1系统原理

1.1串联有源超前校正装置

笔者在本文的研究过程中通过有源校正网络来进行研究，以便对系统直流增益的不足予以相应的补偿。

1.2电动机启动系统

通过螺旋桨转速环和电动机转矩环来有效的控制异步电动机带螺旋桨的启动过程。对启动时间的控制主要是利用对电动机转速的上升以及下降时间的修改来实现。若启动时间太短，会导致电机转矩过载情况的出现；若启动时间太长，难以达到控制系统的性能指标。因此，必须合理的优化控制环节的PI参数。但需要注意的是，通常情况下调整优化PI参数会极为困难和繁琐，为此，需要通过系统超前校正来提高船舶控制系统的性能指标。

2实例分析

现针对某型电力推进船舶中电动机带螺旋桨启动过程的控制系统进行分析。该船为电力推进的双体游览客船，设计航速10kn。主推进电机是2套鼠笼式感应推进电动机，采用变频驱动，额定电压为380V/50Hz，额定功率为200kW，额定转速1485r/min。螺旋桨为2只MAU型4叶定距桨，额定转速为420r/min，螺旋桨惯性矩为12.37kg·m2。利用matlab软件构建电动机带螺旋桨启动控制系统仿真框图如图1所示。实际设备中，主推电机的额定功率为200kW，并考虑110%的过载，转矩限制为1415N·m，换算到螺旋桨端的转矩限制为5000N·m。为使系统具备良好的启动性能，则要求在尽量短的启动时间情况下，不会造成电机转矩过载。根据船舶的航速设定，经过初步的PI参数调节，按照固定上升斜率调节电动机的转速，仿真可得启动过程中电机转矩和螺旋桨转速的变化趋势，如图2图3所示。由图3可见，在电动机带螺旋桨启动过程中，电机转矩超出了限制值。同时由图3可以看出，螺旋桨转速具有较大的超调量，存在电机转速超速的情况。根据仿真结果可以判定，初步的PI参数调节无法满足控制系统的设计要求。然而，PI参数的调节并无直接的计算公式可以参考，只能根据仿真结果的变化趋势逐步进行试凑，进而获得较理想的控制性能。不可避免的是这个过程会比较繁琐，同时需要较丰富的工程经验才能较为迅捷地选定合适的PI参数，给实际的系统设计带来诸多不便。为满足控制系统电机转矩幅值低于5000N·m，且尽可能缩短螺旋桨转速达到稳定的时间，考虑在PI调节环节前串入超前校正网络。

图1电动机带螺旋桨启动控制系统框图

图2启动过程电机转矩

图3启动过程螺旋桨转速

3电力推进船舶控制系统的设计要点

3.1推进控制器(PRC)

推进控制器直接面向主推进变频器装置,主要包括起停控制、工作模式选择、转速连续调节、自动停车、联锁保护、功率限制、应急保护等功能。推进控制器在控制主推进装置变频器升降速的过程中,必须保证传动机械的正常运转,保证电网供电的平稳。变频器起停控制必须与全回转车钟“手柄不在零位”的信号联锁,并能对错误的操作流程发出声光报警信号。推进控制器输出开关量信号选择变频器的工作模式:功率模式、速度模式和转矩模式,推进控制器必须保证同一时刻只输出一种模式选择信号,推进变频器自身实现操作模式的无级切换。推进控制器能够根据全回转车钟的转速指令,从零功率到满功率连续调节螺旋桨转速,其中包含了临界转速避让功能。主推进变频器通常都内置PID转速控制器,为了兼容不具有PID控制器的变频器,笔者设计的推进控制器也设计了闭环控制功能,通过参数设置可以开启该功能。综合电力推进系统将发电机组、主配电板、变频器和推进电动机看成一个整体,为了能让发电机的负载保持稳定,“推进功率限制”控制器将根据运行在电网上的发电机的实际容量限制每套推进装置的负载,在主推进需求负载发生突然变化的情况下,该控制器向主推进控制系统发出功率限制信号。

3.2助航设备控制器(SAC)

助航设备控制器提供航迹设备接口、自动导航系统接口和航行数据记录仪接口。航迹设备接口接收计程仪的脉冲信号或GPS的串行通信信号,助航设备控制器自动解析当前航速,当航速在10kn以下时,推进控制系统进入“机动模式”;当航速在10kn以上时,推进控制系统进入“巡航模式”。自动导航系统接口包括与动力定位系统(DP)、独立手柄操作系统(Joystick)、自动舵系统和电子海图系统的接口,能够接收和应答自动导航设备的控制权请求信号,接收自动导航设备的转舵控制指令转发给转舵控制器,将舵角反馈信号回送给自动导航设备。另外,当助航设备控制器从控制总线上接收到推进控制器发出的“减功率”信号时,将“减功率”信号转发给DP系统。助航设备控制器为船舶航行数据记录仪提供了一组开关量接口,包括指示哪种自动导航系统掌握控制权的开关量接口和指示当前航行模式的开关量接口,使记录仪能够定时记录推进控制系统的运行状况。

3.3遥控操纵板和安全保护报警灯板

就地操纵板不经过主控制柜,直接与主推进装置变频器和转舵变频器接口,所有控制信号通过硬线连接,包括非随动应急转速控制、非随动转舵控制和应急停车等功能,实现了电力推进系统的应急后备操控能力。驾驶室控制台是主控制区,驾驶室主操纵板在各种遥控操纵板中享有操作位置选择的第一优先权,能够进行操作位置转换、自动导航设备控制权请求、变频器起停、转速随动和非随动控制、转舵随动和非随动控制、自动停车和应急停车等操作,配有轴锁定、减功率、系统故障等设备状态指示灯和舵角指示器、螺旋桨转速表、可用功率表等仪表。驾驶室舷翼操纵板能够显示所有设备的运行状态,但只具有应急停车功能。机舱集控室操纵板能够进行操作位置转换、变频器起停、转速随动控制、转舵随动控制、自动停车和应急停车等操作,也配置了各种仪表和设备状态指示灯。安全保护报警灯板布置在驾驶室主操纵板和机舱集控室操纵板的上方,嵌入式安装在驾控台和集控台的斜面上,安全保护报警灯板主要显示电力推进装置辅助设备的故障信息,包括润滑油单元、转舵变频器和重力油柜等设备的报警信号。

结束语

笔者在本文的研究分析活动中，基于超前相位校正原理，对电力推进船舶控制系统的设计与校正进行了相应的设计，以便能够达到控制系统性能要求。通过仿真活动后，能够发现在增加校正网络之后，能够更为理想的控制电机转矩幅值，促使螺旋桨转速实现更加平滑的变化，从而更为有效的优化系统的控制性能指标。

参考文献

[1]DrielsM.金爱娟,李少龙,李航天,译.线性控制系统工程[M].北京:清华大学出版社,2017.

[2]梁丽娟.利用MATLAB基于频率法实现系统串联校正[J].中国科技信息,2018(01):135-137.