基于LabVIEW 船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒成，吳強(qiáng)，王亞楠

(1 海軍工程大學(xué)電氣工程系，湖北武漢430033;2 北海艦隊(duì)裝備部艦船總體處，山東青島266071)

0 引言

船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，模擬船舶機(jī)艙的機(jī)、電等設(shè)備的動(dòng)態(tài)過程來培訓(xùn)輪機(jī)管理人員的仿真訓(xùn)練器［1］。傳統(tǒng)的船舶電站仿真訓(xùn)練模擬器開發(fā)工作量大、軟硬件通訊復(fù)雜繁瑣。本文嘗試采用一種新的軟件開發(fā)平臺-LabVIEW 來進(jìn)行船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)。

LabVIEW 是虛擬儀器概念的首創(chuàng)者，其界面形象逼真，可以形象模擬真實(shí)儀器的操作界面。在LabVIEW 環(huán)境下可以開發(fā)出數(shù)據(jù)管理、科學(xué)計(jì)算等方面的優(yōu)秀的應(yīng)用程序［2］。LabVIEW 支持PCI、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485、USB 等各種先進(jìn)的儀器通信總線，能驅(qū)動(dòng)不同的總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備和儀器，幾乎能與任何接口的硬件連接，可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場總線通訊以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫連接［3，4］。

本文根據(jù)船舶訓(xùn)練模擬器的設(shè)計(jì)需要，利用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在LabVIEW 平臺下設(shè)計(jì)了船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該訓(xùn)練系統(tǒng)界面友好、功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)采集硬件配置靈活，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 仿真訓(xùn)練系統(tǒng)硬件與軟件結(jié)構(gòu)

1.1 仿真訓(xùn)練系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬船舶機(jī)艙的機(jī)電設(shè)備的動(dòng)態(tài)過程，來培訓(xùn)輪機(jī)管理人員的仿真訓(xùn)練器。船舶電站仿真機(jī)由兩大部分組成，即硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。圖1為本文研究船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可以看出硬件系統(tǒng)由下列設(shè)備構(gòu)成。

(1)教控臺

由教練員計(jì)算機(jī)組成。安裝有教控功能軟件、訓(xùn)練管理軟件和數(shù)據(jù)通信軟件等，主要完成模擬訓(xùn)練過程管理任務(wù)。

(2)仿真服務(wù)器

由一臺微型計(jì)算機(jī)組成，主要完成仿真模型運(yùn)算任務(wù)。

(3)操縱臺屏

操縱臺屏由操縱與結(jié)構(gòu)顯示板、機(jī)旁控制箱、電站主配電板和電站集控臺等組成。用于人員模擬實(shí)際船舶的操作，操作動(dòng)作由數(shù)據(jù)采集卡采集并經(jīng)由三臺工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

(4)軟界面計(jì)算機(jī)

軟界面計(jì)算機(jī)4 臺，分別安裝前后電站負(fù)載屏、電力網(wǎng)絡(luò)和配電設(shè)備操縱臺屏虛擬界面軟件。

(5)輔助教學(xué)設(shè)備

由打印機(jī)、投影儀、音響系統(tǒng)等組成，用來演示教學(xué)過程，展示設(shè)備聲光效果，打印訓(xùn)練成績及訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

(6)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

由一臺交換機(jī)及若干網(wǎng)線組成，用于各計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)通信。計(jì)算機(jī)間采用100 BASE-T 快速以太網(wǎng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1.2 仿真訓(xùn)練系統(tǒng)軟件組成

本仿真訓(xùn)練系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中包括虛擬臺屏軟件，數(shù)據(jù)采集軟件、仿真模型軟件、教控功能軟件以及數(shù)據(jù)通訊軟件。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

虛擬臺屏軟件是用LabVIEW 開發(fā)的XControl 控件，提供一個(gè)仿真平臺對用戶定義變量的操作接口，控件通過內(nèi)存共享的方式訪問數(shù)據(jù)通信軟件所提供的變量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)通信軟件通過網(wǎng)絡(luò)方式與數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸外部I/O 變量數(shù)據(jù)并響應(yīng)教控功能軟件發(fā)送的操作指令。

數(shù)據(jù)采集軟件訪問采集卡，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)方式將采集數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)通信軟件和輸出接收的數(shù)據(jù)至采集卡。

教控功能軟件具有教練員科目設(shè)置、運(yùn)行、凍結(jié)推出等運(yùn)行控制功能。

2 發(fā)電機(jī)組短路過程理論分析［5，6］

2.1 發(fā)電機(jī)組建模

對于發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)仿真，實(shí)質(zhì)上是對其數(shù)學(xué)模型的求解。本文采用d-q 坐標(biāo)系下的全階數(shù)學(xué)模型。發(fā)電機(jī)的電壓方程如式(1)所示

為了運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)對同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，需要將發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間方程。選用的狀態(tài)變量不同，狀態(tài)空間方程也是不同的。本文以電流的派克分量為狀態(tài)變量，寫出短路故障過程所用同步電機(jī)的狀態(tài)空間方程如式(3)所示。

2.2 發(fā)電機(jī)突然三相短路分析

發(fā)電機(jī)突然三相短路，實(shí)際上是一種瞬變過程。由于電磁方面的瞬變過程比其他方面的瞬變過程要快得多，因此可近似地認(rèn)為電磁瞬變過程中其他分量保持不變。為此，本文在討論短路之前，作以下三點(diǎn)假設(shè)。

(1)暫態(tài)過程中同步發(fā)電機(jī)保持同步轉(zhuǎn)速，即不考慮機(jī)械暫態(tài)過程;

(2)發(fā)生短路后勵(lì)磁電壓始終保持不變;(3)短路發(fā)生在出線端口。

發(fā)電機(jī)短路過程中各繞組中的電流由短路前的負(fù)載電流和因短路而出現(xiàn)的各繞組電流變化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ組成。

運(yùn)用計(jì)算機(jī)計(jì)算三相短路時(shí)，采用疊加原理。首先明確短路前電機(jī)端電壓和定子繞組電流的正、交軸分量。由短路前電機(jī)端電壓、定子繞組電流以及短路前的功率因數(shù)角，可求得短路前的功率角，計(jì)算公式如式(4)所示。

然后可進(jìn)行因突然短路而出現(xiàn)的各繞組電流變化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ的計(jì)算。

電流變化量的計(jì)算采用發(fā)電機(jī)的狀態(tài)空間方程，由于是三相短路，所以方程中不存在零軸分量。因此三相短路時(shí)發(fā)電機(jī)電壓電流的計(jì)算公式如下

在勵(lì)磁電壓不可調(diào)的前提下，由于發(fā)電機(jī)三相短路過程中d-q 軸的電壓為零，因此電流變化量Δid、Δiq、Δif、ΔiD、ΔiQ必須產(chǎn)生與初始相反的穩(wěn)定電壓。即

3 發(fā)電機(jī)組三相短路過程仿真

3.1 發(fā)電機(jī)組短路仿真

發(fā)電機(jī)組短路過程的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)質(zhì)上是初值條件下一個(gè)常系數(shù)微分方程組的求解問題。其計(jì)算方法很多，例如改進(jìn)歐拉法、龍格-庫塔法、預(yù)測-校正法等［7］。計(jì)算三相短路時(shí)，宜采用較精確的方法。本文采用四階龍格-庫塔法對發(fā)電機(jī)的三相短路進(jìn)行仿真計(jì)算。發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

原始運(yùn)行條件，即額定負(fù)載條件:u［0］=1，i［0］=1，φ［0］=0.5548。

短路時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角θ0=3.1416，仿真過程如圖3 所示。

圖3 發(fā)電機(jī)突然三相短路仿真流程圖

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的分析推導(dǎo)可得出發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)定子繞組電流的計(jì)算公式如下

3.2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)以上分析和計(jì)算，借助于船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，繪制出發(fā)電機(jī)額定負(fù)載三相短路電流的仿真曲線，如圖4 所示。同時(shí)利用Matlab 強(qiáng)大的計(jì)算功能，根據(jù)文獻(xiàn)［5］推導(dǎo)出的公式，用解析法繪制出額定負(fù)載下發(fā)電機(jī)三相突然短路過程的計(jì)算曲線，如圖5 所示。

圖4 基于訓(xùn)練系統(tǒng)三相短路仿真曲線

圖5 基于Matlab 解析法三相短路計(jì)算曲線

通過比較LabVIEW 的仿真結(jié)果圖4 和Matlab 的計(jì)算結(jié)果圖5，可以得出以下結(jié)論

(1)該船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)仿真出來的額定負(fù)載下三相突然短路的電流變化曲線與用Matlab 解析法繪出的仿真曲線變化趨勢是相似的，仿真訓(xùn)練系統(tǒng)繪出的a 相短路電流最大值為9.5 倍標(biāo)幺值，而Matlab 解析法的計(jì)算得到的該電流最大值為9.7 倍標(biāo)幺值，誤差為2.1%。仿真訓(xùn)練系統(tǒng)繪出的b 相短路電流最大值為8.9 倍標(biāo)幺值，而Matlab 解析法的計(jì)算得到的該電流最大值為8.1 倍標(biāo)幺值，誤差為9.88%。誤差在允許范圍內(nèi)。船舶電站訓(xùn)練仿真系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的精度要求。

(2)從仿真曲線可以看出，本文研究的船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)以一毫秒為一個(gè)計(jì)算周期，這在船舶電站仿真訓(xùn)練模擬器是一個(gè)極小的計(jì)算周期，極大地滿足了船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。

4 結(jié)語

本文在LabVIEW 平臺上構(gòu)建的船舶電站訓(xùn)練模擬器具有較高的仿真精度并且實(shí)時(shí)性良好，能夠模擬船舶電站的各種運(yùn)行工況，能夠?qū)崟r(shí)地反應(yīng)船舶電站的機(jī)電設(shè)備動(dòng)態(tài)過程。優(yōu)秀的界面設(shè)計(jì)功能在一定程度上代替半實(shí)物設(shè)備，節(jié)省了開發(fā)費(fèi)用。實(shí)踐證明該船舶電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)能夠很好地完成對船員的培訓(xùn)。

［1］ 葉偉強(qiáng).艦船電站仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.大連海事大學(xué)，2002.3.

［2］ 陳樹學(xué)，劉萱. LabVIEW 寶典［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［3］ 王曉蘭.基于LabVIEW 的風(fēng)力機(jī)模擬裝置上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣自動(dòng)化，2012，34(2):28-30.

［4］ 賀鵬飛.基于LabVIEW 的船舶電站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.華中科技大學(xué)，2006:13-17.

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［6］ 倪以信，陳壽孫，張寶霖.動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

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