基于Modelica/MWroks的船舶电站控制系统建模与仿真研究

陆锡江，安丽，李咏桐

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610； 2.电子信息产品可靠性分析与测试技术国家地方联合工程研究中心，广州 510610；3.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 510610）

引言

21世纪以来，随着我国船舶工业的发展，在船舶行业也取得很多的成果，并且我国船舶产量位居前列。但是由于船舶智能化，自动化方面的研究起步比较晚，一些关键的技术还没有掌握。欧美一些西方国家很早开始研究船舶技术，在电站监控系统等方面取得了许多成果，像西门子的未来者电站管理系统，STL的ISC系统等等，这些年随着我国的科研工作者不断研究，一些关键的技术取得了突破，也获得了很多的成果，但是在船舶电站自动化控制方面，我国还是有所欠缺，一些核心的设备仍需要从国外进口，所以我们仍然需要大力发展船舶电站控制相关技术，加强我国船舶核心技术研究，以此来增强我国海上国防实力，所以对舰船电站控制系统方面的研究是十分必要的。

本文通过研究船舶电站控制系统的数学模型，并在国产化多领域统一建模Modelica/Mworks仿真验证平台进行船舶电站控制系统的仿真建模，相对于Matlab仿真平台，Mworks.Sysplorer更适合于工程应用，它具备多工程领域的系统和仿真能力，广泛应用于航天、船舶车辆等行业，本文的舰船电站控制模型就是基于Mworks.Sysplorer平台进行建模和仿真，以此验证船舶电站控制系统的一系列功能。

1 Mworks仿真验证平台

1.1 Mworks.Sysplorer 简介

MWorks.Sysplorer是面向多领域工业产品的系统级综合设计与仿真验证平台。基于国际多领域统一建模规范Modelica，提供了可视化建模、仿真建模、仿真计算到结果分析的完整功能，Sysplorer支持工业设计知识的模型化表达和模块化封装，支持基于物理拓扑的快速系统模型集成与设计验证，支持多方案优选及设计参数优化，以知识可重用、系统可重构方式，为工业企业的设计知识积累与产品创新设计提供了有效的技术支撑，对及早发现产品设计缺陷、快速验证设计方案、全面优化产品性能等具有重要价值。Mworks.Sysplorer仿真平台示意图如图1。

图1 Mworks.Sysplorer仿真平台示意图

1.2 Mworks.Sysplorer主要功能及特点

1.2.1 多领域统一建模与一致表达

基于多领域统一建模语言Modelica，MWorks.Sysplorer支持组合不同领域的工程构件形成多领域仿真模型，通过基于方程的建模支持模型复用，更加贴近系统工程实际，从而实现：

1）统一标准：统一的模型表达标准，支持无缝的模型集成；

2）统一模型：统一的全系统模型，为多专业设计协同奠定了基础；

3）统一平台：支持系统级、子系统级与部件级多层次统一设计验证。

避免采用传统的基于接口的单专业软件联合仿真模式带来的弊端：

1）软件种类繁多，需要对应软件提供相关接口，不便于应用；

2）分散于各软件平台中的异构模型难以体系化管理；

3）对复杂的多领域耦合系统求解效率

1.2.2 完备的结果后处理分析

MWorks.Sysplorer提供完备的结果处理分析工具，主要包括：曲线显示与运算、三维几何动画、数字化动态仪表、结果报表生成、参数分析工具、参数标定与分析、多学科优化。

1.2.3 便捷的可视化建模环境

MWorks.Sysplorer提供多文档多视图的建模环境，能够方便地快捷进行可视化建模，其主要功能包括：代码助手、自动查错与规范性检查；灵活的插件机制，方便系统扩展；物理单位的自动推导与检查；不同粒度的模型加密保护；交互式查看与监视变量选择；参数、数据的导入导出；优越的模型编译与求解性能；完善的用户管理功能。

1.3 Modlica概述

随着工业产品的自动化与智能化发展，多领域耦合已成为当前工业产品的一个显著特点，多专业设计协同与模型集成已成为工业产品系统设计的必需技术。

Modelica是在此背景下推出的一种多领域统一建模语言。Modelica语言继承了先前多种领域建模语言的优点，融合了Java语言的面向对象机制与Matlab的数组表达机制，是一种面向设计工程师的业务描述语言，能够有力地支撑基于模型的系统工程应用。

1.3.1 面向对象建模

Modlica制以类为中心组织和封装数据，强调陈述式描述和模型的重用，通过面向对象的方法定义组件与接口，并支持采用分层机制、组件连接机制和继承机制，实现了模型基于模块化、层次化的设计、开发和应用，可以使使得开发的模型具有扩展性，便于用户的使用、修改和完善。

1.3.2 多领域统一建模

Modlica可基于能量守恒的原理，可以让不同专业所组成的大型系统模型在同一软件工具下进行构建和分析，避免不同分系统、不同专业之间不同类型模型的复杂解耦，有效的克服了基于接口的多领域技术所引起的解耦困难、操作复杂的问题，进而改善模型的求解性和准确性，如图2所示。

图2 DC电机伺服系统

1.3.3 工程应用

基于Modelica对多领域物理系统统一建模的支持，借助系统数字化设计与验证平台MWorks.Sysplorer可应用于许多领域。

1）飞机系统仿真分析（航空领域应用Modlica建模仿真）：

围绕飞机早期论证与方案设计，采用Sysplorer平台建立飞机级系统模型：主要对飞机的航电系统、燃油系统、电气系统、液压系统、飞控系统、和起落架系统建立仿真模型。

2）三相异步电动机仿真分析（机电行业应用Modlica建模仿真）

由于磁材料饱和、磁滞、涡流和导电材料趋肤效应等影响，三相异步电机在起动过程中的动态特性很复杂。采用Sysplorer电磁计算模型库，在现有电机模型基础上，进一步考虑铁磁材料饱和、磁滞、涡流影响和导电材料趋肤效应，以及温度影响，扩展系统功能，实现电机驱动系统的自顶向下的设计，以便实时观测到电机起动到平稳运行过程中的相电流、相电压、电磁转矩等特性参数，并且可以计算出电机的功率因数、效率等参数，为产品的性能分析和方案改进提供可靠依据。

2 基于Mworks的船舶电站控制系统建模及仿真

本文以研究船舶电站控制系统为研究对象，通过在多领域多专业物理统一建模与仿真软件平台Mworks上搭建同步发电机的空载启动仿真模型、同步发电机的突加负载仿真模型、同步发电机的突加突卸异步电动机仿真模型和同步发电机双机并联运行仿真模型，用来验证船舶电站控制系统的运行机理和功能。

2.1 同步发电机组空载启动仿真

同步发电机组的空载起动实验是研究发电机组的起动性能的主要方式，空载启动意义非常大，它能检测空载下同步发电机组的运行状况，测试同步电机组的是否正常，在船舶电站控制系统中空载启动试验是非常重要的试验，其仿真模型如图3所示。

图3 同步发电机组空载起动仿真模型

该仿真模型模拟了同步发电机组空载启动时的运行工况，设置好负载空载启动参数，当发电机组空载启动时，其仿真结果参数如图4所示，可以看出同步发电机组的励磁电压在刚起动时非常大，随着发电机输出端的电压形成，励磁电压在不断减小并且很快达到额定值。发电机组输出端A相电压维持在450 V左右，A相电流基本为零。

图4 空载时同步发电机组输出端工况

2.2 同步发电机组突加突卸负载

通过在不同时刻加入负载和卸掉负载，来观察同步发电机组仿真过程时的系统参数，以此来验证舰船电站自动控制系统仿真效果。在MWORK里搭建的单台发电机组突加突卸负载模型如图5。

图5 单台发电机组突加突卸负载仿真模型

图6 单机组突加突卸负载时发电机组A相电流

该仿真模型模拟了船舶电站控制系统中单台同步发电机组突加和突卸负载时的运行工况，该模型所带负载均为电阻性负载，设置好同步发电机组突加和突卸负载时相应的参数，其仿真结果参数如下图所示，从下图可以看出在加入负载的5 s、10 s和15 s时，同步发电机组的励磁电压，发电机组角速度、励磁电压和发电机组的A相电压波动都很小，波动幅度很稳定，在20 s时，负载从电网中脱离出来，可以看到发电机的A相电流变为零，角速度在负载脱离瞬间快速上升，一段时间后恢复稳定。通过观察和分析该仿真模型的仿真结果，我们对船舶电站控制系统控制同步发电机组突加突卸负载时的运行机理有了更深入的理解。

2.3 同步发电机组突加突卸异步电机

在舰船电站自动控制系统中，我们知道异步电动机是舰船电站重要的负载，影响着电站的稳定运行，异步电动机投入运行和带电感性负载时，异步电动机投入运行。单个发电机组投切异步电动机模型如图7所示。

图7 单机组投切异步电动机仿真模型

该仿真模型模拟了单台同步发电机组投切异步电动机，设置好感性负载参数，当同步发电机组投切异步电机时，系统的各个参数发生了变化，当投入异步电机时，发电机转速降低，异步电机脱离电网时，转速开始上升，在励磁调压系统的作用下，我们可以看到很快的恢复了稳定。其仿真结果如图8所示。

图8 带电感性负载投切异步电机时发电机转速

2.4 同步发电机组双机并联仿真

双机并联仿真实验中，发电机组1为在网机组，发电机组2为代并机组，两同步发电机组参数基本相同，在仿真模型中，发电机组2并入电网开关由并车模块决定是否合闸，发电机组带的两个负载均为电阻性负载。双机并车仿真模型如图9所示。

图9 发电机组并车仿真模型

该仿真模型模拟了同步发电机组并车仿真运行工况，设置好并车仿真参数，在系统仿真过程中，设置发电机组1空载运行，第5 s时，电阻性负载1接入电网运行，在第10 s的时候机组控制器发出指令，同时并车模块开始检测，相位、电压、频率都满足条件时，开始并车，使两台发电机组并联运行。在15 s时，接入电阻性负载2，观察两机组并联运行状态，其仿真结果如图10所示。

图10 同步发电机组的有功功率

从仿真结果分析得出，在10 s时开始并车，发电机组1的有功功率在下降，发电机组2开始并入电网，输出的有功功率在增加，并车结束后实现了有功率的均分。

3 结论

本文针对船舶电站控制系统，基于面向对象的对领域统一建模语言Modelica和国产MWORKS仿真平台，构建船舶电站控制系统运行机理仿真模型，完成了对船舶电站控制运行机理的仿真研究，得出主要结论如下：

1）采用Mworks平台，可以有效的搭建船舶电站控制系统的仿真模型，基于方程的建模，更加贴近工程实用，有效的实现了船舶电站控制的运行机理。

2）通过仿真模型结果分析，准确的了解到船舶电站控制系统各工况下设备的运行状态和规率，可以作为理论分析和验证的依据，在船舶电站控制系统仿真研究中取得了良好的结果。