CN107902042A - 一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统 - Google Patents
一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于船舶电力推进领域和半实物仿真领域，并公开了一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统。该系统包括Simulink的电机模块和S函数模块，S函数模块多个子系统，通过子系统之间的相互连接，并形成闭环连接，由此逐步获得进速比子系统、推力系数、转矩系数、推力减额系数和伴流系数，最后通过以上系数获得所需的螺旋桨有效推力、螺旋桨转矩和船速，从而实现被仿真船舶的螺旋桨转矩、有效推力和船速的实时预测。通过本发明，实现船舶电力推进系统的实时预测，计算时间短，预测速度快，成本小，建模的复杂性低，易于更新，精度高，适用性广。
Description
技术领域
本发明属于船舶电力推进领域和半实物仿真领域，更具体地，涉及一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统。
背景技术
船舶电力推进系统代表着当今船舶动力的发展方向，它是现代船舶要求提高工作效率，同时又降低费用的最佳解决方案，也是新世纪船舶动力发展的重要方向。对船舶电力推进系统进行建模仿真是对其进行运行特性分析的重要手段。目前我国的电力推进技术还处于起步阶段，即使建造了电力推进船舶，也多是直接引进国外的吊舱式电力推进装置进行组装，为开发具有我国自主知识产权的船舶电力推进系统，有必要建立该系统的数学仿真模型。
中国发明专利说明书CN106094561A中公开了一种船舶综合电力推进系统建模仿真方法，该专利在船舶综合电力推进系统通用建模框架的应用图形界面中，利用用户从元模型组件库中选择的元模型组件、对所述元模型组件设定的连接关系以及对所述元组件输入属性参数生成船舶综合电力推进系统应用模型；然后，采用预先设置的解释器将所述船舶综合电力推进系统应用模型编译为可执行脚本，获得仿真结果。
中国实用新型专利说明书CN103164571A中公开了一种船舶电力系统模块化仿真平台，模块化仿真平台主要包括人机界面模块、电力网络路径智能化分析模块、船舶电力系统分析模块、信息存储模块、暂态仿真输出模块；其电力系统分析模块从信息存储模块中获得来自电力网络路径智能化分析模块中的母线间的路径连接关系以及从信息存储模块中获取来自人机界面模块中的母线节点数据信息，从而来进行潮流计算、暂态计算并将计算后的潮流信息、暂态计算的一系列数据存入信息存储模块；上述两种仿真一个侧重于电力推进系统仿真的实现方式，一个侧重于船舶电力系统仿真平台模块化，没有涉及基于Simulink搭建数字模型进行全数字仿真，从而建立完整的船机桨数学模型。因此上述两个专利相对于船舶电力推进系统运行状态缺少一定的预测性以及不能及时地进行算法改进与优化设计。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，通过构建的S函数模块，并利用Simulink已有的电机模块，建立了船舶多轴电力推进系统，同时充分考虑推力减额和伴流的影响，由此解决船舶电力推进系统的缺少预测性和不能实时预测的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，该系统包括Simulink的电机模块和S函数模块，其特征在于，
所述S函数模块包括进速比子系统、推力系数子系统、转矩系数子系统、推力减额系数子系统、伴流系数子系统、有效推力子系统、船速子系统、螺旋桨转矩子系统，
所述进速比子系统与所述转矩系数子系统和推力系数子系统相连，该进速比子系统通过采集Simulink的电机模块中的实时电机组转速，并利用自身系统中的进速比模型获得被仿真船舶螺旋桨的进速比，然后将其传递给所述转矩系数子系统和推力系数子系统；
所述转矩系数子系统与所述伴流系数子系统并联，二者分别通过自身系统中的转矩系数模型和伴流系数模型获得转矩系数和伴流系数，然后反馈给所述螺旋桨转矩子系统，该螺旋桨转矩子系统利用自身系统中的螺旋桨转矩模型计算螺旋桨转矩；
所述伴流系数子系统还与所述进速比子系统连接，其利用自身系统中的伴流系数模型获得实际船舶运行过程中的伴流系数；
所述推力系数子系统与所述推力减额系数子系统并联，二者通过自身系统中的推力系数模型和推力减额系数模型分别获得螺旋桨推力系数和船体减额推力减额系数，并反馈给所述有效推力子系统，该有效推力子系统利用自身系统中的有效推力子模型获得螺旋桨的有效推力；
所述船速子系统与所述有效推力子系统连接，并接受来自该有效推力子系统反馈的有效推力，然后利用自身系统中的船速模型计算被仿真船舶的实时船速，并将该被仿真船舶船速度作为下一时刻进速比子系统的输入，由此使得各个子系统形成闭环连接，从而实现被仿真船舶的螺旋桨转矩、有效推力和船速的实时预测。
进一步优选地，所述进速比模型优选采用下列表达式，
其中，J′是被仿真船舶的螺旋桨进速比，D是被仿真船舶的螺旋桨直径，n是仿真系统中电机组的转速，Vp是螺旋桨前进的线速度；w为伴流系数，Vs是被仿真船舶船速。
进一步优选地，所述推力系数模型优选采用下列表达式，
fP(J′)＝b0p+b1pJ′+b2p(J′)2+b3p(J′)3+b4p(J′)4+.....+bnp(J′)n
其中，fP(J′)是推力系数关于螺旋桨进速比的函数，b0p,b1p,b2p,...,bnp是将被仿真船舶推力和螺旋桨转速的关系通过图像拟合后获得的拟合系数，Kp′是采用所述推力系数模型获得的推力系数。
进一步优选地，所述转矩系数模型优选采用下列表达式，
fM(J′)＝b0M+b1MJ′+b2M(J′)2+b3M(J′)3+b4M(J′)4+.......bnM(J′)n
其中，fM(J′)是转矩系数关于螺旋桨进速比的函数，b0M,b1M,b2M,...,bnM是将螺旋桨的转矩和转速的关系通过图像拟合后获得的拟合系数，KM′是采用所述转矩系数模型获得的转矩系数。
进一步优选地，所述伴流系数模型优选采用下列表达式，
其中，w是伴流系数，VS是被仿真船舶船速，VSE是被仿真船舶的最大航速。
进一步优选地，所述推力减额系数模型按照下列表达式进行，
其中，t是推力减额系数，n是螺旋桨转速，ne是螺旋桨被预设的最大转速。
进一步优选地，所述有效推力模型优选采用下列模型，
其中，Pe是有效推力，ρ是海水密度。
进一步优选地，所述螺旋桨转矩模型优选按照下列表达式进行，
其中，M是螺旋桨转矩。
进一步优选地，所述船速模型优选按照下列表达式，
其中，R是被仿真船舶的船体阻力，m是被仿真船舶的船体质量，Δm是船舶运动附加质量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明采用的基于Simulink模型的船舶多轴电力推进模型是进行的数字仿真，优化船舶电力推进系统的性能，研制风险小，预测性强，实用性高；
2、本发明提供的仿真系统结构简单，把复杂大系统的建模工作化简为若干较简单的子系统，显著减低了建模的复杂性，易于更新，精度高，仿真结果表明了该模型的适用性；
3、本发明通过将各个子系统之间的串联和并联的形式，从而形成闭环的连接结构，从而实现被仿真船舶的闭环系统，由此实现被仿真船舶参数的实时预测，实时性强，且由于该系统是采用模块化思想建立起来的，故便于对其进行改进和优化；
4、本发明通过采用多个数学模型进行运算，计算时间短，数据处理简单，预测速度快。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明通过利用被仿真船舶船体、推进主机、螺旋桨的内在特性，并结合Simulink模型，同时充分考虑推力减额和伴流的影响，推算出船舶阻力、螺旋桨推力和转矩的表达式，建立一套完整的船舶多轴电力推进系统，借助Simulink工具箱搭建并验证所设计的数字模型的准确性，完成全数字仿真。
螺旋桨推力、转矩及阻力特性在于，螺旋桨在水下旋转推进时，桨叶会产生向后的推力，推动船舶向前运动，在分析船舶运动时主要分析螺旋桨的推力和转矩；船舶在运行过程中会受到向前的推力作用的同时，也会受到来自空气和水的阻力，其中水的阻力位主要部分，包括静水阻力和兴波阻力，静水阻力又由裸船阻力、油污阻力和附体阻力组成。螺旋桨产生的推力一部分用来克服船舶阻力即有效推力，另一部分克服阻力增额。
螺旋桨工作特性在于，推力系数是进速比的函数，而推力与推力系数有关，由公式知推力与转速的平方成正比。当进速比一定时，推力系数也一定。由切比雪夫多项式经过计算得到螺旋桨的推力系数、转矩系数、伴流系数和减额系数之后，可进一步得到螺旋桨有效推力及转矩。
船舶多轴电力推进系统是在半实物仿真的基础上进行的，基于螺旋桨的工作特性分析螺旋桨的推力、转矩及阻力特性，需要充分考虑推力减额和伴流的影响，基于Simulink搭建数学模型进行全数学仿真，得到转矩、有效推力和船速随时间变化的曲线，初步验证该船舶多轴电力推进系统的准确性。若已知螺旋桨参数，船舶运动时初始速度、螺旋桨转速可计算出有界螺旋桨进速比，转矩系数、推力系数，进而计算出螺旋桨推力、转矩，再根据船体力学平衡方程计算船舶下一时刻的速度，从而完成系统的循环并输出螺旋桨推力和转矩。
基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，利用MATLAB/Simulink软件对船舶多轴电力推进模型进行仿真研究，Matlab语言及其仿真工具箱Simulink在复杂系统的仿真方面有着独特的优势，应用Simulink已有的电机模块，再自行建立螺旋桨的Simulink模型，结合数据库模块和用户自定义的S函数模块，建立了船舶多轴电力推进系统。
在已知螺旋桨参数和初始化条件，首先建立进速比子系统模型；然后由推力系数和转矩系数与进速比的关系分别建立推力系数子系统模型和转矩系数子系统模型；并依次建立推力减额系数子系统模型、伴流系数子系统模型、有效推力子系统模型、船速子系统模型、螺旋桨转矩子系统模型等，最后将各子系统模型整合搭建一套完整的船-机-桨全数字系统，完成全数字仿真。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统的结构示意图，如图1中所示，Simulink模型即仿真模型，一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，该系统包括Simulink的电机模块和S函数模块，
所述S函数模块包括进速比子系统、推力子系统、转矩系数子系统、推力减额系数子系统、伴流系数子系统、有效推力子系统、船速子系统、螺旋桨转矩子系统，
其实施方式为：基于Simulink搭建各子系统模型，封装各子系统仿真模型后，可得船-机-桨完整船舶多轴电力推进系统，各子系统通过输入量、输出量互相联系，首先通过有界进速比子系统输入螺旋桨直径、转速、进速，输出得到有界进速比；有界进速比子系统的输出量作为推力系数、转矩系数的输入量，同时输入常量转速，从而输出推力系数、转矩系数；有界进速比、推力系数、转矩系数子系统的输出量作为推力、转矩系统的输入量，从而输出推力和转矩；推力减额、伴流系数作为独立的二级子系统分别嵌入在推力、转矩子系统中；船速子系统是一个循环积分系统，上一时刻的船速经过阻力公式计算成为下一时刻的阻力，推力与阻力的差额形成下一时刻的加速度，从而上一时刻的速度加上下一时刻的加速度，从而得到这一时刻的速度。依据航行工况，完成启停、正倒切换等常规实验。各模块的搭建如下：
1)进速比子系统模型，在已知螺旋桨参数和初始化条件下，基于Simulink搭建模型，进行数字仿真，初步验证有界形式进速比的准确性，可以实时修改不同的船型螺旋桨参数和初始化条件，从而获得不同的进速比；
进速比模型优选采用下列表达式，
其中，J′是被仿真船舶的螺旋桨进速比，D是被仿真船舶的螺旋桨直径，n是仿真系统中电机组的转速，Vp是螺旋桨前进的线速度；w为伴流系数，Vs是被仿真船舶船速。
2)推力系数子系统模型，推力系数是进速比的函数，为简单计算推力系数，由切比雪夫多项式计算得到推力系数。基于Simulink搭建模型，进行数字仿真，初步验证推力系数的准确性。在不同的转速下可得到不同的推力系数。
推力系数模型优选采用下列表达式，
fP(J′)＝b0p+b1pJ′+b2p(J′)2+b3p(J′)3+b4p(J′)4+.....+bnp(J′)n
其中，fP(J′)是推力系数关于螺旋桨进速比的函数，b0p,b1p,b2p,...,bnp是将被仿真船舶推力和螺旋桨转速的关系通过图像拟合后获得的拟合系数，一般取其前8项即可保证计算精度，Kp′是采用所述推力系数模型获得的推力系数。
3)转矩系数子系统模型，转矩系数是进速比的函数为简单计算转矩系数，由切比雪夫多项式计算得到转矩系数。基于Simulink搭建模型，进行数字仿真，初步验证转矩系数的准确性。在不同的转速下可得到不同的转矩系数。
转矩系数模型优选采用下列表达式，
fM(J′)＝b0M+b1MJ′+b2M(J′)2+b3M(J′)3+b4M(J′)4+.......bnM(J′)n
其中，fM(J′)是转矩系数关于螺旋桨进速比的函数，b0M,b1M,b2M,...,bnM是将螺旋桨的转矩和转速的关系通过图像拟合后获得的拟合系数，一般取其前8项即可保证计算精度，KM′是采用所述转矩系数模型获得的转矩系数。
4)推力减额系数子系统模型，推力减额系数组由形式推力减额系数、摩擦推力减额系数、波浪推力减额系数、船型修正系数组成。可按经验公式计算，可知其与船舶设计最大转速和船舶转速有关。基于Simulink搭建模型，进行数字仿真，初步验证推力减额系数的准确性。基于不同的船型参数得到具体的推力减额系数。
推力减额系数模型按照下列表达式进行，
其中，t是推力减额系数，n是螺旋桨转速，ne是螺旋桨被预设的最大转速。
5)伴流子系统模型，伴流系数与船速和最大航速有关，依据伴流系数的计算方法搭建系统模型，在给定最大航速的情况下，由已知船速得出精确的伴流系数。
伴流系数模型优选采用下列表达式，
其中，w是伴流系数，VS是被仿真船舶船速，VSE是被仿真船舶的最大航速。
6)有效推力子系统模型，有效推力用来克服船舶的阻力，其与推力和推力减额系数的关系式而的计算公式，基于Simulink搭建模型，进行数字仿真，初步验证有效推力的准确性。由螺旋桨转速、直径，进速以及求得的进速比得到准确的有效推力。
有效推力模型优选采用下列模型，
其中，Pe是有效推力，ρ是海水密度。
7)船速子系统模型，系统启动时，螺旋桨会有一个初始速度，初始速度对应一个阻力值，在推力的作用下速度会改变，根据船体力学平衡方程计算出船舶下一时刻的速度，基于Simulink搭建仿真模型，由上一模块得到的有效推力以及船舶阻力、质量、质量增量来输出对应的船速。
船速模型优选按照下列表达式，
其中，R是被仿真船舶的船体阻力，Δm是船舶运动附加质量，单位为kg,一般为船体质量m的5％-15％，在本实验中取10％。
8)螺旋桨转矩子系统模型，基于螺旋桨参数、转速、船舶初始速度计算出有界进速比，转矩系数，进一步计算出转矩，基于Simulink搭建仿真模型由输入的转矩系数，螺旋桨直径，进速和进速比来进一步输出转矩。
螺旋桨转矩模型优选按照下列表达式进行，
其中，M是螺旋桨转矩。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，该系统包括Simulink的电机模块和S函数模块，其特征在于，
所述S函数模块包括进速比子系统、推力系数子系统、转矩系数子系统、推力减额系数子系统、伴流系数子系统、有效推力子系统、船速子系统、螺旋桨转矩子系统，
所述进速比子系统与所述转矩系数子系统和推力系数子系统相连，该进速比子系统通过采集Simulink的电机模块中的实时电机组转速，并利用自身系统中的进速比模型获得被仿真船舶螺旋桨的进速比，然后将其传递给所述转矩系数子系统和推力系数子系统；
所述转矩系数子系统与所述伴流系数子系统并联，二者分别通过自身系统中的转矩系数模型和伴流系数模型获得转矩系数和伴流系数，然后反馈给所述螺旋桨转矩子系统，该螺旋桨转矩子系统利用自身系统中的螺旋桨转矩模型计算螺旋桨转矩；
所述伴流系数子系统还与所述进速比子系统连接，其利用自身系统中的伴流系数模型获得实际船舶运行过程中的伴流系数；
所述推力系数子系统与所述推力减额系数子系统并联，二者通过自身系统中的推力系数模型和推力减额系数模型分别获得螺旋桨推力系数和船体减额推力减额系数，并反馈给所述有效推力子系统，该有效推力子系统利用自身系统中的有效推力子模型获得螺旋桨的有效推力；
所述船速子系统与所述有效推力子系统连接，并接受来自该有效推力子系统反馈的有效推力，然后利用自身系统中的船速模型计算被仿真船舶的实时船速，并将该被仿真船舶船速度作为下一时刻进速比子系统的输入，由此使得各个子系统形成闭环连接，从而实现被仿真船舶的螺旋桨转矩、有效推力和船速的实时预测。
2.如权利要求1所述的一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，其特征在于，所述进速比模型优选采用下列表达式，
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其中，J′是被仿真船舶的螺旋桨进速比，D是被仿真船舶的螺旋桨直径，n是仿真系统中电机组的转速，Vp是螺旋桨前进的线速度；w为伴流系数，Vs是被仿真船舶船速。
3.如权利要求1或2所述的一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，其特征在于，所述推力系数模型优选采用下列表达式，
fP(J′)＝b0p+b1pJ′+b2p(J′)2+b3p(J′)3+b4p(J′)4+.....+bnp(J′)n
其中，fP(J′)是推力系数关于螺旋桨进速比的函数，b0p,b1p,b2p,...,bnp是将被仿真船舶推力和螺旋桨转速的关系通过图像拟合后获得的拟合系数，Kp′是采用所述推力系数模型获得的推力系数。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，其特征在于，所述转矩系数模型优选采用下列表达式，
fM(J′)＝b0M+b1MJ′+b2M(J′)2+b3M(J′)3+b4M(J′)4+.......bnM(J′)n
其中，fM(J′)是转矩系数关于螺旋桨进速比的函数，b0M,b1M,b2M,...,bnM是将螺旋桨的转矩和转速的关系通过图像拟合后获得的拟合系数，KM′是采用所述转矩系数模型获得的转矩系数。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，其特征在于，所述伴流系数模型优选采用下列表达式，
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其中，w是伴流系数，VS是被仿真船舶船速，VSE是被仿真船舶的最大航速。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，其特征在于，所述推力减额系数模型按照下列表达式进行，
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</mfenced>
其中，t是推力减额系数，n是螺旋桨转速，ne是螺旋桨被预设的最大转速。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，其特征在于，所述有效推力模型优选采用下列模型，
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mfrac>
</mrow>
其中，Pe是有效推力，ρ是海水密度。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，其特征在于，所述螺旋桨转矩模型优选按照下列表达式进行，
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
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<mi>K</mi>
<mi>M</mi>
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<mo>&prime;</mo>
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<mi>K</mi>
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<mi>&rho;D</mi>
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<mn>1</mn>
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<mi>&omega;</mi>
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<mn>2</mn>
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<mi>V</mi>
<mi>S</mi>
<mn>2</mn>
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<mo>(</mo>
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<mi>J</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mfrac>
</mrow>
其中，M是螺旋桨转矩。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统，其特征在于，所述船速模型优选按照下列表达式，
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mi>P</mi>
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<mi>m</mi>
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<mi>m</mi>
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</mfrac>
<mo>&Integral;</mo>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
其中，R是被仿真船舶的船体阻力，m是被仿真船舶的船体质量，Δm是船舶运动附加质量。
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| CN201711021667.XA CN107902042A (zh) | 2017-10-27 | 2017-10-27 | 一种基于Simulink模型的船舶多轴电力推进系统 |
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