船舶电力推进系统不同海况下控制策略的研究

摘要

船舶电力推进系统具有经济性能好、易操纵、安全系数高等特点，主要由推进电机和螺旋桨负载两部分组成。永磁同步电动机的磁通密度高，动态性能好，所以通常采用永磁同步电动机作为推进电机。本文以电力推进的船舶为研究对象，对不同海况下的船舶电力推进系统控制策略进行研究。船舶运行是一个复杂连续的过程，本论文对不同海况下的船舶电力推进系统采用不同控制策略，最终使船舶在不同海况下平稳运行。
　　首先，对船舶电力推进系统各模块进行仿真模型的建立，然后对螺旋桨特性进行分析，包括船桨相互作用、桨的敞水特性、进速比等，最后分析船舶运行的阻力以及船舶推进效率的问题。由于船舶运动是一个动态过程，本论文分别对轴、永磁同步电机、螺旋桨进行动态模型的建立，为不同海况控制策略的研究做准备。
　　其次，针对平静海况下的船舶运动，采用了转速控制策略，永磁同步电机采用直接转矩控制策略。平静海况是指海面平静，螺旋桨全部浸没在海水里，桨叶之间无通风存在。此海况的控制目标是使螺旋桨最终输出的转速与给定的转速相等。直接转矩控制具有较高的动态响应，通过仿真结果的分析，验证了转速控制的实用性。
　　再次，针对恶劣海况下的船舶运动，采用了一种类似于汽车ABS系统的抗过旋控制方法。恶劣海况是指海面存在浪、流和涌等恶劣条件，此时桨叶之间存在通风，会造成一定的推力转矩损失，因此船舶运动系统不稳定。为了降低转速和过大的推力转矩损失，引入了抗过旋控制策略。抗过旋控制包括负载转矩监测、损失估算以及通风检测部分，分别对它们进行数学模型的建立，最后进行仿真结果的分析，验证了控制策略的可行性。
　　最后，研究了不同海况下的切换控制策略。本文采用了一种开关切换控制方法，使船舶在不同海况之间平稳切换。先对切换控制运行原理进行分析，再对切换器进行模型的建立，从而解决了不同海况之间的平稳切换问题。通过对仿真结果分析，表明切换控制策略的鲁棒性好，控制效果稳定。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究发展现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 船舶电力推进系统原理分析及建模

2.1 船舶电力推进系统运行原理

2.2 船舶系统中螺旋桨特性

2.3 船舶运动阻力计算

2.4 船舶系统中动态模型的研究

2.5 本章小结

第3章 平静海况下船舶电力推进系统控制策略研究

3.1 控制的基本参数

3.2 控制目标

3.3 船体对螺旋桨的相互影响

3.4 平静海况下永磁同步电机的直接转矩控制

3.5 模型搭建与仿真结果分析

3.6 永磁同步电机建模与MATLAB仿真

3.7 本章小结

第4章 恶劣海况下船舶电力推进系统抗过旋控制研究

4.1 抗过旋控制的控制目标

4.2 抗过旋与防抱死系统类比分析

4.3 负载转矩监测

4.4 转矩损耗估算系统

4.5 抗过旋系数计算模块

4.6 仿真模型的建立

4.7 本章小结

第5章 船舶电力推进系统不同海况下切换控制的研究

5.1 切换控制系统原理分析

5.2 切换控制系统

5.3 切换控制系统仿真结果与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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