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船舶气电混合动力系统瞬态过程优化控制研究
| 论文题名： | 船舶气电混合动力系统瞬态过程优化控制研究 |
| 关键词： | 船舶气电混合动力系统;模式切换;动态协调;半物理仿真 |
| 摘要： | 近年来，将单一的发动机与其它动力形式相结合构成船舶混合动力系统成为节能减排的有效手段。利用混合动力在不同工况下使动力源相结合组成不同运行模式的方法，可以有效提高船舶能效，降低排放。然而混合动力系统在不同工作模式之间进行切换时，保持动力传递的平稳性和连续性是混合动力系统控制中的难点。 本文针对并联式船舶气电混合动力系统在模式切换过程中如何使气体发动机与电机协调工作展开研究。主要完成的研究工作包括以下几个方面: 本文首先对所研究的船舶气电混合动力系统架构进行分析与介绍，在此基础上利用仿真软件对系统中所包含的设备及部件进行基于各自原理的仿真建模工作，其中主要有气体发动机、永磁同步电机、离合器、齿轮箱以及动力蓄电池等设备。由于本文主要对气电混合动力系统模式切换进行研究，在建模工作的基础上对气体发动机和永磁同步电机的动态特性进行了仿真分析。 接下来进行船舶混合动力模式切换动态协调必要性分析，设计了气电混合动力系统模式切换规则。针对系统模式切换过程，首先对混合动力系统结构进行转化，得出不同状态下系统的状态方程。之后通过仿真实验分析得出影响混合动力系统模式切换的参数为电机目标扭矩和离合器结合压力，并构建了评价模式切换过程的函数，该评价函数包含了气体发动机转速波动、传动轴冲击度和离合器滑摩功大小三个评价指标。之后提出利用鲸鱼优化算法，通过调用船舶气电混合动力系统模型，对控制参数进行寻优，使评价函数值达到最小，从而达到优化切换过程的目的。最后根据所设计的混合动力系统模式切换工况，进行了离线仿真实验验证。结果表明，与不进行优化控制相比，优化控制后的模式切换过程无论是气体机转速波动，还是传动系统的工作状况都有了明显改善。 最后搭建了半物理仿真实验平台，对所设计的控制策略进行半物理仿真验证。具体采用NICompactRIO作为系统控制器，NI机箱作为实时仿真机进行实验。在半物理仿真环境下的实验结果显示，对电机目标扭矩和离合器结合压力优化后的模式切换过程能够有效抑制气体机的转速波动，同时减小离合器滑摩过程的摩擦功，也改善了传动系统的工作状况，表明本文所设计的动态协调控制策略能够有效改善船舶气电混合动力系统模式切换过程中所存在的问题。 |
| 作者： | 李康宁 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 宋恩哲;金江善 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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