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原文传递船舶综合电力推进系统数字化设计技术研究

论文题名：	船舶综合电力推进系统数字化设计技术研究
关键词：	船舶电力推进系统;数字化设计;动态特性;控制策略;可重构性
摘要：	船舶综合电力推进系统是未来船舶的发展方向，相比传统船舶，其具有减少原动机、降低生命周期成本、增强生存能力等优点，同时由于将推进系统及其他用电设备集中到一个统一的配电网络之中，在很大程度上增加了系统设计的复杂性，从而为船舶系统的设计带来了新的挑战。在传统船舶设计逐渐转向数字化设计的现阶段，基于计算机进行船舶的设计及开发已经成为趋势，且考虑到船舶综合电力推进系统设计中的诸多特点，对其数字化设计技术进行研究是十分必要的。本文针对船舶综合电力推进系统数字化设计技术中的以下几个问题进行了研究: 　　首先，针对船舶综合电力推进系统本身分层次、多尺度的动态特性，提出了一个系统的设计框架，将船舶综合电力推进系统的设计与分析根据不同的时间尺度分成了三个层次:运行级（分/小时）、系统级（毫秒）和元件级（微秒），并详细说明这一框架将如何有效支持和改善当前船舶综合电力推进系统的设计过程。在这个层次框架的基础上，根据模型集成计算的概念，提出了一个初步的数字化设计体系结构，在较高的抽象层次确立了系统设计及分析的元模型及规范。这一数字化设计体系结构本身是开放且抽象的，为了实现其定义的设计及分析功能，需要开发一个数字化设计软件平台，为船舶综合电力推进系统的数字化设计建立不同层次、不同领域的设计及分析环境。以潮流计算分析环境的建立为例，描述了数字化设计软件平台的基本开发流程及使用方法。　　其次，船舶综合电力推进系统本身的复杂性往往导致其建模及仿真工作相当耗费时间和计算资源，为此分别建立了船舶综合电力推进系统面向元件级和系统级的建模及仿真环境，为不同的设计分析提供不同精度的模型。其中前者基于Matlab/SimPowerSystems实现，而后者提供了一个具有代表性的系统级建模方法，能够自动生成描述系统动态特性的微分方程组，并调用求解器进行仿真计算。通过在两个不同级别的建模及仿真环境中针对同一系统进行不同工况下的仿真对比，将仿真结果在准确度及仿真效率两方面进行量化评估，证明了面向系统级的建模及仿真环境提供的系统级模型能够有效且快速地获取系统级分析所必要的动态特性，满足系统级设计研究的需求。　　接着，针对船舶综合电力推进系统的控制策略设计问题，建立了一个基于模型的控制策略设计环境。提出了系统整体的控制框架，在研究了该系统暂态性能指标及运行要求的基础上，确定控制问题的具体内容，从而建立控制策略设计环境。为了实现该设计环境的功能，推导了结合序列二次规划算法的摄动分析方法，以求解系统遇到未知扰动，且受到状态约束和控制输入约束条件下的优化问题。通过推进电机突加负载和脉冲负载扰动的两个例子描述了控制策略设计环境的应用过程及控制效果，证明了在该设计环境下可以轻松合成系统的控制结构，而且设计的控制策略能够有效改善系统受到扰动后的暂态特性，使系统更快地回复稳态。　　然后，进行了船舶综合电力推进系统的可重构问题研究，该系统是一个典型的包括了离散事件动态和连续时间动态的混杂系统，离散事件动态由事件驱动，表示了系统的拓扑结构以及特定的系统配置，而连续时间动态则是在时域上用微分方程组来表示。通过分析混杂系统的结构，建立了可重构性分析环境，将系统的混杂自动机模型描述扩展为包括系统正常运行结构和故障结构的自动机模型，在此基础上定义系统的可重构性，也即是在系统发生故障后，能够1）在故障结构下维持在安全状态中，或者2）有机会使系统回到正常运行结构。并给出了分析系统是否可重构的方法。在可重构性分析环境下建立简化船舶综合电力推进系统在战斗模式和巡航模式下突发故障时的混杂自动机模型，并描述了如何在该分析环境下判断系统运行时的可重构性。　　最后，以某船综合电力推进系统设计为例，利用本文开发的数字化设计平台，建立了该系统在元件级和系统级的应用模型，设计了该系统的控制策略，并分析了系统运行时的可重构性，进行了系统仿真，以此验证了本文开发的数字化设计平台的有效性。　　本文的研究成果具有重要的理论研究意义和工程应用价值，可以为船舶综合电力推进系统的设计及研发提供一个具有应用前景的数字化设计软件平台，提高系统设计的效率并改善设计及分析的质量。其研究成果可推广到其它控制系统的数字化设计及仿真验证中去。
作者：	朱琬璐
专业：	控制理论与控制工程
导师：	刘胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文