艦船電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真研究及實(shí)現(xiàn)

金 珍，李維嘉，李 霖

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艦船電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真研究及實(shí)現(xiàn)

金 珍1，李維嘉1，李 霖2

（1. 華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

艦船研制的方案設(shè)計(jì)階段，常常需要根據(jù)各個(gè)分系統(tǒng)的用電需求，配置電力系統(tǒng)的發(fā)、配電設(shè)備。本文采用參數(shù)化的數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬電力系統(tǒng)，并與液壓、運(yùn)動(dòng)操控、高壓空氣等子系統(tǒng)聯(lián)通，設(shè)計(jì)了基于用戶(hù)操作的仿真分析軟件，實(shí)現(xiàn)了電、液、氣、水等多學(xué)科的聯(lián)合仿真。根據(jù)仿真結(jié)果可以得到艦船系統(tǒng)的電能消耗，從而進(jìn)行艦船設(shè)計(jì)階段的電力設(shè)備選型。仿真軟件采用C#搭建軟件系統(tǒng)框架，采用SQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。仿真平臺(tái)具備快速性、準(zhǔn)確性、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)要求。

艦船 電力系統(tǒng) 聯(lián)合仿真 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)演示

0 引言

目前，艦船電力系統(tǒng)仿真主要是基于陸地電力系統(tǒng)仿真軟件來(lái)完成。例如MATLAB/Simulink、PSPICE和SABER等，但一般只用于原理性驗(yàn)證以及單模塊仿真，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的、聯(lián)合的數(shù)字化仿真，在輸出及圖形顯示方面不盡如人意，也實(shí)現(xiàn)不了快速響應(yīng)的目標(biāo)[[1]]。艦船電力系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)階段，還沒(méi)有一個(gè)合適的軟件，用于滿(mǎn)足快速性、準(zhǔn)確性要求的多領(lǐng)域聯(lián)合仿真的需要。

本文將結(jié)合方案設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)，研發(fā)一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)艦船電力系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、水路、氣路等多系統(tǒng)之間的聯(lián)合仿真的工程軟件，兼具快速響應(yīng)性、一定的準(zhǔn)確性以及準(zhǔn)動(dòng)態(tài)性能等特點(diǎn)，為艦船方案設(shè)計(jì)階段提供一個(gè)可供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行功能分析、驗(yàn)證、修改的實(shí)用性工具。

1 聯(lián)合仿真軟件的設(shè)計(jì)

艦船電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真的關(guān)鍵技術(shù)在于電力系統(tǒng)子模塊建模、電力系統(tǒng)與其他系統(tǒng)參數(shù)傳遞、以及軟件交互界面設(shè)計(jì)等。為此，本文在電力系統(tǒng)子模塊的建模過(guò)程中，采用參數(shù)化的數(shù)學(xué)模型，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)仿真分析過(guò)程中的參數(shù)修正需要；對(duì)于電力系統(tǒng)與操控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、高壓空氣系統(tǒng)等之間的參數(shù)傳遞，則基于各個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程中的電能需求，以電流為傳遞參數(shù)，將各個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)無(wú)縫聯(lián)接；軟件交互界面設(shè)計(jì)以應(yīng)用較為廣泛的VS2012為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于仿真軟件對(duì)圖形化顯示以及滿(mǎn)足數(shù)據(jù)庫(kù)的頻繁交互的需求，采用C#搭建系統(tǒng)框架，從而為用戶(hù)提供一個(gè)可進(jìn)行功能選擇、配置參數(shù)修改的實(shí)用性軟件。

2 艦船電力系統(tǒng)建模

艦船電力系統(tǒng)各部分的關(guān)系可用圖1表示。發(fā)電單元和配電系統(tǒng)相連，構(gòu)成船舶主電站，通過(guò)配電系統(tǒng)為電力推進(jìn)系統(tǒng)及艦船其他用電系統(tǒng)提供電能[2]。

圖1 艦船電力系統(tǒng)示意圖

針對(duì)配電系統(tǒng)對(duì)重要的負(fù)荷如電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行直接供電、對(duì)其他用電系統(tǒng)如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等通過(guò)船舶電網(wǎng)進(jìn)行配電的特點(diǎn)[3]，本文按配電系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)和其它系統(tǒng)進(jìn)行艦船電力系統(tǒng)的建模。

2.1配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)對(duì)電能進(jìn)行集中控制、分配和切換。在分配電能的過(guò)程中，配電系統(tǒng)把從電源發(fā)出的400 V電壓電源轉(zhuǎn)換為380 V、220 V、24 V三種不同電壓的電源，供不同設(shè)備使用。其中，電力推進(jìn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、燃油滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、日用水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)使用380 V電壓源，照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)則使用220 V電壓源，而24 V電壓源主要供給電子信息系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)中的低照度照明設(shè)備。配電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)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(tǒng)工作時(shí)的電流。

2.2電力推進(jìn)系統(tǒng)

電力推進(jìn)系統(tǒng)主要用于推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，其負(fù)載特性與船-機(jī)-槳的特性有關(guān)[4]。電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模如下。

2.2.1電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程

電動(dòng)機(jī)傳遞的是驅(qū)動(dòng)負(fù)荷需要的能量，從配電吸收的功率主要取決于轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械負(fù)荷[5]。電動(dòng)機(jī)的軸馬力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及輸出功率如公式(2)所示。

2.2.2螺旋槳轉(zhuǎn)矩方程

推進(jìn)電機(jī)經(jīng)軸系和減速裝置，帶動(dòng)螺旋槳工作從而為船身產(chǎn)生推進(jìn)力。螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩可用下列無(wú)因次數(shù)表示[6]。

式中，為推力，為轉(zhuǎn)矩，為海水密度，取1030 kg/m2。為旋槳轉(zhuǎn)速，為螺旋槳直徑，取5 m。對(duì)于螺旋槳的效率η也可以用K、K和進(jìn)速系數(shù)來(lái)表示，如公式（6）。

(5)

式中，為進(jìn)速系數(shù)：

其中，為伴流系數(shù)，為航速。根據(jù)螺旋槳的敞水特性及艦船運(yùn)動(dòng)方程理論可得，螺旋槳轉(zhuǎn)矩和推力方程為：

(7)

2.2.3電力推進(jìn)系統(tǒng)模型

電力推進(jìn)模塊與螺旋槳負(fù)載模塊之間的聯(lián)接是通過(guò)求解船機(jī)槳模型得到的。船槳數(shù)學(xué)模型根據(jù)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和航速推算出螺旋槳轉(zhuǎn)矩。將螺旋槳轉(zhuǎn)矩方程和推進(jìn)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩方程聯(lián)立，可以得到電力推進(jìn)系統(tǒng)功率消耗和船航速及螺旋槳轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

2.3艦船系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

圖2 電力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

基于艦船各個(gè)系統(tǒng)間的能量傳遞和耦合關(guān)系，將艦船電力系統(tǒng)和其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合建模，以模擬艦船在各個(gè)工況下的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)工作過(guò)程。聯(lián)合仿真模型如圖3所示。

艦船運(yùn)動(dòng)操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)艦船的操縱和控制。在各個(gè)系統(tǒng)對(duì)操控系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程中，需要有電能的供應(yīng)，此時(shí)艦船電力系統(tǒng)發(fā)揮作用[7]。艦船各個(gè)系統(tǒng)間也有其他參數(shù)的傳遞，如高壓空氣系統(tǒng)通過(guò)充氣體積來(lái)作用于啟閉升降系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)通過(guò)冷卻水流量來(lái)作用于燃油滑油系統(tǒng)。

圖3 聯(lián)合仿真模型

3 聯(lián)合仿真軟件及結(jié)果分析

3.1軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

圖形化軟件編程、面向?qū)ο蠹夹g(shù)以及面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)管理是現(xiàn)代艦船電力系統(tǒng)仿真分析軟件的發(fā)展趨勢(shì)和追求目標(biāo)。基于Microsoft Visual Studio 2012開(kāi)發(fā)環(huán)境具有靈活敏捷的開(kāi)發(fā)流程、強(qiáng)大的功能組件、強(qiáng)調(diào)用戶(hù)交互設(shè)計(jì)等特點(diǎn)[8]，采用這種開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)聯(lián)合仿真軟件。

艦船聯(lián)合仿真軟件交互界面設(shè)計(jì)如圖4所示。軟件操作界面由用戶(hù)管理界面、仿真系統(tǒng)界面、動(dòng)態(tài)顯示界面、日志管理界面組成。用戶(hù)管理界面服務(wù)于用戶(hù)，記錄用戶(hù)登錄信息及權(quán)限；仿真系統(tǒng)界面提供仿真接口、加載仿真模塊、進(jìn)行參數(shù)修改等；動(dòng)態(tài)顯示界面包括仿真過(guò)程監(jiān)控及仿真曲線(xiàn)顯示；日志管理界面記錄操作人員、操作設(shè)計(jì)等。

圖4 聯(lián)合仿真軟件交互界面設(shè)計(jì)

3.1.1主界面設(shè)計(jì)

聯(lián)合仿真軟件主界面如圖5所示。

主界面中心是由17個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的仿真系統(tǒng)界面，用戶(hù)可自行選中其中的某些相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)以原理圖動(dòng)態(tài)顯示在仿真界面上。在動(dòng)態(tài)顯示界面，可實(shí)現(xiàn)仿真的運(yùn)行、停止和過(guò)程監(jiān)控，同時(shí)仿真曲線(xiàn)也將實(shí)時(shí)顯示。在日志管理界面，可記錄操作者姓名，操作時(shí)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(shù)設(shè)置、用戶(hù)管理及幫助欄。

3.1.2子系統(tǒng)界面

在軟件的界面中，子系統(tǒng)仿真時(shí)，界面上以原理圖顯示其工作進(jìn)程，可設(shè)置和修改參數(shù)，滿(mǎn)足不同配置下的仿真需求。界面也實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄仿真過(guò)程曲線(xiàn)。以電力推進(jìn)子系統(tǒng)仿真界面為例，如圖6所示。

3.1.3參數(shù)配置界面

參數(shù)設(shè)置界面提供仿真參數(shù)配置及參數(shù)修改的入口。

圖5 仿真軟件主界面

在參數(shù)配置中，可根據(jù)艦船實(shí)際配置情況設(shè)置參數(shù)，也可保留初始的參數(shù)設(shè)置。仿真前以實(shí)際需求對(duì)部分仿真參數(shù)進(jìn)行修改，數(shù)據(jù)修改完成后由平臺(tái)自動(dòng)加載所有仿真數(shù)據(jù)。操控系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)在不同配置要求下，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速建模、重構(gòu)，滿(mǎn)足不同工況設(shè)定下的集成仿真需求，滿(mǎn)足總體多要素分析與優(yōu)化需求。參數(shù)配置界面可實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，對(duì)于系統(tǒng)不是很精通的用戶(hù)來(lái)講，參數(shù)可保持默認(rèn)值，也可進(jìn)行必要修改，如圖7所示。

3.2仿真結(jié)果分析

現(xiàn)以某潛艇的數(shù)據(jù)為例，部分參數(shù)在參數(shù)配置界面按表1進(jìn)行設(shè)置，加載仿真數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)艇身從水面下降到水下50 m、航速由0節(jié)變化到8節(jié)的過(guò)程。部分參數(shù)如表1。

參數(shù)設(shè)置完成后，可以快速地獲得艦船動(dòng)態(tài)工作過(guò)程的仿真。為了更好地適應(yīng)不同監(jiān)控值之間的數(shù)量級(jí)上的差異性，仿真數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)因次處理，著重顯示數(shù)值的變化趨勢(shì)。詳細(xì)的仿真數(shù)據(jù)可以通過(guò)excel表格導(dǎo)出，以便對(duì)仿真實(shí)例進(jìn)行具體分析。仿真動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)如圖8所示。

圖6 電力推進(jìn)系統(tǒng)界面

圖 7 參數(shù)配置界面

表1 參數(shù)設(shè)置

圖8顯示了五條曲線(xiàn)變化，分別是艏舵舵角、艏舵負(fù)載功率、深度變化、航速、總輸入功率。仿真結(jié)果動(dòng)態(tài)地顯示了各個(gè)子系統(tǒng)變化的過(guò)程，給出了各個(gè)子系統(tǒng)的用電需求和整個(gè)潛艇的用電需求。如果將各個(gè)子模塊設(shè)置在最大工況運(yùn)行下，將得到整個(gè)潛艇的用電需求峰值，從而為設(shè)計(jì)階段發(fā)電和配電裝置的選型提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)船舶上各個(gè)子系統(tǒng)的建模仿真通常都是獨(dú)立離線(xiàn)的情況，本文通過(guò)對(duì)船舶電力系統(tǒng)的研究分析，以電力消耗為基礎(chǔ)，進(jìn)行系統(tǒng)間的接口設(shè)計(jì)，將船舶各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合建模，搭建仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了艦船電力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、水路系統(tǒng)等多個(gè)學(xué)科的快速的、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的聯(lián)合仿真。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的聯(lián)合仿真軟件界面簡(jiǎn)潔、操作便捷，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的仿真需求。仿真結(jié)果可以為艦船方案設(shè)計(jì)階段的發(fā)電、配電裝置的選型提供參考依據(jù)。

圖8 仿真結(jié)果

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

[2] 馬運(yùn)義, 許建. 現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)原理與技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2012.

[3] 張威, 施偉鋒, 張俊深. 船舶區(qū)域配電系統(tǒng)建模與故障仿真分析[J]. 中國(guó)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(tǒng)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013.

[6] 盛振邦, 劉應(yīng)中. 船舶原理[M]. 上海: 上海交通大學(xué)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(yè)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(tǒng)與計(jì)算機(jī)仿真。E-mail: jinzhen@hust.edu.cn

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