開發流程、強大的功能組件、強調用戶交互設計等特點[8]，采用這種開發環境來設計聯合仿真軟件。

艦船聯合仿真軟件交互界面設計如圖4所示。軟件操作界面由用戶管理界面、仿真系統界面、動態顯示界面、日志管理界面組成。用戶管理界面服務于用戶，記錄用戶登錄信息及權限；仿真系統界面提供仿真接口、加載仿真模塊、進行參數修改等；動態顯示界面包括仿真過程監控及仿真曲線顯示；日志管理界面記錄操作人員、操作設計等。

圖4 聯合仿真軟件交互界面設計

3.1.1主界面設計

聯合仿真軟件主界面如圖5所示。

主界面中心是由17個子系統構成的仿真系統界面，用戶可自行選中其中的某些相互關聯的子系統，子系統運行時以原理圖動態顯示在仿真界面上。在動態顯示界面，可實現仿真的運行、停止和過程監控，同時仿真曲線也將實時顯示。在日志管理界面，可記錄操作者姓名，操作時間，操作記錄等，保存日志可追溯以往的操作。工具欄中有文件操作、仿真模塊加載及參數設置、用戶管理及幫助欄。

3.1.2子系統界面

在軟件的界面中，子系統仿真時，界面上以原理圖顯示其工作進程，可設置和修改參數，滿足不同配置下的仿真需求。界面也實時監控并記錄仿真過程曲線。以電力推進子系統仿真界面為例，如圖6所示。

3.1.3參數配置界面

參數設置界面提供仿真參數配置及參數修改的入口。

圖5 仿真軟件主界面

在參數配置中，可根據艦船實際配置情況設置參數，也可保留初始的參數設置。仿真前以實際需求對部分仿真參數進行修改，數據修改完成后由平臺自動加載所有仿真數據。操控系統快速設計開發平臺在不同配置要求下，可實現系統的快速建模、重構，滿足不同工況設定下的集成仿真需求，滿足總體多要素分析與優化需求。參數配置界面可實現良好的人機交互，對于系統不是很精通的用戶來講，參數可保持默認值，也可進行必要修改，如圖7所示。

3.2仿真結果分析

現以某潛艇的數據為例，部分參數在參數配置界面按表1進行設置，加載仿真數據。實現艇身從水面下降到水下50 m、航速由0節變化到8節的過程。部分參數如表1。

參數設置完成后，可以快速地獲得艦船動態工作過程的仿真。為了更好地適應不同監控值之間的數量級上的差異性，仿真數據通過無因次處理，著重顯示數值的變化趨勢。詳細的仿真數據可以通過excel表格導出，以便對仿真實例進行具體分析。仿真動態曲線如圖8所示。

圖6 電力推進系統界面

圖 7 參數配置界面

表1 參數設置

圖8顯示了五條曲線變化，分別是艏舵舵角、艏舵負載功率、深度變化、航速、總輸入功率。仿真結果動態地顯示了各個子系統變化的過程，給出了各個子系統的用電需求和整個潛艇的用電需求。如果將各個子模塊設置在最大工況運行下，將得到整個潛艇的用電需求峰值，從而為設計階段發電和配電裝置的選型提供可靠依據。

4 結束語

針對船舶上各個子系統的建模仿真通常都是獨立離線的情況，本文通過對船舶電力系統的研究分析，以電力消耗為基礎，進行系統間的接口設計，將船舶各個系統進行聯合建模，搭建仿真平臺，實現了艦船電力系統、液壓系統、氣壓系統、水路系統等多個學科的快速的、準動態的聯合仿真。設計開發的聯合仿真軟件界面簡潔、操作便捷，可以滿足用戶的仿真需求。仿真結果可以為艦船方案設計階段的發電、配電裝置的選型提供參考依據。

圖8 仿真結果

[1] 陳永軍, 李華偉, 李俊杰. 艦船電力系統的負載仿真控制器的建模與研制[J]. 船電技術, 2005, 10(3): 32-35.

[2] 馬運義, 許建. 現代艦船設計原理與技術[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2012.

[3] 張威, 施偉鋒, 張俊深. 船舶區域配電系統建模與故障仿真分析[J]. 中國航海, 2013, 36（4）: 42-46.

[4] Wang, M. and Liang, S. Condition Assessment of Marine Electric Propulsion System Using Support Vector Machine[J]. ICTIS 2013 (2156-2163).

[5] 蘭海, 盧芳, 孟杰. 艦船電力系統[M]. 北京: 國防工業出版社, 2013.

[6] 盛振邦, 劉應中. 船舶原理[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2004.

[7] Mukund R. Patel. Shipboard Electrical Power Systems[M]. New York: CRC Press LLC,2012.

[8] 孫鑫. VC++深入詳解[M]. 北京: 電子工業出版社, 2012.

Research and Implementation of United Simulation of Ship Power System

Jin Zhen1, Li Weijia1, Li Lin2

(1. School of Ship and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

TP391.9

A

1003-4862（2017）08-0033-05

2017-04-24

金珍（1992-），女，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統與計算機仿真。E-mail: jinzhen@hust.edu.cn

李維嘉（1964-），男，教授，博導。研究方向：液壓技術、機電液智能控制系統、機器人方面。