CN111128511A - 一种舰船分区消磁系统电流控制装置 - Google Patents

一种舰船分区消磁系统电流控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种舰船分区消磁系统电流控制装置，包括：集中控制单元、分区电流检测单元和分区控制单元；所述分区电流检测单元，用于检测每个分区消磁绕组的实时电流信号，并传输给所述集中控制单元；所述集中控制单元，用于根据所有分区消磁绕组的实时电流信号生成每个分区控制单元的分区控制信号，所述分区控制信号包括根据每个分区消磁绕组的相邻消磁绕组的耦合影响生成的补偿控制信号；所述分区控制单元，用于接收分区控制信号，并根据分区控制信号生成分区驱动信号来控制每个分区消磁绕组的电流通断。本发明可以降低相邻消磁绕组的耦合影响，控制更为精准。

Description

一种舰船分区消磁系统电流控制装置
技术领域
本发明属于舰船分区消磁系统技术领域，更具体地，涉及一种舰船分区消磁系统电流控制装置。
背景技术
随着大型船舰总体尺寸的增大，其磁场量值和分布情况日益复杂，分区消磁系统逐渐取代单一绕组消磁系统成为现代大型船舰消磁系统的发展方向。分区消磁系统采用多区段消磁绕组布置及分段供电的方案来消除舰船固有的磁场。有关舰船分区消磁绕组电流调整的现有技术主要有以下几种：
一是基于多种群搜索策略粒子群算法的舰船消磁优化方法。该方法以舰船残余磁场均方根最小值和峰值最小为目标函数对系统进行调整，旨在快速决策出消磁绕组电流的大小和方向，提高消磁质量。
二是一种基于二分搜索法的消磁绕组电流调整方法。相对传统的最小二乘法、遗传算法和微粒群算法而言，该方法能大幅度缩短绕组电流调整时间。
三是提出了一种基于改进型粒子群算法的消磁电流调整方法，旨在快速降低舰船空间结果磁场的峰值，该方法的目标函数为磁场峰值最小，首先通过最小二乘法初步约束粒子位置和速度变化范围，从而限定求解空间和例子速度，在跟踪目标磁场峰值方面的性能优于最小二乘法和基本粒子群法。
以上有关舰船分区消磁绕组电流调整的现有技术中，在消磁绕组通电产生补偿磁场方面，都只对各分区绕组单独通电时得其补偿磁场曲线，未考虑各分区绕组间的互感影响。然而，由于多消磁绕组间存在严重的互感耦合，导致现有的PID控制器无法实现各线圈绕组中电流的精准控制；另外，由于消磁绕组中电流在上升过程中相互干扰，使得消磁绕组中电流无法达到所需上升速度。这对快速且准确地调整绕组电流有非常大的影响。因此，研究如何精确控制大型舰船分区消磁系统中各线圈绕组中的电流具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种舰船分区消磁系统电流控制装置，在电流控制中考虑相邻线圈间的耦合影响，来提高分区消磁系统各绕组中电流控制的快速性、准确性和稳定性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种舰船分区消磁系统电流控制装置，包括：集中控制单元、分区电流检测单元和分区控制单元；
所述分区电流检测单元，用于检测每个分区消磁绕组的实时电流信号，并传输给所述集中控制单元；
所述集中控制单元，用于根据所有分区消磁绕组的实时电流信号生成每个分区控制单元的分区控制信号，所述分区控制信号包括根据每个分区消磁绕组的相邻消磁绕组的耦合影响生成的补偿控制信号；
所述分区控制单元，用于接收分区控制信号，并根据分区控制信号生成分区驱动信号来控制每个分区消磁绕组的电流通断。
优选地，所述补偿控制信号是根据每个分区消磁绕组的相邻消磁绕组的耦合影响生成的补偿占空比。
优选地，所述补偿占空比的生成方法具体如下：
将分区消磁绕组的总个数记为n，第1个分区消磁绕组的补偿占空比由第2个分区消磁线圈绕组对第1个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数N1,2确定；
第n个分区消磁绕组的补偿占空比由第n-1个分区消磁线圈绕组对第n个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nn-1,n确定；
第k(1＜k＜n)个分区消磁绕组的补偿占空比根据第k-1个分区消磁线圈绕组对第k个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nk-1,k和第k+1个分区消磁线圈绕组对第k个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nk,k+1确定，Nk-1,k、Nk,k+1的计算方法如下:
Figure BDA0002350956090000021
Figure BDA0002350956090000022
Vk为第k个分区消磁线圈绕组的输入电压,L0k分别为第k个分区消磁线圈绕组的低通滤波器的电感及该电感上的电流，Ck分别为第k个分区消磁线圈绕组的中低通滤波器的电容及其两端的电压，Mk-1,k、Mk,k+1分别为第k-1、k+1个消磁绕组与第k个消磁绕组的互感系数,s表示拉普拉斯变换中的复变量。
优选地，所述分区控制信号还包括根据每个分区消磁绕组的测量值与给定值之差生成的反馈控制信号。
优选地，所述生成分区驱动信号来控制每个分区消磁绕组的电流通断具体是：
生成分区驱动信号控制每个与分区消磁绕组串联的开关管来控制每个分区消磁绕组的电流通断。
优选地，所述分区控制单元包括ARM和FPGA；
所述ARM用于与所述集中控制单元通信，并根据接收到的补偿占空比根据期望频率生成PWM时序，通过SPI将该PWM时序传输给所述FPGA；
所述FPGA用于依据接收到的PWM时序生成分区驱动信号，来控制每个分区消磁绕组的电流通断。
优选地，所述ARM为STM32F407VGT芯片，所述FPGA为Xilinx Spartan-6芯片。
优选地，集中控制单元为创龙TL5728-EasyEVM-A4工控机，所述分区电流检测单元为多个LEM-LA150-p。
优选地，所述分区控制单元，还用于根据每个分区消磁绕组的测量值与给定值之差生成的反馈控制信号来控制每个分区消磁绕组的电流通断。
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，具有有益效果：本发明通过对每一分区消磁电路进行补偿控制，降低相邻线圈间的耦合影响，来提高分区消磁系统各绕组中电流控制的快速性、准确性和稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的舰船分区消磁系统电流控制装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的分区消磁系统电路模型图；
图3是本发明实施例提供的分区消磁系统的控制方框图。
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。
本发明实施例所提供的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，包括：集中控制单元、分区电流检测单元和分区控制单元。
分区电流检测单元，用于检测每个分区消磁绕组的实时电流信号，并传输给所述集中控制单元。可以直接传输给集中控制单元，也可以通过分区控制单元传递给集中控制单元。
集中控制单元，用于根据所有分区消磁绕组的实时电流信号生成每个分区控制单元的分区控制信号，分区控制信号中至少包括根据每个分区消磁绕组的相邻消磁绕组的耦合影响生成的补偿控制信号。补偿控制信号用来降低相邻线圈间的耦合影响，从而提高分区消磁系统各绕组中电流控制的快速性、准确性和稳定性。补偿控制信号可以是是根据每个分区消磁绕组的相邻消磁绕组的耦合影响生成的补偿占空比，也可以是其他任何可行的能够相邻消磁绕组的耦合影响进行补偿的信号。
分区控制单元，用于接收分区控制信号，并根据分区控制信号生成分区驱动信号来控制每个分区消磁绕组的电流通断。每个分区消磁绕组的电流通断可以通过每个与分区消磁绕组串联的开关管的开关来控制，也可以是其他任何可行的方式。
图1是另一发明实施例的舰船分区消磁系统电流控制装置的结构示意图。本发明实施例的大型舰船分区消磁系统，包括原有分区消磁系统和解耦控制系统。解耦控制系统即本发明的舰船分区消磁系统电流控制装置。其中原有分区消磁系统包括各分区消磁电源、各分区消磁电路、各分区消磁绕组及大型船舰。本发明提出的解耦控制系统包括电流检测单元、集中控制单元、分区控制单元。其中XC表示消磁。
电流检测单元1～n安装在n个分区消磁绕组上，检测消磁绕组的实时电流信号，并通过CAN总线将其传输给分区控制单元。分区控制单元利用网线端口将自身分区消磁绕组的实时电流信号传输给集中控制单元。集中控制单元根据实时电流信号求解每个分区消磁绕组的占空比，并利用网线端口传输给每个分区控制单元。分区控制单元依据所述集中控制单元求解的占空比生成驱动信号控制分区消磁电路中的开关管，从而完成消磁系统的电流控制。
在一个实施例中，分区控制单元包括ARM和FPGA。ARM可以为STM32F407VGT芯片，负责与集中控制单元通信，并根据接受到的占空比依据期望频率生成PWM时序，通过SPI将该时序传输给所述FPGA。FPGA可以为Xilinx Spartan-6芯片，依据接收到的PWM时序生成驱动信号，控制每个分区开关管的通断。
在一个实施例中，集中控制单元生成的占空比除了包含考虑相邻线圈间耦合的通过解耦补偿产生的补偿占空比外，还可以包括每个分区消磁绕组的测量值与给定值之差生成的反馈控制信号所需占空比。每个分区消磁绕组的测量值与给定值之差生成的反馈控制信号也可以由分区控制单元产生，而不需要由集中控制单元产生。
在一个实施例中，集中控制单元为创龙TL5728-EasyEVM-A4工控机；所述集中控制单元与每个分区控制单元采用环网结构连接。
由于船舰分区消磁绕组存在较强的互感而相互干扰，导致每一分区的消磁电流相互影响。根据实测的消磁绕组间的互感，可以得出相邻消磁绕组间互感耦合较强，间隔绕组间的互感耦合的影响非常小，几乎可以忽略不计。在一个实施例中，仅考虑相邻消磁绕组间的互感耦合，则补偿占空比的生成方法具体如下。
集中控制单元由所有分区绕组的反馈解耦补偿器组成，其中任意第k(1≤k≤n)个分区消磁绕组的反馈解耦补偿器包括反馈解耦补偿器Nk-1,k和Nk,k+1，两个反馈解耦补偿器的传递函数求解如下：
将分区消磁绕组的总个数记为n，消磁系统第k个分区消磁电路模型如图2所示，则第k个电路的动态耦合模型为：
Figure BDA0002350956090000051
其中Vk为第k个斩波电路的输入电压，dk(t)为第k个斩波电路的占空比，L0k、
Figure BDA0002350956090000052
分别为第k个斩波电路中低通滤波器的电感及该电感上的电流，Ck、
Figure BDA0002350956090000053
分别为第k个斩波电路中低通滤波器的电容及其两端的电压，ik-1、ik、ik+1分别为通过第k-1、k、k+1个消磁绕组的电流，Lk、Rk分别为第k个消磁绕组的电感及电阻，Mk-1,k、Mk,k+1分别为第k-1、k+1个消磁绕组与第k个消磁绕组的互感系数。
将式(1)进行拉氏变换，可以求得第k个线圈的输出电流如式(2)所示：
Figure BDA0002350956090000054
在无相邻通道耦合干扰的情况下，当第k个消磁电路输入占空比为0，消磁绕组上电流为0，即Dk(s)＝0,Ik(s)＝0。故有：
Figure BDA0002350956090000055
式(3)通过变形可以得到第k个消磁绕组由于相邻通道耦合的补偿占空比如式(4)所示。
Figure BDA0002350956090000061
则第k-1个分区消磁线圈绕组对第k个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nk-1,k和第k+1个分区消磁线圈绕组对第k个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nk,k+1分别为：
Figure BDA0002350956090000062
第1个分区消磁绕组的补偿占空比由第2个分区消磁线圈绕组对第1个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数N1,2确定；
第n个分区消磁绕组的补偿占空比由第n-1个分区消磁线圈绕组对第n个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nn-1,n确定；
第k(1＜k＜n)个分区消磁绕组的补偿占空比根据传递函数Nk-1,k和传递函数Nk,k+1确定。
消磁系统控制方框图如图3所示，原有PID控制器依据第k个线圈的预期电流值与实测电流值间的偏差计算得出控制消磁电路中开关管的占空比。原有PID控制器参数由电路传递函数通过Z-N参数整定方法得到，根据公式(6)，通过采样实时电流值得到相应的占空比。
Figure BDA0002350956090000063
上式中，u(k)为原有控制消磁电路中开关管的占空比；Kp为比例系数；e(k)为设定值与实测电流值的偏差；T为采样周期；Ti为积分时间；Td为微分系数。
反馈解耦补偿器依据相邻线圈的电流实测值采用上述方法计算得出由于相邻通道耦合的补偿占空比。
原PID控制器与反馈解耦补偿器求得的占空比共同作用于每一个消磁绕组中的开关管，这两部分的占空比是相互独立的，两者共同作用与被控线圈使得被控线圈内电流达到给预定值，从而消除每一个分区的耦合影响，并达到控制每个分区绕组电流的目的。
综上所述，本发明的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，通过在各分区消磁绕组上设置电流检测装置来检测的消磁绕组中的实时电流数据，采用集中控制单元依据接收到相邻绕组的电流计算求解相邻通道耦合的补偿控制信号，采用分区控制单元依据相邻通道耦合的补偿控制信号控制分区消磁系统中的电流通断,从而抵消相邻消磁绕组间的耦合影响，从而实现每个周期内，各分区消磁绕组的电流的精准控制。
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)

1.一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，包括：集中控制单元、分区电流检测单元和分区控制单元；
所述分区电流检测单元，用于检测每个分区消磁绕组的实时电流信号，并传输给所述集中控制单元；
所述集中控制单元，用于根据所有分区消磁绕组的实时电流信号生成每个分区控制单元的分区控制信号，所述分区控制信号包括根据每个分区消磁绕组的相邻消磁绕组的耦合影响生成的补偿控制信号；
所述分区控制单元，用于接收分区控制信号，并根据分区控制信号生成分区驱动信号来控制每个分区消磁绕组的电流通断。
2.如权利要求1所述的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，所述补偿控制信号是根据每个分区消磁绕组的相邻消磁绕组的耦合影响生成的补偿占空比。
3.如权利要求2所述的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，所述补偿占空比的生成方法具体如下：
将分区消磁绕组的总个数记为n，第1个分区消磁绕组的补偿占空比由第2个分区消磁线圈绕组对第1个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数N1,2确定；
第n个分区消磁绕组的补偿占空比由第n-1个分区消磁线圈绕组对第n个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nn-1,n确定；
第k(1＜k＜n)个分区消磁绕组的补偿占空比根据第k-1个分区消磁线圈绕组对第k个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nk-1,k和第k+1个分区消磁线圈绕组对第k个分区消磁线圈绕组的反馈解耦补偿器的传递函数Nk,k+1确定；
Nk-1,k、Nk,k+1的计算方法如下:
Figure FDA0002350956080000011
Figure FDA0002350956080000012
Vk为第k个分区消磁线圈绕组的输入电压,L0k分别为第k个分区消磁线圈绕组的低通滤波器的电感及该电感上的电流，Ck分别为第k个分区消磁线圈绕组的中低通滤波器的电容及其两端的电压，Mk-1,k、Mk,k+1分别为第k-1、k+1个消磁绕组与第k个消磁绕组的互感系数,s表示拉普拉斯变换中的复变量。
4.如权利要求1、2或3所述的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，所述分区控制信号还包括根据每个分区消磁绕组的测量值与给定值之差生成的反馈控制信号。
5.如权利要求1、2或3任一项所述的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，所述生成分区驱动信号来控制每个分区消磁绕组的电流通断具体是：
生成分区驱动信号控制每个与分区消磁绕组串联的开关管来控制每个分区消磁绕组的电流通断。
6.如权利要求2或3任一项所述的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，所述分区控制单元包括ARM和FPGA；
所述ARM用于与所述集中控制单元通信，并根据接收到的补偿占空比根据期望频率生成PWM时序，通过SPI将该PWM时序传输给所述FPGA；
所述FPGA用于依据接收到的PWM时序生成分区驱动信号，来控制每个分区消磁绕组的电流通断。
7.如权利要求6所述的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，所述ARM为STM32F407VGT芯片，所述FPGA为Xilinx Spartan-6芯片。
8.如权利要求1、2或3任一项所述的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，集中控制单元为创龙TL5728-EasyEVM-A4工控机，所述分区电流检测单元为多个LEM-LA150-p。
9.如权利要求1、2或3所述的一种舰船分区消磁系统电流控制装置，其特征在于，所述分区控制单元，还用于根据每个分区消磁绕组的测量值与给定值之差生成的反馈控制信号来控制每个分区消磁绕组的电流通断。
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