發布時間：2014-03-11所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 論文提出的面向對象的船舶電力系統數字仿真技術采用了分層結構和模塊化設計，其中，分層結構在減少建模工作量的同時極大地提高了仿真的效率，而模塊化設計則增強了仿真的靈活性和擴展性。因此，該技術在船舶電力系統數字仿真領域中具有較高的實用價值和廣闊的
關鍵詞: 面向對象的仿真技術,船舶電力系統,分層結構,模塊化設計,工科論文發表
摘要: 論文提出的面向對象的船舶電力系統數字仿真技術采用了分層結構和模塊化設計，其中，分層結構在減少建模工作量的同時極大地提高了仿真的效率，而模塊化設計則增強了仿真的靈活性和擴展性。因此，該技術在船舶電力系統數字仿真領域中具有較高的實用價值和廣闊的應用前景。
由于種種原因，大多數情況下不具備在原型上做試驗的條件，此時，具有良好經濟性和實用性的數字仿真就顯得尤為重要了。然而，相對于國外而言，我國對船舶電力系統數字仿真的研究還處在起步階段，各科研院所在進行船舶電力系統數字仿真研究時大多采用面向功能(function-oriented)的技術。工科論文發表《制造業自動化》雜志由北京機械工業自動化研究所主辦。創刊于1979年，是制造業領域具有廣泛影響力的刊物(全國中文核心期刊、中國科技核心期刊、機械行業優秀期刊)。雜志面向市場，面向國內外企事業單位、面向制造業科研、應用、設計、制造、使用等部門。本刊開設多個欄目，刊載自動化領域取得的新成果、新動向、新方法、新器件、新經驗及自動化應用技術信息等。依據中華人民共和國廣告法承辦國內外廣告業務，為刊戶提供宣傳新產品、新技術、新成果的好機會。成為指導選擇和使用、溝通產銷的理想渠道。
由于面向功能的設計方法指導下所建立的仿真系統其系統組織方式和用戶界面是專用的、固定的，不同系統之間則缺乏共同性和相互綜合的可能性，當仿真系統需要不斷擴展和修改功能時，修改工作量很大，并且容易導致系統冗余增大、結構復雜、利用率下降。有鑒于此，本文在參考陸地電力系統數字仿真技術的基礎上，提出了一種基于SIMULINK仿真工具箱的面向對象(object-oriented)的船舶電力系統數字仿真技術。通過對實際系統的數字仿真研究表明，該技術能大大提高仿真的效率，增強仿真的靈活性和擴展性，因而具有良好的應用前景。
1、面向對象的船舶電力系統數字仿真
面向對象的數字仿真技術的核心就是把認識、描述現實系統對象的過程和方法與分析、設計、實現這個系統的過程和方法結合起來。據此，本文提出的面向對象的船舶電力系統數字仿真技術的兩個突出特點是:采用分層結構和模塊化設計。
1. 1分層結構
船舶電力系統與陸地電力系統相比規模雖小，但其復雜程度并未降低。實際上，由于電力電子技術日新月異的發展，使得船舶電力系統變得更加靈活多變。在這種情況下，如果以整個船舶電力系統為對象直接進行仿真研究，不但大大增加建模的難度，也給調試和維護造成了諸多不便。因此，本文提出可以根據研究對象所屬的類層，相應地將整個仿真系統劃分為四個不同的層次，采取分層設計、分層仿真、分層組合、綜合仿真的辦法對船舶電力系統進行數字仿真研究。下面對這四個層次作進一步的說明:
(1)數學層
數字仿真的基礎工作是建立數學模型和在數學模型上做試驗，數學層作為數字仿真中最基礎的層次，擔負著為每一個仿真對象建立數學描述的重任。各種模型建立是否準確，只有通過數學層仿真研究才能判斷。
(2)元件層
船舶電力系統是由許多設備組成的，如發電機、變頻器和推進電動機等。針對這些單個設備建立的仿真對象，本文稱之為元件。通過元件層的仿真研究，我們可以掌握包括輸人輸出特性在內的各種設備參數信息。
(3)功能單元層
按照所實現功能的不同，一個船舶電力系統可劃分為三個主要的功能單元:發電機單元、交流推進單元和負荷單元。由于每一個功能單元都是由若干元件組成的相對獨立的子系統，因此在仿真研究時，可單獨以某一功能單元為對象來考察其內部特性。
(4)系統層
作為數字仿真中的最高層次，系統層研究的對象主要是由發電機單元、交流推進單元和負載單元組成的相對完整的船舶電力系統，仿真的主要目的是考察整個系統各部分之間的相互配合情況以及系統動態和靜態的響應特性。
綜上所述，通過對仿真對象的劃分，仿真系統形成了由簡單到復雜的分層結構。這種分層結構，不僅減少了設計和調試的工作量，更重要的是豐富了仿真研究的手段，因此大大提高了仿真研究的效率。
1.2模塊化設計
在船舶電力系統數字仿真技術發展過程中，仿真目的的多樣性決定了模型的多樣性。為了便于選擇.模型和增添新的模型，仿真系統采用動態模型庫和自定義模塊等方法是非常合理和實用的困。在本文提出的船舶電力系統數字仿真技術中，同樣采用了模塊化封裝設計，不同仿真模塊之間僅以輸人和輸出量相互聯系，這不僅大大提高了仿真的靈活性和擴展性，同時還在很大程度上簡化了系統結構。下面以船舶交流推進電機的控制系統為例，對模塊化設計作進一步說明。
船舶交流推進系統主要由推進電機、變頻器構成。其中主推進電機一般采用永磁同步電動機(PMSM)或異步電動機(Induction motor)，其控制方式有矢量控制(VC)和直接轉矩控制(DTC );而變頻器可選擇交一直一交(AC/DC/AC)變頻或交一交(AC/AC)變頻。它們之間可以靈活組合，從而構成多種交流推進系統的設計方案。針對上述情況，我們在仿真建模過程中，也相應地設計了推進電動機、電機控制器和變頻器模塊。
2、仿真實例分析
鐵道部大連一煙臺火車輪渡采用的是電力推進方式，其電氣主接線如圖4所示。該系統的中心電站以四臺柴油機為原動機，采用自并勵勵磁方式的同步發電機組成;交流推進系統采用的是交一直一交變頻加直接轉矩控制的永磁機方案。由于圖4所示系統采用的是單母線分段的對稱結構，因此下面我們僅以其中一段母線為例來建立仿真模型并進行研究。
2.1仿真建模
在前面的分析中已經指出，按對象的不同，仿真系統從上到下可以劃分為四個層次。基于仿真系統的這種分層結構，我們采取了分層建模的策略。
通過上述分析可知，分層建模采用的是由易到難的模式，而各層次的建模又是相對獨立的，因此這在很大程度上減少了建模的工作量，同時也為系統調試和維護創造了有利條件。
2.2仿真結果分析
實際上，由于仿真系統采用了分層結構，通過各種測量模塊，我們可以十分方便的獲取上至整個船舶電力系統下至單個設備元件在不同工況下的各種指標信息，而這就為工程設計和設備選型提供了理論依據;另外，仿真系統的模塊化設計也使得仿真研究變得更加靈活，針對不同的控制策略和技術方案，，我們所需要做的只是修改和添加相應模塊。
3、結論
本文提出的面向對象的船舶電力系統數字仿真技術具有分層結構和模塊化設計的特點。分層結構的應用可以減少仿真建模的工作量、提高仿真效率，而模塊化設計則增強了仿真系統的靈活性和擴展性。通過對大連一煙臺火車輪渡電力系統的數字仿真研究表明，本文所提出的船舶電力系統數字仿真建模方法是正確和可行的，它為船舶電力系統的研究提供了一個有效的工具。
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