螺旋槳負(fù)載的建模與仿真

螺旋槳負(fù)載的建模與仿真

0槳模擬系統(tǒng)仿真近年來，負(fù)載模擬的發(fā)展相對(duì)成熟。目前，有許多便攜式的負(fù)載模擬設(shè)備。但是，由于螺旋槳在運(yùn)行時(shí)受到種種條件的影響，仿真比較困難。目前對(duì)螺旋槳模擬多采用將其按比例縮小后放入一個(gè)水槽中運(yùn)行進(jìn)行研究，這種裝置設(shè)備龐大、費(fèi)用昂貴，不適合小型研究及實(shí)驗(yàn)室教學(xué)使用。這里我們提出一種新方案，即用直流電機(jī)來模擬螺旋槳負(fù)載，通過微機(jī)控制直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性來仿真螺旋槳特性。該裝置由于采用了全數(shù)字控制方式，由程序模塊組成，使系統(tǒng)具有很大的靈活性，除螺旋槳負(fù)載外，還可以仿真其它多種類型負(fù)載（如風(fēng)機(jī)類負(fù)載、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載等等），給各種拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M加載。1槳葉的特性仿真由于船槳運(yùn)動(dòng)的特殊性，特別在船舶運(yùn)行時(shí)，許多復(fù)雜的外部條件會(huì)影響螺旋槳的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)船本身以及船速和槳速任何一個(gè)量的變化對(duì)螺旋槳的運(yùn)動(dòng)也會(huì)造成影響，因此螺旋槳的運(yùn)動(dòng)具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。螺旋槳特性可以從它工作的一些典型工況下分析得到。滿載船舶在靜水中航行時(shí)螺旋槳的阻轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線稱為自由航行特性。轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性為近似的二次方曲線，其表達(dá)式可以寫為：式中My為轉(zhuǎn)矩，(N·m)；n為轉(zhuǎn)速，r/min;Ky為常數(shù)。滿載船舶在航速等于零時(shí)螺旋槳的阻轉(zhuǎn)矩Mx與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線Mx=f(n)稱作系纜特性或拋錨特性。系纜特性表達(dá)式為：它與螺旋槳特性的自由航行特性很相似，只是系數(shù)不同。反轉(zhuǎn)特性是螺旋槳負(fù)載特性中最為特殊的一個(gè)特性。當(dāng)航速不變時(shí)，螺旋槳反轉(zhuǎn)過程中其阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線Mp=f(n)稱為螺旋槳反轉(zhuǎn)特性曲線。螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性曲線有非常奇特的形狀，如圖1所示。由于螺旋槳負(fù)載特性呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性，我們通過建立螺旋槳?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)庫的方式來解決。有關(guān)論述將在下一篇文章《螺旋槳負(fù)載特性的仿真及動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的研究》中說明。動(dòng)仿真螺旋槳負(fù)載裝置采用電機(jī)來模擬螺旋槳負(fù)載的負(fù)載特性，推進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在仿真過程中，通過控制負(fù)載電機(jī)加到推進(jìn)電機(jī)的扭矩ML，使其與推進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)實(shí)際螺旋槳工作時(shí)的扭矩MP相一致?？梢?，如何控制負(fù)載電機(jī)軸上的阻力矩是仿真的關(guān)鍵所在，因此仿真裝置采用了轉(zhuǎn)矩伺服系統(tǒng)作為主體。船舶在航行時(shí)，船速和槳速兩者的任何一個(gè)發(fā)生變化都會(huì)引起進(jìn)速比J的變化，而進(jìn)速比的變化將進(jìn)一步引起螺旋槳扭矩MP的變化。因此在研究裝船后的螺旋槳負(fù)載特性時(shí)，我們將船和槳作為一個(gè)整體考慮，建立了船槳運(yùn)動(dòng)模型。1.1負(fù)載電機(jī)的仿真因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有響應(yīng)快、過載轉(zhuǎn)矩大、易于控制等特點(diǎn)，所以仿真系統(tǒng)采用了直流電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)。負(fù)載電機(jī)由變流裝置供電，考慮到螺旋槳運(yùn)行時(shí)可能在4個(gè)象限工作，要求負(fù)載電機(jī)的電樞電流能夠反向，因此仿真裝置中變流裝置具有可逆功能。根據(jù)以上的仿真方案我們確定了一套螺旋槳負(fù)載動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)仿真裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其組成包括工業(yè)控制機(jī)（船漿模型）、數(shù)據(jù)采集卡、直流電機(jī)控制器、直流發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器和光電編碼器等幾個(gè)部分。其中，工業(yè)控制機(jī)是完成仿真功能的核心部件，通過船槳模型模塊的運(yùn)行，將采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制器的給定電壓信號(hào)（即控制信號(hào)）。數(shù)據(jù)采集卡在這里作用是完成數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換，連接微機(jī)與控制器。直流電機(jī)控制器能夠根據(jù)給定電壓值來確定晶閘管裝置的導(dǎo)通角，從而控制直流電機(jī)的電樞電流的大小使電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩達(dá)到期望值。轉(zhuǎn)矩傳感器和光電編碼器分別用來檢測電機(jī)軸上轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并送入微機(jī)中進(jìn)行處理。由于系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)直流電機(jī)大多運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，因此選用一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)。為使直流電機(jī)發(fā)出的電能能夠回饋到電網(wǎng)中，系統(tǒng)還配置一臺(tái)電源變壓器。1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以上已經(jīng)說過，螺旋槳負(fù)載仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制直流電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩，仿真裝置采用轉(zhuǎn)矩伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。為保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的準(zhǔn)確性和快速性，裝置設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)矩電流雙閉環(huán)的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差調(diào)節(jié)；電流環(huán)直接由直流電機(jī)控制器構(gòu)成，這里只需根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的要求設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可；轉(zhuǎn)矩通過工業(yè)控制機(jī)構(gòu)成閉環(huán)，由軟件完成轉(zhuǎn)矩的比較和調(diào)節(jié)功能，參數(shù)設(shè)置也很方便。2dt-2000轉(zhuǎn)速檢測裝置采用數(shù)字控制方式，使整個(gè)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的通訊功能，這使得系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。在這里主要是由串口來完成通信功能，如直流電機(jī)控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信和DT-2000轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀與計(jì)算機(jī)之間的通信。為與電力推進(jìn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，我們還使用了Windows的網(wǎng)絡(luò)通信功能，加強(qiáng)負(fù)載仿真裝置的控制臺(tái)與推進(jìn)系統(tǒng)的集控臺(tái)之間的信息交互，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠安全準(zhǔn)確的運(yùn)行。3船舶起車方式的仿真在船舶的運(yùn)動(dòng)中，起航和倒航是表征船舶機(jī)動(dòng)性最重要的兩個(gè)工況，這里就著重討論船舶啟航運(yùn)行時(shí)，螺旋槳運(yùn)行特性變化情況，以驗(yàn)證本文所計(jì)的螺旋槳負(fù)載動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性及可靠性。我們利用仿真裝置對(duì)在零航速狀態(tài)下啟動(dòng)推進(jìn)電機(jī)的過程進(jìn)行了仿真。船舶的起車操作可以分為直接起車使船舶達(dá)到額定航行狀態(tài)和分級(jí)起車使船舶達(dá)到額定航行狀態(tài)，為此我們對(duì)這兩種起車方式分別進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較。圖4(a）給出了直接起車使船舶達(dá)到額定航行狀態(tài)的仿真響應(yīng)曲線。由上至下分別為螺旋槳轉(zhuǎn)速、螺旋槳轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)過程曲線；第3個(gè)圖給出了螺旋槳轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性工作點(diǎn)的暫態(tài)變化曲線。圖4(b）給的是船舶在零航速下分兩極起車的仿真響應(yīng)曲線。通過比較兩組曲線，我們可以知道：直接起車時(shí)螺旋槳達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩比分級(jí)起車時(shí)大很多，將會(huì)使推進(jìn)電機(jī)在這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重過載。分級(jí)起車是比較理想的，雖然它的過度時(shí)間會(huì)稍長一些，但不會(huì)造成推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大幅度過載。通過以上的分析可以知道：本系統(tǒng)的仿真結(jié)果與船舶在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的螺旋槳的工作特性相一致，證明了本仿真裝置的設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了預(yù)先的要求和目的。4本仿真裝置的特性采用直流電機(jī)構(gòu)成的轉(zhuǎn)矩伺服系統(tǒng)來仿真船用螺旋槳負(fù)載的控制方案是可行的，而且所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)仿真裝置的功能強(qiáng)大，不僅可以仿真船舶穩(wěn)定航行時(shí)的螺旋槳工作特性，還可以仿真船舶不穩(wěn)定航行時(shí)的螺旋槳工作特性（如啟航、停車、倒航及加減速等船舶運(yùn)行的過渡狀態(tài)）；此外，本仿真裝置還能夠模擬工程上多種電機(jī)的軸負(fù)載。數(shù)字控制方式的應(yīng)用使