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2021-02-11 05:02:39|
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本发明涉及船舶推进控制技术领域，具体地说，涉及一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法。
背景技术：
在传统的船舶推进装置中，大型低速二冲程柴油机作为主动力推进装置使用非常广泛，但也存在着很多问题，比如运行噪声很大，机舱布置不够灵活，效率较低等。另外，近年来地球能源的不断减少，污染问题严重，更加限制了以大型低速二冲程柴油机为主要推进装置的传统船舶发展。
随着节能减排要求的提高，吊舱式推进系统优于常规机械推进装置逐渐成为目前国内外船舶界的研究热点。它简化了许多复杂的机械装置(如离合器、齿轮箱、中间轴、推力轴等)，比机械系统具有更高可靠性的电气控制系统，系统的可靠性得到了极大的提高，具有起动快、反转快、无级调速、低速稳定等优良的操纵性能。正是由于吊舱推进器具有这些优点，使其成为船舶领域节能减排发展的重要研究方向。但是由于吊舱推进器装置复杂，试验需要消耗大量人力物力，且试验技术和设备不成熟，目前国内大多通过建立吊舱推进船舶的操纵模型进行运动仿真及操作性能研究，文献(朴在吉,郭晨.吊舱推进船舶运动数学模型及其操纵性仿真[j].计算机仿真,2016,33(06):138-142.)研究吊舱推进船舶的操纵性问题，应用mmg建模机理，给出模型中多种流体动力和力矩的合理计算方法，建立了该吊舱船舶操纵运动的综合仿真模型；文献(刘洪梅,许文兵,陈雄,等.吊舱推进与传统推进船舶操纵性能对比分析[j].船舶力学,2011,15(05):463-467.)通过吊舱推进及传统推进船舶的操纵性能模拟试验，对两种推进方式下的操纵性能进行对比分析；尽管国内外学者进行了大量的建模仿真试验，但是，数值方法并不能直观模拟吊舱推进器的真实情况，与实际试验设备系统中进行模拟还存在一定差别，特别在操纵控制性能上，还需要不断的研究。
在实际应用中，船舶在航海过程中安全尤为重要，目前船舶推进系统大多采用单一的控制运行方式，在出现故障时，单一控制运行方式检修困难，将会带来很多麻烦甚至引起安全事故，运行效果不稳定且冗余效果差。
技术实现要素：
为了提高船舶航行中的安全性和控制运行稳定性，便于开展船舶动力定位吊舱推进控制方面的科学研究与实践教学，更为客观的对simotion控制和plc控制两种控制系统实际应用效果进行充分的研究分析，实现理论研究与实际应用紧密结合相互验证的目的。本发明提供了一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法，所述的推进控制实验系统对simotion控制和plc控制两种控制方案进行充分的研究分析，设计了可应用两套控制方案的船舶动力定位吊舱推进控制实验系统，解决现有单一控制系统检修困难，安全性不足的问题。
同时，本实验装置利用dspace系统，建立吊舱推进电机控制系统原型，通过带负载转矩扰动观测器的无模型自适应控制方法，提高调速控制精度，并提供了一种满足应用需求的双吊舱推进系统，可实现灵活高效的船舶控制模拟；负载电机模拟海洋工况，更好的验证推进电机实际控制性能，对于提高船舶航行中的安全性、控制运行精度和稳定性有重要意义。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法，主要包括集控台、simotion控制系统、plc控制系统、dspace系统、转舵机构、推进电机、模拟负载电机和变频器等。
所述集控台输出控制信号，可进行两套控制系统的船舶动力定位吊舱推进的实验模拟，其中，simotion控制系统中，d445、vector和pm340为主要功能模块，d445是吊舱推进系统的运动控制核心，vector和pm340为吊舱推进器的电机控制模块；plc控制系统中，cpu314c-2dp为控制单元，连接变频器实现电机控制。
利用dspace系统，建立吊舱推进电机控制系统原型，通过带负载转矩扰动观测器的无模型自适应控制方法，提高调速控制精度；同时，采用左右双吊舱协同推进的吊舱推进单元，转舵机构控制吊舱360度可回转；负载电机外加在吊舱推进器外部，采用一种伺服加载电机，通过联轴器与推进器尾端相连接，控制伺服电机负载转矩的变化，来模拟海洋工况。
作为优选，船舶动力定位吊舱推进控制实验系统装设simotion控制和plc控制两套控制系统，主要功能模块有：
在simotion控制系统中，模块sitop是电源模块，为系统提供电源；d445为吊舱推进控制系统的运动控制核心；alm为电源调节模块，可将电源功率反馈给供电系统；vector和pm340为吊舱推进器的电机控制模块；
在plc控制系统来说，ps-307是电源模块，为系统提供电源；cpu314c-2dp为控制单元；signal代表了数字量输入信号模块(di)、数字输出信号模块(do)、模拟量输入信号模块(ai)、模拟量输出模块(ao)；cp343-1是以太网通讯模块。
作为优选，船舶动力定位吊舱推进控制试验装置采用双控制系统，simotion控制系统和plc控制系统都可独立进行转舵机构和负载电机的控制，在船舶航行过程中，其中一种控制方案出现故障，可采用另一种控制方案进行控制，同时预留出对出现故障的控制方案维修检测的时间。
作为优选，船舶动力定位吊舱推进试验装置的控制回路由scout设计，在集控台上实现人机交互，通过面板操作和鼠标操作，输入控制量，输出控制信号。
进一步优选，船舶动力定位吊舱推进控制系统的控制结构及流程主要包括：
集控台通过工业以太网分别与simotion控制系统和plc控制系统建立连接，输出控制信号，并接收传感器数据；simotion控制系统通过profibus总线，与该控制系统中的各单元连接，控制单元控制转舵机构和模拟负载电机运行，最终控制吊舱推进的模拟仿真；plc控制系统通过plc总线，与该控制系统的各单元连接，通过profibus总线发送控制字控制变频器，进而控制转舵机构和模拟负载电机，实现吊舱推进的模拟仿真。
对于simotion控制系统，在进行船舶吊舱推进控制实验时，通过scout设计控制回路，将控制信号传到d445运动控制中心，其中包括转舵机构的转向信号和负载电机的模拟负载力矩，计算所需的电动机电流以给定模拟仿真所需的转速，转舵机构控制船舶吊舱360度可回转；外加在吊舱推进器外部的负载电机联轴器与推进电机尾端相连接，通过控制伺服电机负载转矩的变化，来达到模拟海洋工况的效果；
对于plc控制系统，在进行船舶吊舱推进控制实验时，通过scout设计控制回路，将控制信号传到cpu314c-2dp控制单元，该控制单元再通过工业以太网对各单元进行信号传输，发送控制字控制变频器，进而控制转舵机构和模拟负载电机，实现对吊舱推进器的模拟仿真实验。
进一步优选，所述推进系统中的推进电机采用永磁同步电机，在集控台利用dspace系统，建立吊舱推进电机控制系统原型，在控制器中设计带负载转矩扰动观测器的无模型自适应控制方法，计算所需的电动机电流以保持所需转速，并控制变频器的工作状态，与变频器连接，变频器的输出端与吊舱推进器连接，实现船舶动力定位吊舱推进控制。
进一步优选的，船舶动力定位吊舱推进系统在进行动力定位作业时，推进电机要保持良好的速度跟踪精度，在推进电机转速系统中，速度环作为推进电机转速系统的主回路，也是首先受扰动影响的一环，因此在推进电机转速系统的外环中设计无模型自适应控制方法，抑制扰动；并且，考虑未知负载扰动转矩的影响，在系统中设计扰动转矩观测器，前馈至控制器输入端，提高系统控制精度，具体控制方案为：
其中，δn(t)＝n(t)-n(t-1)，δiq(t)＝iq(t)-iq(t-1)；iqmfa(t)为无模型控制律下的输入电流；
速度外环采取基于数据驱动控制的mfac方法，提高推进电机转速系统的控制性能，在上述控制方案中设计转矩扰动观测器，前馈至控制器输入端，提高系统控制精度，给出该控制方案的主要步骤，包括：
s1、首先给出船舶推进电机的运动方程：
其中，ω为推进电机转子角速度，ω＝2πn/60，n为螺旋桨转速；j为推进电机转动惯量；f为摩擦系数；te为电机的电磁转矩；tl为负载转矩；te和tl的具体计算表达式为：
te＝ktiq；
其中，kt为负载转矩系数，
s2、本实验装置采用与推进电机转速方向相反的负载电机模拟洋流阻力等负载，考虑复杂海况下，螺旋桨负载未知，给推进电机的转速控制带来很多不确定干扰。
考虑上述不利影响，在上述推进电机的运动方程中，考虑未知负载扰动，改写为：
其中，pn为电机极对数；t′(t)为未知的负载扰动转矩；
将上述te和tl代数方程代入表达式，得到：
根据ω＝2πn/60，得：
对上式连续时间系统进行离散化，可得：
即：
其中，n(t+1)为t+1时刻推进电机的螺旋输出转速；iq(t)为t时刻q轴的电流；h为采样时间。
由于上述转速系统是一个负载扰动未知且参数时变的复杂非线性系统，可将该系统表示为如下关于输出转速n(t)和输入电流iq(t)的一般非线性系统：
其中，mn、
s3、给出伪偏导数的定义，给出新的转化模型：
对于上述电机控制系统，满足：输入电流和输出转速是可观可控的，有界输入对应有界输出；符合lipschitz条件，当δiq(t)≠0时，|δn(t+1)|≤b|δiq(t)|，b为大于0的常数。则当δiq(t)≠0时，设计伪偏导数φ(t)、k(t)，使得：
n(t+1)＝n(t)+φ(t)δiq(t)+k(t)tl′(t)；
其中，φ(t)、k(t)、tl′(t)均是待求变量，考虑k(t)、t′l(t)为随时间变化的量，将他们合并为一个新的时变螺旋桨负载扰动变量τ(t)，使得τ(t)＝k(t)t′l(t)，得到新的动态线性化模型：
n(t+1)＝n(t)+φ(t)δiq(t)+τ(t)。
s4、针对上述推进电机转速动态线性化数据模型，考虑如下的输入准则：
j(iq(t))＝|nr(t+1)-n(t+1)|2+λ|iq(t)-iq(t-1)|2；
其中，λ为一个正的权重系数，将数据模型带入准则函数，并求解方程
其中，iqmfa(t)为无模型控制律下的输入电流，h1、h2为大于0的步长因子，使控制律更具一般性。
s5、针对上述控制率中的未知参数φ(t)，对其进行估计，考虑如下的估计准则：
通过求解
其中，μ为一个正的权重系数；γ为步长因子，使算法更具一般性；ε是一个充分小的整数。
s6、估算系统受到的扰动转矩，设计负载转矩扰动观测器，进行前馈补偿，具体方法为：
利用电机转子的实际位置信号θ和电流iq作为输入信号，估测的扰动转矩信号
上述转矩扰动观测器需要输入信号iq，一般会带有高频噪声；同时，上述转矩扰动观测器在对总扰动转矩进行估计时，含有两次微分，会增大系统误差，因此，加入一阶低通滤波器进行高频滤波，并对转矩扰动观测器的数学模型进行如下改进：
其中，m1和m2为转矩扰动观测器中低通滤波器的截止频率，该模型将微分次数由2次降低至1次，提高了转矩扰动观测器估算的准确性；将转矩扰动观测器估算出的扰动转矩前馈至输入端抵消总扰动转矩对系统造成的干扰。
进一步优选地，吊舱推进控制系统采用左右双吊舱设计，主要由转向模块、吊柱模块和推进模块组成，协同控制船舶前进和转向；其推进电机被置于一个能360度回转的吊舱内，转向模块中的转舵机构控制吊舱转向；外加在吊舱推进器外部的负载电机通过联轴器与推进器尾端相连接，通过控制伺服电机负载转矩的变化，来模拟海洋工况；推进电机两端直接驱动螺旋桨，转子为螺旋桨的共同轴；双吊舱推进系统，当一侧吊舱出现问题，另一侧吊舱依然可以实现推进和转向控制。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
1、便于开展船舶动力定位吊舱推进控制方面的科学研究与实践教学，更为客观的对simotion控制和plc控制两种控制系统实际应用效果进行充分的验证分析，实现理论研究与实际应用紧密结合相互验证的目的；
2、便于对比两种控制系统的优势和劣势，有效节约平台制造成本；
3、通过集控台连接simotion控制和plc控制两套控制系统，提供了完整的控制方案，在实际应用中，当一种控制方案出现问题，可切换到另一种控制，提高了船舶动力定位吊舱推进系统的稳定性和冗余度；
4、实验装置利用dspace系统，在吊舱推进电机中设计基于数据驱动控制的mfac方法，提高推进电机转速系统的控制性能，解决了常出现的模型失配问题，增强推进电机转速系统的鲁棒性；考虑未知负载扰动转矩的影响，在系统中设计转矩扰动观测器，前馈至控制器输入端，提高系统控制精度。
5、本试验装置采用左右双吊舱协同推进的吊舱推进单元，转舵机构控制吊舱360度可回转，可实现灵活高效的船舶方向控制模拟；负载电机模拟海洋工况，能够更好的验证推进电机实际控制性能，促进全物理仿真实验平台的建设。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明提出的一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法的整体结构图；
图2是本发明提出的一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法的基于dspace的电机控制系统结构图；
图3是本发明所提吊舱推进电机的带负载转矩扰动观测器的无模型自适应控制方案图；
图4是本发明所提吊舱推进电机控制方案中的负载转矩扰动观测器控制系统结构图；
图5是本发明提出的一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法的双吊舱系统正视图；
图6是本发明提出的一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法的双吊舱系统侧视图；
图中标号：1为转向模块，2为转舵机构，3为螺旋桨，4为双吊舱分隔板，5为推进电机，6为吊舱连接的船体，7为回转轴承，8为吊柱通道，9为螺旋桨轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明考虑海洋作业工况下，船舶动力定位推进控制系统安全的稳定性，单一控制系统在运行过程中检修困难，当出现故障时，将会带来很多麻烦甚至引起安全事故，运行效果不稳定且冗余效果差。为了提高船舶作业工程中的安全性和控制运行稳定性，本发明提供了一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法，所述的推进控制实验系统对simotion控制和plc控制两种控制系统进行充分的验证分析，设计了可应用两套控制系统的船舶动力定位吊舱推进控制实验系统，解决现有单一控制系统检修困难，安全性不足的问题。同时，本实验装置利用dspace系统，建立吊舱推进电机控制系统原型，设计带负载转矩扰动观测器的无模型自适应控制方法，提高调速控制精度，解决了常出现的模型失配问题，增强推进电机转速系统的鲁棒性。
另外，在现有船舶吊舱结构基础上，提供了一种满足应用需求的双吊舱推进系统，提高船舶控制的灵活性和稳定性，并在吊舱推进器外部加入负载电机，通过联轴器与推进器尾端相连接，通过电机控制负载转矩的大小，来模拟海洋工况，更好的验证推进电机实际控制性能。下面，结合附图对船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法的具体实施方式作进一步详细说明。
参见图1，本发明的船舶动力定位吊舱推进控制实验系统主要包括集控台、simotion控制系统、plc控制系统、dspace系统、转舵机构、推进电机、模拟负载电机和变频器等。
船舶动力定位吊舱推进实验系统装设simotion控制和plc控制两套控制系统，集控台输出控制信号，可进行两套控制系统的船舶吊舱推进的实验模拟，其中，simotion控制系统中，d445、vector和pm340为主要功能模块，d445是吊舱推进系统的运动控制核心，vector和pm340为吊舱推进器的电机控制模块；plc控制系统中，cpu314c-2dp为控制单元，连接变频器实现电机控制。
具体来说：
在simotion控制系统中，模块sitop是电源模块，为系统提供电源；d445为吊舱推进系统的运动控制核心；alm为电源调节模块，可将电源功率反馈给供电系统；vector和pm340为吊舱推进器的电机控制模块。
在plc控制系统来说，ps-307是电源模块，为系统提供电源；cpu314c-2dp为控制单元；signal代表了数字量输入信号模块(di)、数字输出信号模块(do)、模拟量输入信号模块(ai)、模拟量输出模块(ao)；cp343-1是以太网通讯模块。
参见图1，船舶动力定位吊舱推进实验系统的控制回路由scout设计，在集控台上实现人机交互，通过面板操作和鼠标操作，输入控制量，输出控制信号。所述双控制系统中，simotion控制系统和plc控制系统都可独立进行转舵机构和负载电机的控制，在船舶航行过程中，其中一种控制方案出现故障，可采用另一种控制方案进行控制，同时预留出对出现故障的控制方案维修检测的时间。
在实验装置具体操作时，船舶动力定位吊舱推进控制实验系统的控制结构及流程主要包括：集控台通过工业以太网分别与simotion控制系统和plc控制系统建立连接，输出控制信号，并接收传感器数据；simotion控制系统通过profibus总线，与该控制系统中的各单元连接，控制单元控制转舵机构和模拟负载电机运行，最终控制吊舱推进的模拟仿真；plc控制系统通过plc总线，与该控制系统的各单元连接，通过profibus总线发送控制字控制变频器，进而控制转舵机构和模拟负载电机，实现吊舱推进的模拟仿真。
其中，simotion控制系统，在进行船舶吊舱推进控制实验时，通过scout设计控制回路，将控制信号传到d445运动控制中心，其中包括转舵机构的转向信号和负载电机的模拟负载力矩，计算所需的电动机电流以给定模拟仿真所需的转速，转舵机构控制船舶吊舱360度可回转；外加在吊舱推进器外部的负载电机联轴器与推进电机尾端相连接，通过控制伺服电机负载转矩的变化，来达到模拟海洋工况的效果。plc控制系统，在进行船舶吊舱推进控制实验时，通过scout设计控制回路，将控制信号传到cpu314c-2dp控制单元，该控制单元再通过工业以太网对各单元进行信号传输，发送控制字控制变频器，进而控制转舵机构和模拟负载电机，实现对吊舱推进器的模拟仿真实验。
参见图2，该图为基于dspace的电机控制系统结构图，本实验装置利用dspace系统，通过在集控台建立人机交互界面，显示电机运行状态并给定期望转速，在系统中，对比给定期望转速与实际被控电机系统经编码器信号转换后的输出转速，给出运行误差，作为控制器的输入；在被控电机控制系统中，建立吊舱推进电机控制器，通过带负载转矩扰动观测器的无模型自适应控制方法，提高调速控制精度，计算所需的电动机电流以保持所需转速，并控制变频器的工作状态，与变频器连接，变频器的输出端与推进电机连接，实现船舶动力定位吊舱推进控制。
参见图3，本发明所述吊舱推进系统中的推进电机采用永磁同步电机，船舶动力定位吊舱推进系统在进行动力定位作业时，推进电机要保持良好的速度跟踪精度，在推进电机转速系统中，速度环作为推进电机转速系统的主回路，也是首先受扰动影响的一环，因此在推进电机转速系统的外环中设计无模型自适应控制方法，抑制扰动；并且，考虑未知负载扰动转矩的影响，在系统中设计扰动转矩观测器，前馈至控制器输入端，提高系统控制精度，具体控制方案为：
其中，δn(t)＝n(t)-n(t-1)，δiq(t)＝iq(t)-iq(t-1)；iqmfa(t)为无模型控制律下的输入电流；
图中，速度外环采取基于数据驱动控制的mfac方法，提高推进电机转速系统的控制性能，在上述控制方案中设计转矩扰动观测器，前馈至控制器输入端，提高系统控制精度，给出该控制方案的主要步骤，包括：
s1、首先给出船舶推进电机的运动方程：
其中，ω为推进电机转子角速度，ω＝2πn/60，n为螺旋桨转速；j为推进电机转动惯量；f为摩擦系数；te为电机的电磁转矩；tl为负载转矩；te和tl的具体计算表达式为：
te＝ktiq；
其中，kt为负载转矩系数，
s2、本实验装置采用与推进电机转速方向相反的负载电机模拟洋流阻力等负载，考虑负载海况下，螺旋桨负载未知，给推进电机的转速控制带来很多不确定干扰。
考虑上述不利影响，在上述推进电机的运动方程中，考虑未知负载扰动，改写为：
其中，pn为电机极对数；t′(t)为未知的负载扰动转矩；
将上述te和tl代数方程代入表达式，得到：
根据ω＝2πn/60，得：
对上式连续时间系统进行离散化，可得：
即：
其中，n(t+1)为t+1时刻推进电机的螺旋输出转速；iq(t)为t时刻q轴的电流；h为采样时间。
由于上述转速系统是一个负载扰动未知且参数时变的复杂非线性系统，可将该系统表示为如下关于输出转速n(t)和输入电流iq(t)的一般非线性系统：
其中，mn、
s3、给出伪偏导数的定义，给出新的转化模型：
对于上述电机控制系统，满足：输入电流和输出转速是可观可控的，有界输入对应有界输出；符合lipschitz条件，当δiq(t)≠0时，|δn(t+1)|≤b|δiq(t)|，b为大于0的常数。则当δiq(t)≠0时，设计伪偏导数φ(t)、k(t)，使得：
n(t+1)＝n(t)+φ(t)δiq(t)+k(t)t′l(t)；
其中，φ(t)、k(t)、t′l(t)均是待求变量，考虑k(t)、t′l(t)为随时间变化的量，将他们合并为一个新的时变螺旋桨负载扰动变量τ(t)，使得τ(t)＝k(t)t′l(t)，得到新的动态线性化模型：
n(t+1)＝n(t)+φ(t)δiq(t)+τ(t)。
s4、针对上述推进电机转速动态线性化数据模型，考虑如下的输入准则：
j(iq(t))＝|nr(t+1)-n(t+1)|2+λ|iq(t)-iq(t-1)|2；
其中，λ为一个正的权重系数，将数据模型带入准则函数，并求解方程
其中，iqmfa(t)为无模型控制律下的输入电流，h1、h2为大于0的步长因子，使控制律更具一般性。
s5、针对上述控制率中的未知参数φ(t)，对其进行估计，考虑如下的估计准则：
通过求解
其中，μ为一个正的权重系数；γ为步长因子，使算法更具一般性；ε是一个充分小的整数。
s6、估算系统受到的扰动转矩，设计负载转矩扰动观测器，进行前馈补偿，具体方法为：
利用电机转子的实际位置信号θ和电流iq作为输入信号，估测的扰动转矩信号
上述转矩扰动观测器需要输入信号iq，一般会带有高频噪声；同时，上述转矩扰动观测器在对总扰动转矩进行估计时，含有两次微分，会增大系统误差，因此，加入一阶低通滤波器进行高频滤波，并对转矩扰动观测器的数学模型进行如下改进：
其中，m1和m2为转矩扰动观测器中低通滤波器的截止频率，该模型将微分次数由2次降低至1次，提高了转矩扰动观测器估算的准确性；将转矩扰动观测器估算出的扰动转矩前馈至输入端抵消总扰动转矩对系统造成的干扰。
参见图4，该图为本发明所提吊舱推进电机控制方案中的负载转矩扰动观测器控制系统结构图；本实验装置采用与推进电机转速方向相反的负载电机模拟洋流阻力等负载，考虑复杂海况下，螺旋桨负载未知，给推进电机的转速控制带来很多不确定干扰。因此，在控制方案中估算系统受到的扰动转矩，设计负载转矩扰动观测器，进行前馈补偿，具体设计方法为：
s1、利用电机转子的实际位置信号θ和电流iq作为输入信号，估测的扰动转矩信号
上述转矩扰动观测器需要输入信号iq，一般会带有高频噪声；同时，上述转矩扰动观测器在对总扰动转矩进行估计时，含有两次微分，会增大系统误差，因此，加入一阶低通滤波器进行高频滤波，并对转矩扰动观测器的数学模型进行如下改进：
图中，m1和m2为转矩扰动观测器中低通滤波器的截止频率，该模型将微分次数由2次降低至1次，提高了转矩扰动观测器估算的准确性；将转矩扰动观测器估算出的扰动转矩前馈至输入端抵消总扰动转矩对系统造成的干扰。
下面，给出本实施例所提的带负载转矩扰动观测器的无模型自适应控制方案的控制器参数。
在matlab/simulink仿真环境下建立船舶动力定位吊舱推进电机控制系统。推进电机参数为：额定电压为660v；额定功率为4700kw；转子永磁体磁链为2.6458wb；电阻为0.00164ω；电机极对数为8；d轴电感为0.0085h，q轴电感为0.0085h。本实施例所述的速度外环通过带负载转矩扰动观测器的无模型自适应控制器控制，控制器参数主要包括：给定转速信号50r/min-80r/min，γ＝1.2，η＝1，μ＝0.6，λ＝0.9。
本实验系统采用左右双吊舱协同推进的吊舱推进单元，参见图5和图6，分别为本实验系统的正视图和侧视图。所述船舶动力定位吊舱推进系统主要由转向模块、吊柱模块和推进模块组成，协同控制船舶前进和转向。左右双吊舱推进系统由分隔板(4)分离，在单个吊舱推进系统中，转舵机构(2)通过带动吊舱通路(8)控制吊舱360度可回转；所述推进电机(5)被置于一个能360度回转的吊舱内，两端直接驱动螺旋桨(3)转动，转子为螺旋桨的共同轴(9)；双吊舱推进系统，当一侧吊舱出现问题，另一侧吊舱依然可以实现推进和转向控制。
上述详细介绍了本发明所述的一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法的具体实施方式，便于开展船舶吊舱推进simotion控制和plc控制方面的科学研究与实践教学，更为客观的对simotion控制和plc控制两种控制系统实际应用效果进行充分的验证分析，实现理论研究与实际应用紧密结合相互验证的目的。同时能够对比两种控制系统的优势和劣势，有效节约平台制造成本。
本发明公开了一种船舶动力定位吊舱推进控制实验系统及方法，主要包括集控台、simotion控制系统、plc控制系统、dspace系统、转舵机构、推进电机、模拟负载电机和变频器等。通过集控台连接simotion控制和plc控制两套控制系统，提供了完整的控制方案，集控台输出控制信号，可进行两套控制系统的船舶动力定位吊舱推进的实验模拟。其中，simotion控制系统在进行船舶吊舱推进试验时，通过scout设计控制回路，将控制信号传到d445运动控制中心，其中包括变频器的保护和故障诊断，计算所需的电动机电流以保持所需转速，并控制变频器的工作状态，实现吊舱推进控制；plc控制系统在进行船舶吊舱推进试验时，通过scout设计控制回路，将控制信号传到cpu314c-2dp控制单元，该控制单元再通过工业以太网对各单元进行信号传输，发送控制字控制变频器，进而控制转舵机构和模拟负载电机，实现对吊舱推进器的模拟仿真实验。在实际应用中，当一种控制方案出现问题，可切换到另一种控制，提高了船舶动力定位吊舱推进系统的稳定性和冗余度。同时，本实验装置利用dspace系统，建立吊舱推进电机控制系统原型，设计带负载转矩扰动观测器的mfac算法，提高调速控制精度，解决了现有技术中鲁棒性较差的问题，具有较强的抗干扰性和鲁棒性，可以提高推进电机的转速和转矩控制精度。
本发明既能提高船舶航行中的安全性和控制运行稳定性，还可以提高推进电机的控制性能，试验装置采用左右双吊舱协同推进的吊舱推进单元，转舵机构控制吊舱360度可回转，也可实现灵活高效的船舶方向控制模拟。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
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