船舶电力推进系统动态过程仿真与推进电机控制方法的研究(1).pdf

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分类号密级UDC单位代码10151船舶电力推进系统动态过程仿真与推进电机控制方法的研究船舶电力推进系统动态过程仿真与推进电机控制方法的研究刘刘雨雨申请学位级别工学博士学科（专业）交通信息工程及控制论文完成日期2011年12月答辩日期2012年3月指导教师郭晨职称教授学位授予单位大连海事大学答辩委员会主席ResearchonDynamicProcessSimulationofShipElectricalPropulsionSystemandPropulsionMotorControlDissertationSubmittedtoDalianMaritimeUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringbyLiuYu（TrafficInformationEngineering&Control）DissertationSupervisor:

ProfessorGuoChenDecember2011大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明原创性声明本人郑重声明：

本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士学位论文“船舶电力推进系统动态过程仿真与推进电机控制方法的研究”。

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年年月月日日创新点摘要创新点摘要1针对船舶电力系统有限电网特性和大功率船舶电力推进驱动全工况仿真的需要，建立了船舶电力系统整体微分/代数方程数学模型，实现了多台柴油发电机组并联运行的动态过程仿真和推进电机起动时刻全船电力系统的动态过程仿真。

2结合扩展卡尔曼滤波观测器，提出了一种基于负载角限制的确保电机控制同步的新型直接转矩控制算法，实现大功率内装式船舶永磁同步推进电机的无速度传感器直接转矩控制。

3针对大功率内装式船舶永磁同步推进电机的速度控制问题，分别提出了一种基于滑模变结构的矢量控制方法和一种基于多模态免疫支持向量机的动态解耦控制方法，实现了大功率内装式船舶永磁同步推进电机的速度闭环控制过程的仿真。

中文摘要摘要船舶电力推进系统是船舶电力系统和电力推进传动单元两大系统综合，船舶电力推进传动单元的功率占据船舶电力系统容量50%以上，与船舶电力系统之间存在很强的耦合，增加了系统的复杂性。

论文以典型电力推进船舶的电力推进系统为对象，对船舶电力推进控制系统的建模仿真和大功率船舶永磁同步推进电机的控制算法进行了系统的研究，完成了以下研究工作。

（1）建立了由船舶柴油发电机组、大功率船舶永磁同步推进电机和船桨组成的系统数学模型。

以并网柴油发电机组旋转坐标系为参考，构造船舶电力系统微分代数方程，采用牛顿法求解多台柴油发电机组并联运行时刻的母线电网电压。

给出了关于推力系数和扭矩系数的螺旋桨特性计算方法，满足了船舶电力推进驱动全工况范围的仿真需要。

柴油机调速器依据速度下倾特性控制电网频率和有功功率分配，自动电压调节器引入均压线概念，实现柴油发电机组并联运行的动态过程仿真和综合船舶电力推进系统的动态过程仿真，结果验证了数学模型和计算方法的有效性。

（2）为了解决传统直接转矩控制在大功率内装式船舶永磁同步推进电机应用中存在的不足，提出了采用扩展卡尔曼滤波观测器对内装式船舶永磁同步推进电机精确参数估计的方法和基于负载角直接限制和间接限制相结合的直接转矩控制算法。

将扩展卡尔曼滤波观测的定子电流磁链、位置和速度信息用于基于负载角限制的直接转矩控制，实现了无速度传感器的负载角限制直接转矩控制。

仿真结果表明提出的直接转矩控制算法能够保证电机运行同步，具有良好的转速和力矩控制性能。

（3）为了实现大功率内装式船舶永磁同步推进电机电流跟踪的快速性和准确性，将一种改进的滑模控制算法应用于内装式船舶永磁同步推进电机电机最大转矩电流比控制调速系统中。

根据用极值原理推导出最大转矩电流控制方法,选取积分滑模面和指数趋近律,设计滑模变结构电流控制器，给出了控制系统的稳定性证明。

仿真结果表明新型滑模变结构矢量控制与常规矢量控制相比较具有更好的控制效果。

中文摘要（4）针对大功率内装式船舶永磁同步推进电机的多变量、非线性和强耦合的特性，提出了一种基于多模态免疫支持向量的广义逆系统方法，对大功率内装式船舶永磁同步推进电机进行动态解耦控制研究。

证明了大功率内装式船舶永磁同步推进电机的可逆性，给出了免疫支持向量机逆系统结构。

将基于多模态免疫算法的支持向量机参数优选算法应用到大功率内装式船舶永磁同步推进电机逆模型学习中，将逆模型串接在电机之前构成伪线性复合系统实现MIMO系统的线性化与解耦，设计了PID控制器进行分别控制。

仿真试验结果表明，该控制策略能有效地改善大功率内装式船舶永磁同步推进电机调速系统的动态性能，增强其鲁棒性和抗干扰的能力。

关键词：

船舶电力推进系统；柴油发电机组；扩展卡尔曼滤波；滑模变结构；免疫支持向量机；逆控制系统关键词：

船舶电力推进系统；柴油发电机组；扩展卡尔曼滤波；滑模变结构；免疫支持向量机；逆控制系统英文摘要ABSTRACTTheintegratedelectricpropulsionsystemisahybridsystemcomposedofshippowersystemandpropulsiondriversystem.Electricpropulsion,whichusuallyconstitutesmorethan50%ofthewholeelectricload,hasalargeimpactontheshippowersystemandcausesagreatincreaseinitscomplexity.Asaconsequenceitissignificanttoreseachthemodelofintegratedelectricpropulsionsystemanddrivercontrolofpermanentmagnetsynchronouspropulsionmotor.ZhongTieYiHaoisselectedasthesimulationobject.Tooptimizetheintegratedfullelectricalpropulsionsystemscontrolcharacteristics,theintegratedelectricpropulsionsystem,consistingofshippowerstation,permanentmagneticsynchronousmotor,propellerandship,ismodeled.Systemmodelisbuiltwithrespecttorotatingcoordinateofthedieselgeneratorconnectedtogrid.Tocalculatepropellerscharacteristics,asimplifiedregressionfunctioncalculatingthrustcoefficientandtorquecoefficientisgiven.Newtonmethodandimplicittrapezoidalintegrationmethodareusedtosolvedifferentialalgebraicequations.Thespeedgovernorcontrolsgeneratorfrequencyandactiveloadaccordingtothespeeddroopcharacteristic.Voltageregulatorintroducestheconceptofaveragevoltageline.Theeffectivenessofthemathematicmodelandsimulationmethodisdemonstratedbysimulationresults.AnovelsensorlessdirecttorquecontrollerbasedonextendedKalmanfilterforelectricalpropulsionsystemisproposed.Tosolvetheinstabilityproblemwiththebasicdirecttorquecontrol,anewdirecttorquecontrolmethodbasedonloadanglerestrictionispresented.Thesimulationresultsshowthattheproposedmethodcanestimatethestatevariablesaccuratelyandimprovetheperformanceofthedirecttorquecontrolofinnerpermanentmagnetsynchronousmotor.Inordertorealizetherapidityandaccuracyofcurrentcontroll,aslidingmodevariablestructurecontrolstrategyisintroducedtoinnerpermanentmagnetsynchronousmotormaximumtorqueperamperespeedcontrolsystem.Themaximumtorqueperamperecontrolschemeisinducedaccordingtoextremumprinciple.Currentcontrollerisdesignedbyusingintegralslidingmodesurfaceandexponentialapproachlaw.The英文摘要stabilityoftheresultingclosedloopsystemisanalyzedandproved.Theresultsofsimulationresultsshowthattheperformanceofnewcontrolschemeismoreeffectivecomparedwiththeconventionalvectorcontrol.Sincetheinnerpermanentmagnetsynchronousmotorisanonlinearmultivariablecoupledsystem,amethodofsupportvectormachineinversecontrolbasedonimmuneoptimizationisproposed.Thegeneralizedreversibilityofpropulsionmotormodelistestifiedandtheinvertcontrollermodelisgiven.Consequently,theinversemodelsystemiscompletedbyasupportvectormachinebasedonimmuneoptimizationandcombinedwithmotor.Themotornonlinearsystemistransformedintotwosingleinputsingleoutputlinearsubsystems,whichiscontrolledbyPIDcontroller.Simulationresultsshowthatproposedcontrolstrategycanimprovethedynamicperformanceofthesystemgreatlyandstrengthentherobustness.KeyWords：

ShipElectricalPropulsion;DieselGeneratorSets;ExtendedKalmanFilter;SlidingModeControl;ImmuneSupportVectorMachine;InverseControlSystem目录目录第1章绪论.11.1课题研究的背景、目的和意义.11.2船舶综合电力推进控制系统的研究现状.31.2.1船舶电力推进系统的应用.31.2.2船舶电力系统的仿真.51.2.3电力推进传动系统的建模及控制.71.2.4船舶电力推进系统的整体动态仿真.71.3永磁同步电机控制技术的研究现状.81.3.1无速度传感器的实现.91.3.2永磁同步电机非线性控制.101.3.3永磁同步电机智能控制.111.4智能逆系统控制的研究现状.121.4.1逆控制系统的解析实现.121.4.2永磁同步电机的神经网络逆控制.131.4.3支持向量机的参数选优.141.4.4支持向量机逆控制系统.151.5课题研究内容.15第2章船舶电力推进系统的建模与动态过程仿真.172.1船舶电力推进传动系统的建模.172.1.1大功率内装式船舶永磁同步推进电机的数学模型.172.1.2螺旋桨数学模型.192.2船舶电力系统的建模.202.2.1中速四冲程柴油机MAK9M25的数学模型.212.2.2同步发电机数学模型及励磁机数学模型的标幺值方程.222.2.3静态负荷模型.232.2.4电网模型.232.3微分代数方程求解.252.4柴油机调速器及自动电压调节器设计.262.5船舶柴油发电机组并联运行的动态过程仿真及分析.272.5.1柴油发电机组并车过程的动态仿真.272.5.2船舶电力推进系统的整体动态过程仿真及分析.33目录2.6本章小结.39第3章大功率船舶永磁同步推进电机的直接转矩控制.413.1永磁同步推进电机传统直接转矩控制理论.423.1.1直接转矩控制的基本原理.423.1.2定子磁链估计.423.1.3开关电压矢量选择.443.2基于负载角限制的直接转矩控制.453.3基于扩展卡尔曼滤波的无速度传感器设计.473.3.1扩展卡尔曼滤波的基本原理.473.3.2大功率内装式船舶永磁同步推进电机的数学模型.483.3.3扩展卡尔曼滤波的状态估计.503.4计算机仿真.523.4.1负载角限制的直接转矩控制仿真.523.4.2无速度传感器直接转矩控制仿真.573.5本章小结.61第4章基于滑模变结构的大功率船舶永磁同步推进电机矢量控制.634.1矢量控制的原理介绍.634.1.1d轴电流为零的矢量控制方式.634.1.2最大转矩最小电流的矢量控制方式.644.1.3电压空间矢量的调制与控制.684.2基于滑模变结构的永磁同步推进电机矢量控制的设计.694.2.1滑模面选取.694.2.2变结构控制律的求取.704.2.3控制系统性能分析.714.3仿真结果.724.3.1传统矢量控制仿真结果.724.3.2滑模变结构d轴电流为零控制方式的仿真结果.754.3.3滑模变结构（最大转矩最小电流）控制仿真结果.774.4本章小结.80第5章基于多模态免疫算法的支持向量机参数选优.815.1机器学习的基本问题描述.815.2支持向量机.825.2.1支持向量分类机.82目录5.2.2支持向量回归机.835.2.3支持向量模型.845.2.4核函数.865.3支持向量机的其常用训练算法.865.4免疫优化算法.875.5基于多模态免疫算法的支持向量机参数优选.885.5.1算法流程.895.5.2实验及其结果分析.89第6章大功率船舶永磁同步推进电机的逆系统解耦控制.936.1多变量非线性系统的逆系统的描述.936.1.1多变量非线性系统的逆系统的基本概念.936.1.2采用状态方程描述的MIMO逆系统分析.946.1.3采用输入输出微分方程描述的MIMO的逆系统分析.986.1.4采用输入输出微分方程描述的广义逆复合系统.1006.2基于支持向量机逆系统的解耦控制.1016.2.1基于支持向量机逆系统的结构.1016.2.2基于免疫支持向量机逆系统的学习与训练.1046.2.3基于免疫支持向量机逆系统的控制方法.1046.3基于免疫支持向量机的大功率内装式船舶永磁同步推进电机逆系统解耦控制.1056.3.1永磁同步推进电机的数学模型分析.1056.3.2船舶永磁同步推进电机的可逆性分析.1066.3.3船舶永磁同步推进电机支持向量机逆系统解耦控制的实现.1096.4免疫支持向量机逆控制仿真结果.1116.4.1免疫支持向量机逆控制动态解耦控制效果.1116.4.2免疫支持向量机逆控制负载抗干扰性能.1156.5本章小结.117第7章结论.119参考文献.121攻读学位期间公开发表论文.133致谢.135船舶电力推进系统动态过程仿真与推进电机控制方法的研究-1-第1章绪论1.1课题研究的背景、目的和意义船舶电力推进是一种采用一台或几台原动机发电机组向船舶电网供电，根据船舶操纵要求，对船舶推进电机进行控制从电网获取能量，间接或直接驱动螺旋桨的推进方式1。

船舶综合电力推进技术是将电力系统、推进系统和自动化系统集成在一起的综合解决方案。

船舶综合电力推进具有调速范围广、推进功率大、船舶操纵性好、布局灵活、振动和噪音小等特点，显示出良好的发展前景，除了渡轮和豪华游轮以及一些对机动性要求较高的船舶外，还广泛应用于大中型常规船舶2。

船舶电力推进系统已成为水面舰艇动力系统未来发展方向的一个重要领域，是国际船舶自动化技术发展的一个热点，船舶电力推进系统的研究工作成为国际国内造船界和科研院所的研究热点。

目前，国外已经开发出多种类型的船舶电力推进系统并得到了实际的成功应用，一些发达国家新造船舶的30%已采用电力推进系统。

目前我国虽已有采用电力推进装置的船舶，但主要的核心推进装置仍依赖于进口，在船舶电力推进系统的研究方面起步比较晚，与发达国家相比还存在着较大的差距。

究其原因：

首先船舶电力推进的技术长期被国外厂商垄断，国内设计制造的电力推进船舶所采用的方案和设备完全由国外厂商提供，技术封锁现象非常严重。

其次，船舶综合电力推进系统是在以电气工程和控制工程为基础上发展起来的一个多学科交叉并高度综合的研究领域，目前我国的电力推进理论基础学科薄弱。

再者，船舶电力推进的应用领域大多用于军事和特殊场合，由于行业的特殊性没有得到应有的关注和重视，特别是这一重要场合不为广大从事电力电子与传动控制领域的学者所熟悉。

现代系统仿真技术是通过计算机运行描述系统动态特性的数学模型再现系统特性，对系统特性进行分析、设计，达到进行实验研究的目的，可用于实际系统难以实现的领域、工程领域和非工程领域，已经成为复杂系统不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要工具。

船舶电力系统是电源、配电装置、第1章绪论-2-电力网及用电负载所组成的完整体系的总称，现代船舶电站一般采用两台和两台以上的同步发电机组并联供电，各机组可以互为备用。

为了保证投入运行的发电机都能处于经济运行的负荷状态和提高船舶电网的可靠性及稳定性，需要建立单台柴油发电机的数学模型，对单台柴油发电机的运行特性进行验证，然后进一步综合、系统性研究多台柴油发电机组并联运行动态特性，对船舶运行时电力系统的各种工况进行精确的仿真，以满足系统设计方案的论证、船舶发电机组控制的评估、系统参数的整定和故障仿真的分析等研究的需要。

总之，进行柴油发电机组的并联运行的仿真研究具有重要的实用价值。

船舶电力推进系统的优点就是其系统化、模块化及集成化，需要把系统各部分联系起来统一研究，为舰船总体设计提供了总体优化的基础。

船舶电力推进系统是船舶电力系统和推进系统的融合，推进电机的容量占据船舶电力负荷的50%以上，对船舶电网有很大的冲击，导致了其复杂性。

船舶电力推进系统的研究，不仅需要在一定深度上理解推进电机驱动系统的独立运行特性，而且需要进一步研究电力推进传统单元与船舶电力系统之间的相互作用。

通过船舶电力推进系统仿真实验平台的建立，一方面建立一个完善的性能测试平台，在自动化机舱和模拟器中的柴油主机推进方式中同时加入电力推进装置方案，实现柴油发电机和电力推进并存，对船舶电力推进系统中相关的设备和器件进行科学的试验，用于分析、预测和研究推进装置在变工况下的全电力推进系统动态性能，为全电力推进模拟器的研制进行探索和积累经验，提高船员的电气水平和计算机能力，训练胜任电力推进船舶的轮机管理人员，对培养船舶电气专业技术人才具有一定的现实意义；另一方面为柴油发电机组和推进电机的控制算法设计提供一个仿真平台，用于解决推进控制与电网可用功率之间的协调控制技术，避免由于推进功率的变化而造成电网波动甚至崩溃。

推进电机及其控制技术是船舶电力推进的关键技术之一，直接关系到电力推进船舶的操纵性能。

由于船舶电力推进系统工况的自身特殊性，永磁同步推进电机驱动控制技术与常规的电机控制技术比较而言，存在更大功率，大功率内装式船舶永磁同步推进电机的容量达到兆瓦级，电机参数与小功率电机特性差异较大，船舶电力推进系统动态过程仿真与推进电机控制方法的研究-3-传统的直接转矩与矢量控制理论在大功率内装式船舶永磁同步推进电机中的直接应用需要进行一定的改进。

直接转矩的电压开关矢量表在电机负载角范围有效，当超出电机负载角就会导致电机失去同步。

矢量控制也会因为电压限制和电流限制作用，导致