電力推進船舶控制系統的設計與校正研究

吳 佩 龐 路

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司 廣州 510727；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

引 言

采用電力推進系統的游船具有舒適性高、自動化程度高等特點，這對船舶控制系統有著更高的要求。尤其在電動機帶螺旋槳啟動過程中，過高的電機轉矩及過高的螺旋槳轉速均會對系統造成極為不利的影響，甚或是不可逆的損害。如何實現平滑、低振蕩的控制要求，在電動機帶螺旋槳啟動過程中顯得尤為重要。此時可考慮采用調整前向通道增益來達到某些要求，如最大允許超調量、最大允許穩態誤差等。但是，單個增益值通常不能同時滿足系統多個性能指標的要求。較為常見的一種改善措施為相位超前校正，即在前向通道串聯一個校正環節以滿足性能指標要求。

本文根據相位超前校正原理，對某游船電力推進系統異步電動機帶螺旋槳啟動過程進行研究，設計串聯有源超前校正裝置來滿足控制系統性能要求。

1 系統原理

1.1 串聯有源超前校正裝置

超前校正設計中，有源校正網絡的設計中參數設計受到的約束較小，而且校正網絡增益可以大于1，可補償原系統直流增益的不足［2］，故本次研究采用有源校正網絡。

1.2 電動機啟動系統

典型游船電力推進系統中，異步電動機帶螺旋槳啟動過程采用電機轉矩及螺旋槳轉速閉環控制，可表示為圖1所示的框圖。

圖1 控制系統示意圖

控制系統中，可通過修改電動機轉速上升和下降時間來決定啟動時間的長短。在啟動過程中，如果時間過短，會造成電機轉矩過載；若時間過長，又無法滿足性能要求。所以，通常需要對控制環節中的PI參數進行調整以滿足設計需要。然而實際調試過程中，由于某些原因，PI參數調節過程會非常繁瑣。此時，可在初步調節的基礎上，配合使用系統超前校正的方法，使系統滿足控制性能要求，縮短調試周期，提高控制精度。

2 實例分析

現針對某型電力推進船舶中電動機帶螺旋槳啟動過程的控制系統進行分析。

該船為電力推進的雙體游覽客船，設計航速10 kn。主推進電機是2套鼠籠式感應推進電動機，采用變頻驅動，額定電壓為380 V/50 Hz，額定功率為200 kW，額定轉速1 485 r/min。螺旋槳為2只MAU型4葉定距槳，額定轉速為420 r/min，螺旋槳慣性矩為12.37 kg·m2。

利用matlab軟件構建電動機帶螺旋槳啟動控制系統仿真框圖如圖2所示。

圖2 電動機帶螺旋槳啟動控制系統框圖

實際設備中，主推電機的額定功率為200 kW，并考慮110%的過載，轉矩限制為1 415 N·m，換算到螺旋槳端的轉矩限制為5 000 N·m。為使系統具備良好的啟動性能，則要求在盡量短的啟動時間情況下，不會造成電機轉矩過載。

根據船舶的航速設定，經過初步的PI參數調節，按照固定上升斜率調節電動機的轉速，仿真可得啟動過程中電機轉矩和螺旋槳轉速的變化趨勢，如圖3、圖4所示。

圖3 啟動過程電機轉矩

由圖3可見，在電動機帶螺旋槳啟動過程中，電機轉矩超出了限制值。同時由圖4可以看出，螺旋槳轉速具有較大的超調量，存在電機轉速超速的情況。

根據仿真結果可以判定，初步的PI參數調節無法滿足控制系統的設計要求。然而，PI參數的調節并無直接的計算公式可以參考，只能根據仿真結果的變化趨勢逐步進行試湊，進而獲得較理想的控制性能。不可避免的是這個過程會比較繁瑣，同時需要較豐富的工程經驗才能較為迅捷地選定合適的PI參數，給實際的系統設計帶來諸多不便。

圖4 啟動過程螺旋槳轉速

為滿足控制系統電機轉矩幅值低于5 000 N·m，且盡可能縮短螺旋槳轉速達到穩定的時間，考慮在PI調節環節前串入超前校正網絡。

參考文獻［3-4］中提出的方法，計算的校正傳遞函數為：

校正裝置的參數：α=0.736，β=0.113 2。

利用Matlab軟件構建其系統仿真框圖如圖5所示。

圖5 校正后電動機帶螺旋槳啟動控制系統框圖

仿真結果見下頁圖6、圖7。

對比圖3與圖6，可以看出，串聯超前校正網絡后，可有效限制電機轉矩幅值，滿足控制系統要求。同時，對比圖4與圖7可以看出，電動機帶螺旋槳啟動過程中，螺旋槳轉速達到穩定的時間有略微增加，但依然可滿足常規設計經驗要求。

圖6 校正后啟動過程電機轉矩

圖7 校正后啟動過程螺旋槳轉速

3 結 論

本文根據相位超前校正原理，設計有源超前校正裝置串聯船舶推進異步電動機帶螺旋槳啟動過程控制系統，以滿足系統性能要求。仿真結果可證實，添加所設計的校正網絡環節后，系統的電機轉矩幅值得到有效限制，螺旋槳轉速變化更為平滑，確實有助于改善系統的瞬態響應。

［參考文獻］

［1］ 丁偉玲，孫立軍. 基于MATLAB的相位超前校正系統實現［J］. 農業科技與裝備. 2015（7）：40-42.

［2］ Driels M.線性控制系統工程［M］. 金愛娟，李少龍，李航天，譯. 北京：清華大學出版社，2005.

［3］ 梁麗娟. 利用MATLAB基于頻率法實現系統串聯校正［J］. 中國科技信息，2013（1）：135-137.

［4］ 張文，陳建萍，袁新娣，等. 應用MATLAB實現自動控制系統的頻域法校正［J］. 廣東技術師范學院學報，2014（3）：12-14.