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1、 专业：姓名：导师：4/19/20231 内容提要一 绪论 二 现代船舶电力系统控制分析与策略 三 柴油发电机组数学模型的建立 四 柴油发电机组计算机控制系统设计 五 结论4/19/20232一 绪论 船舶电力系统的组成 船舶电力系统的特点 船舶电力系统的发展概况 船舶运行状态分类 船舶电力系统的电气参数 船舶供电系统电源控制技术发展趋势 4/19/20233二二 现代船舶电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略 电力系统计算机控制总体方案电力系统计算机控制总体方案 图图1 电力系统的总体控制框图电力系统的总体控制框图 自动化电力系统的总体控制结构如图自动化电力系统的总体控制结构如
2、图1 1所示，它包含了自动化所示，它包含了自动化电站应具备的各功能，由总体控制逻辑把它们组织在一起。电站应具备的各功能，由总体控制逻辑把它们组织在一起。4/19/20234二二 现代船舶电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略 1 1、柴油发电机组控制技术、柴油发电机组控制技术 (1)(1)柴油机技术柴油机技术 从常用的机械离心飞锤式调速器、双脉冲液压调速器、电液调速器发展从常用的机械离心飞锤式调速器、双脉冲液压调速器、电液调速器发展到全电子调速器即到全电子调速器即电喷柴油发电机组电喷柴油发电机组 (2)(2)发电机技术发电机技术 西门子公司的西门子公司的1FC51FC5系列发电机
3、系列发电机2 2、4 4极发电机经功率加权后平均效率达到极发电机经功率加权后平均效率达到93%93%以上以上 (3)(3)自动控制技术自动控制技术 计算机技术的发展，给柴油发电机组自动控制技术的发展提供了新的思计算机技术的发展，给柴油发电机组自动控制技术的发展提供了新的思路和手段，它极大地提高了柴油发电机组自动化运行的最佳性、保护功路和手段，它极大地提高了柴油发电机组自动化运行的最佳性、保护功能的完善性和应急功能的快速性，也可在组成柴油发电机电站的并联化能的完善性和应急功能的快速性，也可在组成柴油发电机电站的并联化和模块化时更简便、可靠和模块化时更简便、可靠 4/19/20235二二 现代船舶
4、电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略 2 2、同步发电机调压系统、同步发电机调压系统同步发电机调压系统由同步发电机、电压校正器、相复励装置、交同步发电机调压系统由同步发电机、电压校正器、相复励装置、交流励磁机、旋转整流器和检测装置组成。系统原理图见图流励磁机、旋转整流器和检测装置组成。系统原理图见图2 2，其中相，其中相复励装置的输入信号控制励磁电路的分流大小，以达到对励磁电复励装置的输入信号控制励磁电路的分流大小，以达到对励磁电压的可控调节。压的可控调节。图图2 同步发电机调压系统原理图同步发电机调压系统原理图 4/19/20236二二 现代船舶电力系统现代船舶电力系统控制分
5、析与策略控制分析与策略图图3 系统硬件结构图系统硬件结构图 3 3、调压器控制系统的设计方案、调压器控制系统的设计方案 带有差动横向电流补偿的调压器带有差动横向电流补偿的调压器 采用现代工控核心器件可编程序控制器采用现代工控核心器件可编程序控制器(PLC)(PLC)4/19/20237 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)(PLC)可编程序控制器可编程序控制器(PLC)(PLC)控制系统的主要功能如下：控制系统的主要功能如下：pp能自动维持机组的准启动状态。能自动维持机组的准启动状态。pp能实现机组的急启、自启。能实现机组的急启、自启。pp市电故障后的机组自启动。市电故障后的机组自启动。pp
6、三次启动。三次启动。pp能够自动调整频率、电压，但需电压调节器。能够自动调整频率、电压，但需电压调节器。pp市电恢复后的市电市电恢复后的市电机电转换。机电转换。pp能实时显示机组的工作状态及参数。启动、怠速运行、市电恢复能实时显示机组的工作状态及参数。启动、怠速运行、市电恢复确认、停机等状态和各类报警信号，过速、油压低、水温高、确认、停机等状态和各类报警信号，过速、油压低、水温高、过压、欠压、过频、欠频、过流、短路、启动故障。过压、欠压、过频、欠频、过流、短路、启动故障。二二 现代船舶电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略4/19/20238 4 4、电子调速器与指针仪表组成的监
7、控系统、电子调速器与指针仪表组成的监控系统此系统通过电子调速器和指针仪表来完成柴油发电机组的转速控此系统通过电子调速器和指针仪表来完成柴油发电机组的转速控制及参数监测。其具体框图如图制及参数监测。其具体框图如图4 4所示。它主要由三部分组成。所示。它主要由三部分组成。转速控制部分转速控制部分 柴油发电机组参数检测柴油发电机组参数检测柴油发电机组的参数报警柴油发电机组的参数报警二二 现代船舶电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略4/19/20239二二 现代船舶电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略图图4 4 电子调速器和指针仪表电子调速器和指针仪表4/19/2023
8、10二二 现代船舶电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略 综上所述，随着自动化机组的不断发展，继电器控制综上所述，随着自动化机组的不断发展，继电器控制及分离电子元件组成的逻辑电路控制逐渐被淘汰。及分离电子元件组成的逻辑电路控制逐渐被淘汰。PLC(PLC(可编程序控制器可编程序控制器)虽然性能稳定，方便灵活，当前虽然性能稳定，方便灵活，当前仍为自动化机组控制器的主力。但其存在着外围电路仍为自动化机组控制器的主力。但其存在着外围电路复杂，并需配置电压、转速、油压、水温、油温的逻复杂，并需配置电压、转速、油压、水温、油温的逻辑判断电路及端口扩展继电器等无法克服的缺陷。由辑判断电路及端口
9、扩展继电器等无法克服的缺陷。由于具有功能强大、工作可靠、扩展简单等优势的微处于具有功能强大、工作可靠、扩展简单等优势的微处理器的出现，为船舶电力系统控制技术的研究提供了理器的出现，为船舶电力系统控制技术的研究提供了新的途径和方法。新的途径和方法。4/19/202311二二 现代船舶电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略本课题的主要研究内容1、船舶电力系统控制策略 科学的发展，推动了自动化机组专业控制器的诞生成为可能和必行。专业控制器要求技术指标更优，使用灵活、外围电路简单、工作可靠、能够迅速得到推广应用。本文提出了以微处理器为核心，将发电机电压、柴油机转速及水温、油温、油压、过流
10、、短路等信号，通过取样变换输入微机系统，实现柴油机发电机组的自启动、自投入及各种故障保护报警功能的专业控制器4/19/202312 专业控制器专业控制器控制器主要由三部分组成：控制器主要由三部分组成：uu发电机控制部分，主要包括电压调节装置、过载、短路保护单发电机控制部分，主要包括电压调节装置、过载、短路保护单元和电压调节器等。元和电压调节器等。uu柴油机控制部分，主要由启动、停机操作、电子调节器及液晶柴油机控制部分，主要由启动、停机操作、电子调节器及液晶显示模块等部分组成，实现对柴油机的工作状态进行监控。显示模块等部分组成，实现对柴油机的工作状态进行监控。uu微机控制部分，该部分是柴油发电机
11、组自动控制的核心，主要微机控制部分，该部分是柴油发电机组自动控制的核心，主要由主机控制单元、信号检测单元、功率驱动单元、参数显示单由主机控制单元、信号检测单元、功率驱动单元、参数显示单元和电源单元等组成。其框图如图元和电源单元等组成。其框图如图6 6所示。所示。2 2 现代船舶电力系统现代船舶电力系统控制分析与策略控制分析与策略4/19/202313二二 现代船舶电力系现代船舶电力系统控制分析与策略统控制分析与策略图图6 专业控制器专业控制器4/19/202314 本课题的主要研究内容2 2、基于基于DSPDSP的柴油发电机组控制系统的柴油发电机组控制系统 实现柴油发电机组控制系统的全数字优化
12、设计，使得自校正调节，实现柴油发电机组控制系统的全数字优化设计，使得自校正调节，非线性控制，自适应控制及模糊控制等复杂算法能够在基于非线性控制，自适应控制及模糊控制等复杂算法能够在基于DSPDSP的的控制系统上良好运行。控制系统上良好运行。通过复杂度适中的通过复杂度适中的DSPDSP硬件设计，采样方式的改进以及数字触发技硬件设计，采样方式的改进以及数字触发技术的应用，提高系统控制精度，简化控制系统结构。术的应用，提高系统控制精度，简化控制系统结构。通过通过DSPDSP与可编程逻辑器件的选用，使得控制策略的改变和控制功与可编程逻辑器件的选用，使得控制策略的改变和控制功能的增加而基本不增加硬件结构
13、的复杂程度，通常只需要在软件上能的增加而基本不增加硬件结构的复杂程度，通常只需要在软件上加以改进或在线对可编程逻辑器件进行编程，硬件无需做很大的改加以改进或在线对可编程逻辑器件进行编程，硬件无需做很大的改变，从而便于产品的升级换代。变，从而便于产品的升级换代。通过通信总线通过通信总线(CAN)CAN)，串行接口与上位机通讯，实现发电机组远程串行接口与上位机通讯，实现发电机组远程监测和控制。监测和控制。构建界面友好的人机接口，便于调试和使用。构建界面友好的人机接口，便于调试和使用。二二 现代船舶电力系统现代船舶电力系统控制分析与策略控制分析与策略4/19/202315二二 现代船舶电力系现代船舶
14、电力系统控制分析与策略统控制分析与策略图图7 DSP7 DSP控制器的结构原理图控制器的结构原理图图图8 8 实时过程中电压转速的波形图实时过程中电压转速的波形图4/19/202316三三 柴油发电机组柴油发电机组数学模型的建立数学模型的建立 柴油发电机组数学模型柴油发电机组数学模型 柴油发电机组是一个多输入多输出的非线性系柴油发电机组是一个多输入多输出的非线性系统，其非线性方程可用下式描述：统，其非线性方程可用下式描述：其中其中4/19/202317三三 柴油发电机组柴油发电机组数学模型的建立数学模型的建立 发电机电压控制原理与数学模型的建立发电机电压控制原理与数学模型的建立 图图9 9 发
15、电机电压控制系统发电机电压控制系统 4/19/202318三三 柴油发电机组柴油发电机组数学模型的建立数学模型的建立 性能指标要求性能指标要求 稳态电压调整率，由空载到满载电压变化率士稳态电压调整率，由空载到满载电压变化率士5%5%；动态响应时间动态响应时间1s1s；负载不平衡度士负载不平衡度士5%5%。励磁控制系统的原理(1)控制发电机端电压。在发电机正常运行工况下，励磁控制系统应维持发电机端电压在给定水平。在发电机负荷变化时，端电压也随之变化。(2)控制无功功率分配。当发电机并网发电时，它输出的有功功率决定于从原动机输入的功率，而发电机输出的无功功率则和励磁电流有关，调节励磁可改变发电机输
16、出的无功功率。4/19/202319三三 柴油发电机组柴油发电机组数学模型的建立数学模型的建立 转速测控原理与数学模型的建立转速测控原理与数学模型的建立图图10 10 柴油机速度控制系统柴油机速度控制系统4/19/202320 柴油机速度控制原理柴油机速度控制原理 (1)(1)柴油机速度控制采用带有有功电流调节内环与速度外环的从属柴油机速度控制采用带有有功电流调节内环与速度外环的从属控制系统。控制系统。(2)(2)其中执行器是微机控制系统实现对柴油机进行调控的最终手段，其中执行器是微机控制系统实现对柴油机进行调控的最终手段，它按照微机控制中心的它按照微机控制中心的“意图意图”动作。执行器由驱动
17、部分、执行动作。执行器由驱动部分、执行电器和机械执行机构电器和机械执行机构3 3部分组成。部分组成。性能指标要求性能指标要求 根据有关标准转速的瞬态调速精度应小于根据有关标准转速的瞬态调速精度应小于5%5%，稳态调速精度应，稳态调速精度应小于小于2%2%，即当电网负载改变时，机组频率和电压要保持稳定，其偏差，即当电网负载改变时，机组频率和电压要保持稳定，其偏差值不超过给定的范围。值不超过给定的范围。三三 柴油发电机组柴油发电机组数学模型的建立数学模型的建立4/19/202321四四 柴油发电机组计算机柴油发电机组计算机控制系统设计控制系统设计 控制系统的系统结构设计控制系统的系统结构设计 图图
18、图图11 11 11 11 硬件系统设计流程框图硬件系统设计流程框图硬件系统设计流程框图硬件系统设计流程框图 4/19/202322四四 柴油发电机组计算机柴油发电机组计算机控制系统设计控制系统设计 基于基于DSPDSP的柴油发电机组控制器硬件设计的柴油发电机组控制器硬件设计 图图图图12 12 12 12 控制器系统框图控制器系统框图控制器系统框图控制器系统框图4/19/202323四四 柴油发电机组计算机柴油发电机组计算机控制系统设计控制系统设计 图图13 13 采用哈佛结构的采用哈佛结构的DSPDSP处理器处理器 4/19/202324四四 柴油发电机组计算机柴油发电机组计算机控制系统设
19、计控制系统设计 前向通道的设计前向通道的设计(ADC)(ADC)控制器所要处理的模拟量主要有发电机的定子三相电压，控制器所要处理的模拟量主要有发电机的定子三相电压，三相电流，励磁电流和柴油机主轴的转速，冷却水温度，三相电流，励磁电流和柴油机主轴的转速，冷却水温度，润滑油油压，油温，输出频率等信号。润滑油油压，油温，输出频率等信号。为减少同步误差，保证整个系统的采样频率和精度的要求，为减少同步误差，保证整个系统的采样频率和精度的要求，使用同步采样使用同步采样A/DA/D转换器转换器ADS8364ADS8364完成定子三相电压，三完成定子三相电压，三相电流的采样，相电流的采样，DSPDSP芯片内置
20、的模数转换模块完成对励磁芯片内置的模数转换模块完成对励磁电流以及柴油机重要参数如水温、油压的采样。电流以及柴油机重要参数如水温、油压的采样。4/19/202325四四 柴油发电机组计算机柴油发电机组计算机控制系统设计控制系统设计 后向通道的设计后向通道的设计(DAC)(DAC)通讯模块设计通讯模块设计 人机接口电路设计人机接口电路设计 外围接口电路设计外围接口电路设计 逻辑控制模块设计逻辑控制模块设计 功率电路的设计功率电路的设计 执行器控制放大电路设计执行器控制放大电路设计4/19/202326五 结论(1)(1)柴油机转速控制和发电机电压控制的数字化改造，能够支持较柴油机转速控制和发电机电
21、压控制的数字化改造，能够支持较为复杂的控制算法在控制器上实时运行，提高了控制系统的运行为复杂的控制算法在控制器上实时运行，提高了控制系统的运行速度和控制精度。通过采用硬件同步的方法，有效减小了同步误速度和控制精度。通过采用硬件同步的方法，有效减小了同步误差，提高了系统采样精度和速度。差，提高了系统采样精度和速度。(2)(2)利用利用DSPDSP功能强，运行速度快的特点，进行数字式移相触发器功能强，运行速度快的特点，进行数字式移相触发器和数字调节器相结合的综合设计，提高了控制精度。选用和数字调节器相结合的综合设计，提高了控制精度。选用DSPDSP及相及相关可编程逻辑器件，可灵活的改变电路设计，便
22、于控制器的升级关可编程逻辑器件，可灵活的改变电路设计，便于控制器的升级换代。根据换代。根据DSPDSP的特点，设计相关电路板，并采用抗干扰措施，提的特点，设计相关电路板，并采用抗干扰措施，提高系统可靠性。高系统可靠性。(3)(3)具有良好的通讯能力和人机界面，便于调试和使用。硬件调试具有良好的通讯能力和人机界面，便于调试和使用。硬件调试时，使用硬件在环仿真系统可以实时验证控制器硬件，控制算法，时，使用硬件在环仿真系统可以实时验证控制器硬件，控制算法，必要时还可进行离线调节，这样可以缩短研发周期，提高系统性必要时还可进行离线调节，这样可以缩短研发周期，提高系统性能。能。4/19/202327致谢
23、 由衷感谢我的导师张炳义教授。由衷感谢我的导师张炳义教授。在学习中在学习中，不但给予我专业知识，不但给予我专业知识和科研能力方面的培养，而且老师渊博的知识、务实的工作作风、严和科研能力方面的培养，而且老师渊博的知识、务实的工作作风、严谨求实的学术态度给了我莫大的激励和教育；老师和蔼谦虚、诚恳待谨求实的学术态度给了我莫大的激励和教育；老师和蔼谦虚、诚恳待人给我留下了难以磨灭的印象。这些都是同样做老师的我学习的榜样人给我留下了难以磨灭的印象。这些都是同样做老师的我学习的榜样和努力的目标，也必将对我以后的人生道路产生深远的影响。值此论和努力的目标，也必将对我以后的人生道路产生深远的影响。值此论文完成之际，谨向张老师致以衷心的谢意和深深的敬意。文完成之际，谨向张老师致以衷心的谢意和深深的敬意。沈阳工业大学的很多老师给予我指导和帮助，在此表示衷心感谢。沈阳工业大学的很多老师给予我指导和帮助，在此表示衷心感谢。最后，感谢出席论文答辩的各位专家、老师在百忙之中所给予的最后，感谢出席论文答辩的各位专家、老师在百忙之中所给予的指导！指导！4/19/202328渤海船舶职业学院电话：邮箱：4/19/202329