動(dòng)力定位船舶推進(jìn)器速度跟蹤半實(shí)物模擬系統(tǒng)研發(fā)

曾步輝，吳德烽

動(dòng)力定位船舶推進(jìn)器速度跟蹤半實(shí)物模擬系統(tǒng)研發(fā)

曾步輝，吳德烽

(1. 集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2. 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System, DPS)主要由測量子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和推進(jìn)子系統(tǒng)組成。本文在前期研究基礎(chǔ)上，結(jié)合推進(jìn)器速度跟蹤控制方法，采用發(fā)電機(jī)+可調(diào)負(fù)載的模式模擬未知海況下變化的負(fù)載，研發(fā)了C#和調(diào)速系統(tǒng)的通信接口，同時(shí)采用轉(zhuǎn)速傳感器反饋推進(jìn)器的實(shí)際轉(zhuǎn)速并在軟件界面上顯示。通過研發(fā)實(shí)際的半實(shí)物模擬系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在負(fù)載擾動(dòng)下，模擬系統(tǒng)能夠有效地跟蹤推力分配發(fā)出的速度指令信號(hào)。

動(dòng)力定位系統(tǒng) 推進(jìn)器局部控制器 半實(shí)物仿真 變頻調(diào)速

0 引言

諸多海洋資源開發(fā)活動(dòng)需要船舶安全可靠地在海洋環(huán)境下以設(shè)定的位置和艏向維持在海平面上，從而完成海上作業(yè)，動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System, 簡寫DPS)即是其不可缺少的支持系統(tǒng)[1]。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)主要由測量子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和推進(jìn)子系統(tǒng)組成?？刂谱酉到y(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出船舶保持期望位置與艏向所需要的控制力向量，即水平力和艏搖彎矩，所需的控制力向量經(jīng)推力分配，得到各個(gè)推進(jìn)器的推力和方向指令，將推進(jìn)器推力映射到推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而底層推進(jìn)器控制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速，達(dá)到船舶定位的目的。推力分配系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)的重要組成部分，是動(dòng)力定位系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其作用是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的一系列推力指令，推力分配算法將期望的合力和合力矩分配給各個(gè)推進(jìn)器[2,3]，形成一個(gè)時(shí)變合力與合力矩，以抵消外在的時(shí)變環(huán)境載荷[3,4]。

推力分配算法將期望的合力和合力矩分配給各個(gè)推進(jìn)器后，各個(gè)推進(jìn)器得到所產(chǎn)生推力的指令，而后通過推進(jìn)器的局部控制器調(diào)節(jié)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速，以此達(dá)到實(shí)現(xiàn)期望推力的目的[5]。船舶動(dòng)力定位中的推進(jìn)器主要有槽道推進(jìn)器、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和吊艙推進(jìn)器等幾種。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和槽道式推進(jìn)器在動(dòng)力定位系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。作為動(dòng)力動(dòng)力系統(tǒng)完成定點(diǎn)定位任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其產(chǎn)生推力的準(zhǔn)確性、運(yùn)行的可靠性和安全性關(guān)系到動(dòng)力定位船的生存，是成功完成海上特殊作業(yè)的重要保障，因此推進(jìn)器控制具有重要作用。

推進(jìn)器控制屬于動(dòng)力定位中的底層控制[6]，已有多位學(xué)者對(duì)推進(jìn)器建?？刂婆c仿真取得研究成果。文獻(xiàn)[7]考慮了螺旋槳的空泡效應(yīng)，設(shè)計(jì)了推進(jìn)器的控制器。文獻(xiàn)[8]提出一種基于Matlab Stateflow工具箱的動(dòng)力定位分層控制系統(tǒng)建模方法,使仿真研究具有現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[9]基于開發(fā)了基于simulink動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)，可以有效仿真底層推進(jìn)器控制。

然而，上述研究成果均局限于純軟件仿真，未能結(jié)合推進(jìn)器具體對(duì)象進(jìn)行半實(shí)物仿真。為此，本文在課題組前期開發(fā)的船舶動(dòng)力定位推力分配仿真系統(tǒng)[10]基礎(chǔ)上，采用三相異步電機(jī)作為推進(jìn)器實(shí)物模型，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)和發(fā)電機(jī)負(fù)載,更好地在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下研究動(dòng)力定位推進(jìn)系統(tǒng)。

1 動(dòng)力定位推進(jìn)器速度跟蹤模擬系統(tǒng)的 組成

2 推進(jìn)器推力可變模擬系統(tǒng)

2.1 推進(jìn)器推力與轉(zhuǎn)速的映射關(guān)系

船舶定點(diǎn)控位的設(shè)定值為大地坐標(biāo)系下的某一點(diǎn)，當(dāng)船舶偏離設(shè)定位置時(shí)，動(dòng)力定位系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制船舶移動(dòng)其設(shè)定位置，并保持精確位置。

圖1 推力控制器的結(jié)構(gòu)框圖

2.2 負(fù)載擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法

將未知海況的影響，映射到螺旋槳的負(fù)載擾動(dòng)，我們認(rèn)為該負(fù)載擾動(dòng)有界。采用電動(dòng)機(jī)連接可變電阻和可變電感，通過改變可變電阻和可變電感連接在負(fù)載上的值，可模擬出未知海況下的負(fù)載有界擾動(dòng)情況。推進(jìn)模擬系統(tǒng)如圖2所示。硬件配置如下：控制器型號(hào)：S7-200CN SIEMENS；變頻器型號(hào)，MICROMASTER 420，3 kW；電動(dòng)機(jī)型號(hào)；Y100L1-4，2.2 kW，380V，1420 r/m；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器型號(hào)：JSC-100 測量范圍0-600 r/m；發(fā)電機(jī)型號(hào)：STC-5.5 kW，1500 r/m，9 A；可變電阻型號(hào)：BX8-37 0.75-2.3 A 96-288 Ω；分段電阻型號(hào)：RX-F 4 kW，36 Ω；可調(diào)電感型號(hào)： TSGC2 WDFKDG 500 VAR；

圖2 推進(jìn)模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 半實(shí)物推進(jìn)模擬系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3是半實(shí)物推進(jìn)模擬系統(tǒng)實(shí)物圖，將USB-RS232轉(zhuǎn)RS485 接在計(jì)算機(jī)串口和變頻器上，啟動(dòng)MM420的調(diào)試軟件DriveMonitor。從軟件中看到連接狀態(tài)為：“Connection with dvice”表示通信接線成功。

將PC與變頻器相連接進(jìn)行USS通信前，設(shè)定P0700=5，P1000=5 （MM420默認(rèn)頻率設(shè)置為50 Hz，表示為100％輸出）此時(shí)切換為遠(yuǎn)程控制，變頻器MM420的BOP面板啟停按鈕將鎖定。

通信前試用串口調(diào)試軟件進(jìn)行通信測試工作，試發(fā)送停止報(bào)文內(nèi)容“02 0E 05 00 00 00 00 00 00 00 00 04 7E 00 00 73” 反饋報(bào)文為“02 0A 05 00 00 00 FB 31 00 00 C7”表示工作正常。

本論文中，考慮到船舶動(dòng)力定位過程中推進(jìn)器轉(zhuǎn)速不高，因此設(shè)定期望最高轉(zhuǎn)速為80 r/min，對(duì)應(yīng)的頻域約為2.67 Hz，定位過程中轉(zhuǎn)速低至10 r/min 為小于0.5 Hz運(yùn)行頻率。若變頻器在低頻率下運(yùn)行較長時(shí)間，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。所以在變頻調(diào)速過程中采用3組不同的頻率段進(jìn)行測試。分別由3.0 -0.5 Hz，5 -2.5 Hz，7.5 -2.5 Hz組成。變頻器的升速降速時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為5 s。

為了驗(yàn)證速度跟蹤效果，需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)速器反饋得到多組不同頻率的數(shù)據(jù)組，限于篇幅，僅給出圖4，從圖4中可以看出，從轉(zhuǎn)速與時(shí)間關(guān)系的數(shù)據(jù)折線圖中分析曲線的大致趨勢可以判斷出當(dāng)模擬器轉(zhuǎn)速上升或者下降時(shí)，變頻器也會(huì)根據(jù)命令做出響應(yīng)來進(jìn)行升速或者降速。

圖5給出的是某次動(dòng)力定位過程中的推進(jìn)器的推力曲線，及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，特別的，給出了推進(jìn)器的期望轉(zhuǎn)速和實(shí)際反饋的轉(zhuǎn)速。因此，從實(shí)驗(yàn)中能夠看到：隨著船舶動(dòng)力推進(jìn)模擬器中發(fā)出給定轉(zhuǎn)速的變化，變頻器能夠運(yùn)行在相應(yīng)的頻率段，從而推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速能調(diào)速至期望轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器速度的跟蹤。

圖4 變頻器中轉(zhuǎn)速信號(hào)

圖5 推力速度跟蹤模擬系統(tǒng)界面效果

4 結(jié)語

研發(fā)硬件在環(huán)的船舶動(dòng)力定位模擬器需要消化吸收其所包含的諸多關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下動(dòng)力定位推進(jìn)器推力模擬可變，結(jié)合推進(jìn)器速度跟蹤控制方法，采用發(fā)電機(jī)+可調(diào)負(fù)載的模式模擬未知海況下變化的負(fù)載。通過推進(jìn)器推力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，設(shè)計(jì)推進(jìn)器模擬調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到模擬海洋環(huán)境變化下推進(jìn)器推力可變的目的。研發(fā)動(dòng)力定位模擬器和推進(jìn)器速度跟蹤系統(tǒng)的通訊接口，進(jìn)一步和前期研發(fā)的動(dòng)力定位推力分配仿真配合形成硬件在環(huán)的速度跟蹤模擬系統(tǒng)。

通過研發(fā)實(shí)際的模擬系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在負(fù)載擾動(dòng)下，該推進(jìn)器速度跟蹤模擬系統(tǒng)能夠有效地跟蹤推力分配發(fā)出的速度指令信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)船舶動(dòng)力定位推力系統(tǒng)的研發(fā)。

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Development of thruster speed tracking semi-physical simulation system for dynamic positioning vessels

Zeng Buhui, Wu Defeng

(1. School of Marine Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China; 2. Fujian Provincial Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering, Xiamen 361021, Fujian, China)

U664

A

1003-4862（2023）11-0039-04

2023-06-23

福建省杰出青年科學(xué)基金(2022J06025)。

曾步輝(1973-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事船舶電氣自動(dòng)化方面的研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。Email:zengbuhui@126.com。

吳德烽(1984-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能船舶技術(shù)研究。Email: arcwdf@gmail.com。