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摘要：船舶电力推进是当前造船业发展过程中的一个热点，在多约束条件下的控制系统中，相位超前校正是一种有效的系统修正措施。本文依据相位超前校正原理，对某型游船电力推进系统异步电动机带螺旋桨启动过程进行研究，设计串联有源超前校正装置来满足控制系统性能要求，并结合具体实例进行仿真验证。
关键词：电力推进系统；超前校正；仿真
引言
随着科学技术的快速发展，电力推进相关技术也得到了一定的发展。船舶依靠自身配备的发电装置获取电能来驱动船舶运动的推进方式称为船舶电力推进，与传统的机械推进方式相比，采用电力推进的船舶在经济性、布置和安全可靠性等方面具有显著优势，但对船舶控制系统也有着更高的要求。在实践过程中，船舶电力推进控制系统存在很多问题，例如电机转矩过高、螺旋桨转速过高等均影响了系统的安全运转，因此需要采取措施进行改善，其中，相位超前校正是一种较为常见的一种改善措施，即在前向通道串联一个校正环节以满足性能指标要求。基于此，本文就对此展开研究。
1.系统原理
1.1串联有源超前校正装置
超前校正设计中，有源校正网络的设计中参数设计受到的约束较小，而且校正网络增益可以大于1，可补偿原系统直流增益的不足，故本次研究采用有源校正网络[1]。
其传递函数 本次研究中取K=1。
1.2电动机启动系统
典型游船电力推进系统中，异步电动机带螺旋桨启动过程采用电机转矩及螺旋桨转速闭环控制，可表示为图1所示的框图。
控制系统中，可通过修改电动机转速上升和下降时间来决定启动时间的长短。在启动过程中，如果时间过短，会造成电机转矩过载；若时间過长，又无法满足性能要求。所以，通常需要对控制环节中的PI参数进行调整以满足设计需要。然而实际调试过程中，由于某些原因，PI参数调节过程会非常繁琐。此时，可在初步调节的基础上，配合使用系统超前校正的方法，使系统满足控制性能要求，缩短调试周期，提高控制精度。
2.实例分析
现针对某型船舶电力推进中电动机带螺旋桨启动过程的控制系统进行分析。
该船为电力推进的双体游览客船，设计航速10kn。主推进电机是2套鼠笼式感应推进电动机，采用变频驱动，额定电压为380V/50Hz，额定功率为200kW，额定转速1485r/min。螺旋桨为2只MAU型4叶定距桨，额定转速为420r/min，螺旋桨惯性矩为12.37kg·m2。
利用matlab软件构建电动机带螺旋桨启动控制系统仿真框图如图2所示。
实际设备中，主推电机的额定功率为200kW，并考虑110%的过载，转矩限制为1415N·m，换算到螺旋桨端的转矩限制为5000N·m。为使系统具备良好的启动性能，则要求在尽量短的启动时间情况下，不会造成电机转矩过载[2]。
根据船舶的航速设定，经过初步的PI参数调节，按照固定上升斜率调节电动机的转速，仿真可得启动过程中电机转矩和螺旋桨转速的变化趋势，如图3、图4所示。
由图3可见，在电动机带螺旋桨启动过程中，电机转矩超出了限制值。同时由图4可以看出，螺旋桨转速具有较大的超调量，存在电机转速超速的情况。
根据仿真结果可以判定，初步的PI参数调节无法满足控制系统的设计要求。然而，PI参数的调节并无直接的计算公式可以参考，只能根据仿真结果的变化趋势逐步进行试凑，进而获得较理想的控制性能。不可避免的是这个过程会比较繁琐，同时需要丰富的工程经验才能较为迅捷地选定合适的PI参数，给实际的系统设计带来诸多不便。为满足控制系统电机转矩幅值低于5000N·m，且尽可能缩短螺旋桨转速达到稳定的时间，考虑在PI调节环节前串入超前校正网络[3]。
计算的校正传递函数为：
利用Matlab软件构建其系统仿真框图如图5所示。
仿真结果见下页图6、图7。
对比图3与图6，可以看出，串联超前校正网络后，可有效限制电机转矩幅值，满足控制系统要求。同时，对比图4与图7可以看出，电动机带螺旋桨启动过程中，螺旋桨转速达到稳定的时间有略微增加，但依然可满足常规设计要求。
3.结论
总而言之，我国在船舶电力推进系统研究及应用方面起步较晚，因此应进一步加强相关技术的研究和开发应用，使船舶能安全运转的投入到生产中，提高经济效益。通过上述分析研究与仿真结果可证实，添加所设计的校正网络环节后，系统的电机转矩幅值得到有效限制，螺旋桨转速变化更为平滑，确实有助于改善系统的瞬态响应。
参考文献：
[1]方宇. 船舶电力推进自动控制系统的研究与设计[D]. 大连海事大学，2010.
[2]王亮. 基于模糊控制的船舶电力推进控制系统的研究与设计[D]. 大连海事大学，2012.
[3]张小伟. 关于船舶电力推进自动控制系统设计与研究的分析[J]. 电子技术与软件工程，2016（9）：154-154.
关键词：电力推进系统；超前校正；仿真
引言
随着科学技术的快速发展，电力推进相关技术也得到了一定的发展。船舶依靠自身配备的发电装置获取电能来驱动船舶运动的推进方式称为船舶电力推进，与传统的机械推进方式相比，采用电力推进的船舶在经济性、布置和安全可靠性等方面具有显著优势，但对船舶控制系统也有着更高的要求。在实践过程中，船舶电力推进控制系统存在很多问题，例如电机转矩过高、螺旋桨转速过高等均影响了系统的安全运转，因此需要采取措施进行改善，其中，相位超前校正是一种较为常见的一种改善措施，即在前向通道串联一个校正环节以满足性能指标要求。基于此，本文就对此展开研究。
1.系统原理
1.1串联有源超前校正装置
超前校正设计中，有源校正网络的设计中参数设计受到的约束较小，而且校正网络增益可以大于1，可补偿原系统直流增益的不足，故本次研究采用有源校正网络[1]。
其传递函数 本次研究中取K=1。
1.2电动机启动系统
典型游船电力推进系统中，异步电动机带螺旋桨启动过程采用电机转矩及螺旋桨转速闭环控制，可表示为图1所示的框图。
控制系统中，可通过修改电动机转速上升和下降时间来决定启动时间的长短。在启动过程中，如果时间过短，会造成电机转矩过载；若时间過长，又无法满足性能要求。所以，通常需要对控制环节中的PI参数进行调整以满足设计需要。然而实际调试过程中，由于某些原因，PI参数调节过程会非常繁琐。此时，可在初步调节的基础上，配合使用系统超前校正的方法，使系统满足控制性能要求，缩短调试周期，提高控制精度。
2.实例分析
现针对某型船舶电力推进中电动机带螺旋桨启动过程的控制系统进行分析。
该船为电力推进的双体游览客船，设计航速10kn。主推进电机是2套鼠笼式感应推进电动机，采用变频驱动，额定电压为380V/50Hz，额定功率为200kW，额定转速1485r/min。螺旋桨为2只MAU型4叶定距桨，额定转速为420r/min，螺旋桨惯性矩为12.37kg·m2。
利用matlab软件构建电动机带螺旋桨启动控制系统仿真框图如图2所示。
实际设备中，主推电机的额定功率为200kW，并考虑110%的过载，转矩限制为1415N·m，换算到螺旋桨端的转矩限制为5000N·m。为使系统具备良好的启动性能，则要求在尽量短的启动时间情况下，不会造成电机转矩过载[2]。
根据船舶的航速设定，经过初步的PI参数调节，按照固定上升斜率调节电动机的转速，仿真可得启动过程中电机转矩和螺旋桨转速的变化趋势，如图3、图4所示。
由图3可见，在电动机带螺旋桨启动过程中，电机转矩超出了限制值。同时由图4可以看出，螺旋桨转速具有较大的超调量，存在电机转速超速的情况。
根据仿真结果可以判定，初步的PI参数调节无法满足控制系统的设计要求。然而，PI参数的调节并无直接的计算公式可以参考，只能根据仿真结果的变化趋势逐步进行试凑，进而获得较理想的控制性能。不可避免的是这个过程会比较繁琐，同时需要丰富的工程经验才能较为迅捷地选定合适的PI参数，给实际的系统设计带来诸多不便。为满足控制系统电机转矩幅值低于5000N·m，且尽可能缩短螺旋桨转速达到稳定的时间，考虑在PI调节环节前串入超前校正网络[3]。
计算的校正传递函数为：
利用Matlab软件构建其系统仿真框图如图5所示。
仿真结果见下页图6、图7。
对比图3与图6，可以看出，串联超前校正网络后，可有效限制电机转矩幅值，满足控制系统要求。同时，对比图4与图7可以看出，电动机带螺旋桨启动过程中，螺旋桨转速达到稳定的时间有略微增加，但依然可满足常规设计要求。
3.结论
总而言之，我国在船舶电力推进系统研究及应用方面起步较晚，因此应进一步加强相关技术的研究和开发应用，使船舶能安全运转的投入到生产中，提高经济效益。通过上述分析研究与仿真结果可证实，添加所设计的校正网络环节后，系统的电机转矩幅值得到有效限制，螺旋桨转速变化更为平滑，确实有助于改善系统的瞬态响应。
参考文献：
[1]方宇. 船舶电力推进自动控制系统的研究与设计[D]. 大连海事大学，2010.
[2]王亮. 基于模糊控制的船舶电力推进控制系统的研究与设计[D]. 大连海事大学，2012.
[3]张小伟. 关于船舶电力推进自动控制系统设计与研究的分析[J]. 电子技术与软件工程，2016（9）：154-154.