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船舶电力推进系统仿真与试验平台


第20卷第9期
2008年5月

系统仿真学报@
Journal of System Simulation

、,01.20No.9

May.2008

船舶电力推进系统仿真与试验平台
王振滨1,牛立2杜宝江3
(1.上海电气集团股份有限公n--]中央研究院,

上海200070i 2.上海动力设备有限公司,上海200090; 3.上海理工大学虚拟制造技术研究院,上海200093)

摘要:运用虚机实电思想,搭建了一套船舶电力推进系统仿真与试验平台.蕾平台能够完成以 下两个功能:可以实时进行直拟船舶驾驶和虚拟吊舱操纵的三雏可视化仿真;可以进行吊舱螺旋 桨的负戴仿真试验.该平台不但可以作为调试船舶电气控制设备之用,还可以用来培训船舶驾驶员,
具有良好的经济和社会效益。详细介绍了其软硬件结构和组成,并对系统的实时性问题提出了解决 方案。通过试验验证了该平台确能实现上述功能。 关键词:虚机实电;虚拟船舶驾驶;虚拟现实;螺旋桨负载仿真 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1004-731X(2008)09.2316.03

Simulation and Experiment Platform for
(1.Centre

Marine Electric

Propulsion System

WANG Zhen.binl,NIU Li2,DU Bao-jian93
Academy,Shanghai Electric Group Joint-Stock Co.,Ltd.,Sharlghai 2.Shanghai Power 3.Virtual

200070,China;

Equipment Co.,Ltd,。Shanghai
Institute of

200090.China;

Manufacturing

USSZ

Shanghai 200093,China)

Abstract:A simulation and experimentplaO。orm was

builtfor
can



marine electric propulsion system by means ofusing the idea

of

virtual machines and

actual
ship
an

electrical devices.It

realize

the following
only
test

two

functions:It

call

simulate

the

3-D load

visualization simulation

of a virtual

steering

and its virtual Azipod
Call

manipulating
not

process in real the

time;it

can

fulfill the

experiment of
detail
set as

Az妒od
as

propeller.It

be used

to

marine electrical control devices but also

train the ship

steerers,and
well

thus has good

introduced in
verified via a

economic and social benefits.The system architecture and components were the solving scheme of the real time issue.Its COErCCn_ICSS of realizing the above functions Was


of experimental devices.

Key words:virtual machines and actual electrical devices;virtual ship steering;virtual reality;propeller load simulation

引言
近年来随着电力电子技术、变频电机制造技术、电机控
制理论和计算机控制技术的迅速发展,国际上船舶电力推进 方式重新兴起,电力推进系统的装船率也逐年上升,已经成 为国外船舶动力发展的主要方向。船舶电力推进技术在我国 的研制和应用还处在初级阶段,主要停留在理论探讨和数字 仿真的基础上【l。3】。目前只有极少数厂家能够成套引进国外 电力推进装置用于部分游轮或客轮上。我国在船用大功率永 磁电机、高压大容量电力电子器件、吊舱推进器等方面的设 计、制造技术与西方发达国家相比还有很大的差距。为了尽 快提升我国船舶工业整体竞争力,提高船用机电设备装船 率,突破西方国家对我国的技术封锁,开发具有我国自主知 识产权的船舶电力推进系统已经势在必行,为此上海电气 中央研究院在上海电气集团的支持下,成功研发了一套国内 领先的船舶电力推进系统的仿真与试验平台。 船舶电力推进系统仿真与试验平台是以吊舱式船舶电 力推进系统为研究对象,运用虚机实电【4】思想搭建了一套
收藕日期:2007-Ol一24 ●回日期:2007-05.11 作者简介:王撮滨(1973.).男,江苏镇江人.博士,高工,研究方向为分 数阶线性系统和虚机实电系统:牛立(1973.),女,上海人.工程师,研究 方向为电站辅机系统和虚机实电系统:杜宝t1"(1962.),男,教授,研究方 向为虚拟制造、虚拟现实系统研究.

“机械虚拟化,控制数字化”的仿真试验平台。该平台涵盖了 虚拟船舶驾驶、虚拟吊舱操纵、螺旋桨负载仿真试验及监控 与检测等多方面内容,可以用于船舶驾驶培训、船舶电力推 进系统的仿真与试验,缩短船舶电力推进系统的开发周期与 成本。

1船舶电力推进系统仿真与试验平台系统 结构与功能优点
船舶电力推进系统仿真与试验平台总体上可以分为“实 电”、“虚机”和远程通讯三部分,“实电”包含船舶操纵台、 船舶操纵电控系统和电力推进系统:“虚机”指虚拟船舶驾驶 三维可视化系统,包含虚拟驾驶和虚拟吊舱三维可视化仿真 模块及通讯接口;远程通讯系统用来实现“实电”和“虚机”部 分的数据通讯功能。船舶电力推进系统仿真与试验平台结构 图见图l。

1.1船舶操纵台
船舶操纵台主要包含能操纵船舶前进、停止、加速、 减速和后退的船钟和控制船舶航行方向的船舵组成,可以用 来模拟真实船舶的驾驶过程,产生船舶的前进、停止、转弯、 后退、加速、减速等不同运行状况的数模信号,它们将通过 数据采集模块采集到船舶操纵电控系统中。

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王振滨,等:船舶电力推进系统仿真与试验平台
工控机 HP-xw9300图形工作站 虚拟船舶驾驶可视化系统 开发平台:VB6.0

May,2008

船舶操纵台 前进、停止、 后退、转弯、 加减速等信号 开发平台:vc6.o++ 。。。。。。。。。。。。。。。__●_________________。一 船舶操纵电控系统

1.3虚拟船舶驾驶可视化仿真系统
虚拟船舶驾驶可视化仿真系统包含虚拟驾驶 和虚拟吊舱三维可视化仿真模块及数据通讯接口, 它是整个系统的“虚机”部分。其场景取自黄浦江从 外白渡桥到南浦大桥两岸一段场景,场面宏大有气 魄,画面优美,配合三块三星42英寸等离子显示 屏,实际操纵船舶操纵台时,整个画面既有“上海

数据l船、浆、机 采集J数学建模 模块 I模块

虚拟驾 驶三维 可视化 仿真模 块

虚拟吊舱 三维可视 化仿真模 块

驱动由变频器、 交流电机、负载 直流发电机(高

...............J1................一
本机通讯模块

速)、负载磁粉离
合器(低速)组成 的电力推进系统 远程数据通讯系统

通讯接口

电气号”虚拟游船在黄浦江中行驶的大场面(占2.5 显示屏),也有虚拟吊舱式电力推进系统的局部场景 (占0.5显示屏),加上场景程序中带有背景音乐和配

局域网UDP通讯协议

图1

船舶电力推进系统仿真与试验平台结构图

音,给人以身临其境的视听觉享受。虚拟船舶驾驶 可视化仿真系统采用VB6.0/VC++6.0/X3D[71/ DirectX[8]/OpenGLt9】混合编程技术,运用多线程技术,利 用两个线程分别开发虚拟吊舱和虚拟驾驶三维可视化仿真 模块,它们通过不同的端口共用同一个m地址与远程数据 通讯系统进行数据通讯。通讯协议采用UDP协议,由于工 控机和图形工作站之间的距离在3米之内,所以数据传输的 可靠性完全能够保证。

1.2船舶操纵电控系统
船舶操纵电控系统包含数据采集模块和船、机、桨数学 建模模块和本机数据通讯模块。船舶操纵电控系统是在工控 机上运行的,它的软件开发平台采用vc++6.0,原因有三t c语言可以直接对硬件进行读写操作,数据采集的可靠性和 效率都很高;便于实现vC++6.0和MATLAB7.0is】两大软件 平台的混合编程;可以利用vC卜+6.0的CSocket类[6】进行数 据通讯。 1.2.1数据采集模块 采用两块研华公司生产的数据采集板PCL818和 PCL726作为工控机的数据采集卡,采集船舶操纵台发来的 前进、后退、停止、转弯、加速、减速等数模信号,送往船、 机、桨数学建模模块进行计算仿真。 1.2.2船、机、桨数学建模模块 建立合适的船、机、桨的数学模型。根据数据采集模 块采集到的船舶运行各种数模信号,计算出船舶航行速度、 方向和电力推进回转部件的转速、转矩、阻力矩、推进功率、 推进回转部件产生的推力、船体阻力、负载直流发电机及磁 粉离合器的励磁回路等运行参数,并把计算结果输出到相应 的仪表上进行实时显示。 1.2.3本机数据通讯模块 .本机数据通讯模块主要实现工控机上的电控系统与远 程数据通讯系统之间的本机实时通讯。考虑到数据交换量较 大,采用UDP协议,与TCP/IP协议相比,前者不需要网络 侦听,所以所占网络资源较少,数据传输量较大,但数据易 丢失。由于是本机通讯,实践证明采用UDP协议,数据传 输还是很可靠的。 1.2.4电力推进系统 电力推进系统主要包含超级电容供电器、变频器、推 进异步电机、直流发电机(模拟高速负载)、磁粉离合器(模拟 低速负载)和转矩转速仪等,用来模拟推进吊舱的运行过程, 并进行吊舱螺旋桨的负载仿真试验。

1.4远程数据通讯系统
远程数据通讯系统主要实现工控机与图形工作站之 间的远程实时通讯功能,它是船舶操纵电控系统和虚拟船舶 驾驶可视化仿真系统之间的数据通讯中转站,它与船舶操纵 电控系统运行在同一个工控机上,分两个进程,分别单独运 行。远程数据通讯系统接受船舶操纵电控系统发过来的船舶 及吊舱式电力推进系统的各种运动控制信号,并把它们实时 发送到虚拟船舶驾驶可视化仿真系统,控制虚拟船舶和虚拟 吊舱式电力推进系统的运行状况,同时它还具备对远程鼠标 和键盘的控制功能,即能利用工控机的鼠标操作与图形工作 站相连的三块等离子显示屏幕,便于测试两台计算机之间的 数据通讯过程。远程数据通讯系统的软件开发平台为VB 6.0,通讯协议采用UDP协议。其运行界面如下:

图2远程数据通讯系统界面图

2仿真的关键技术
实时性问题是本系统实施过程中的关键技术问题,它主 要包含以下两个方面的问题。

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2.1船、机、桨模型的实时仿真计算问题
运用MATLAB7.O/Simulink建立上述船、机、桨系统的 数学模型,并通过MATLAB7.0的数学引擎,实现在vc++6.O 中直接调用MATLAB7.0的相关函数,求解上述数学模型, 实现两大平台的混合编程,从而能够发挥两大平台的各自优 势,极大地提高编程效率。虽然混合编程增加了系统的内存 开销,但实践证明系统的整体运算速度还是可以满足实时性 要求的。

包括船舶操纵台,一台工控机,内插一块PCL818和一块 PCL726数据采集板,一台liP.xw9300图形工作站,三星 42英寸等离子显示屏3个,拼接为2400x600显示墙,室内 网络,55千瓦吊舱式电力推进机组及其它监控报警设备。 图4、5分别给出了虚拟船舶驾驶及虚拟吊舱可视化三维场 景图和吊舱螺旋桨负载仿真试验曲线图。

2.2船舶操纵电控系统与虚拟船舶驾驶可视化仿真
系统的实时数据交互问题
本问题是整个系统实时性问题的关键,由于虚拟船舶 驾驶系统的场景是游轮在上海黄浦江上从杨浦大桥至南浦 大桥(远景到卢浦大桥)段自由航行,看到浦江两岸的景物, 为上海滩最具代表性的一段场景。整个场景十分庞大,涉及 到地图、建筑三维几何形状、建筑外观、地理位置、河岸、 河水、树木及其它众多的物体。再加上三维图像的显示与效 果渲染、三维动画的实现及通信都要消耗大量的内存资源, 并对计算机显卡等硬件设备有较高的要求。为解决实时性问 题,对数据的处理和三维图像、三维动画的制作过程进行了 大量的简化和优化工作。具体的解决措施如下: 1.场景处理: ?综合运用三维建模和图片三维混合技术,以便在不
图4虚拟船舶驾驶可视化三维场景图 图3船舶电力推进系统虚机实电仿真平台

牺牲场景显示效果的前提下,尽量减少系统内存开销。如,
浦东方向东方明珠、金茂大厦等标志性建筑和视力范围内的 其它建筑以三维建模为主和图片三维混合方式为辅。浦西方 向外滩建筑群及其西部的其它标志性建筑和视力范围内其 它建筑,以图片三维混合方式为主,三维建模为辅; ●对场景中的主、次要细节作适当增删和润饰,达到 较好的艺术效果。如,南浦大桥段黄浦江两岸建筑,以表证 桥梁为主,路径做适当缩短,两岸景色进行简化处理。在黄 浦江两岸适当增加2010年上海世博会规划中的部分建筑; ?采用X3D/SolidWorks/OpenGL等多种建模方法, 建立建筑物、游船、河流、航道、吊舱、螺旋桨、水流等三 维模型,以达到最佳场景处理效果。 2.数据变换与数据通讯处理: ●采用了DirectX、JavaScript[10]和VB6.0混合编程技 术将虚拟场景接收到的控制信号变换成视点的变化数据; ●通过直接调用操作系统的时间API函数,确保通讯 同步; ?采用了UDP报文协议,避免了握手信号的速度延 迟等问题; ?采用了多线程处理技术,将图形图像的处理与通信 过程分隔开来。
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图5吊舱螺旋桨负载仿真试验曲线图

现场仿真与试验结果表明,操作人员能够通过真实船 舶操纵台在上海外滩一段黄浦江虚拟场景上,灵活自如地实 时“驾驶”“上海电气号”虚拟游轮,实现前进、停止、加减速、 后退和转弯多种运行方式,同时能够实现实时操纵虚拟吊 舱,完成上述多种运行方式的转换过程。整个运行过程总体 上快速平稳,虚拟现实场景宏大而逼真,给人以身临其境的 视、听觉享受。吊舱螺旋桨负载仿真试验曲线图反映出由直 流发电机和磁粉离合器模拟的船舶电力推进系统螺旋桨负

3仿真试验验证
船舶电力推进系统虚机实电仿真平台见图3,主要设备

载转矩与转速之间的近似平方关系,说明由直流发电机和磁 粉离合器组成的负载系统可以在陆地上模拟水下吊舱螺旋 桨负载,达到预期效果。
?2318?

(下转第2322页)

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高了组件的运行效率和程序的移植性。 光学遥感成像模拟软件组件实现结构如图3所示。对于 组件对象DBAccessCom、AtmosTransCom和ImageProcCom 来说是3个普通的COM对象,而对于组件ORSISS来说, 虽然它本身是一个COM组件,但它同时又是组件对象 DBAccessCom、AtmosTransCom和ImageProcCom的客户, 因为组件ORSISS调用了这3个对象的功能服务。

或适应不同的客户程序。利用上述方案实现的光学遥感成像 模拟软件具有良好的扩展性和维护性,在实际运行中稳定可 靠,各组件模块可以方便地移植到其它的应用程序中,大大 提高了软件的编写效率。

参考文献:
【l】 Multigen—Paradigm
Inc.Vega Prime Programmer’s Guide Version

2.O【Z】.Multigen—Paradigm 【2】
John Kerekes,David of

Inc,2005. Analysis

Laadgrebe.Modeling,Simulation,and
Sensing

Optical Remote

Systems

fPhD Thesis)[D]ffrechnical
of Electrical Engineering.

Report TR—EE 89-49.USA:Purdue August

School

1989.

【3】



Boemer,L

WiesL

P Kener'R Reulke,R tool for

Richter,M Schaepman,D
of hyperspeetral Remote

Schlacpfer.SENSOR:a remote sensing

the simulation
ISPRS

systems[J].

J.Photogr.

图3光学遥感成像模拟软件组件实现结构

14]

徐鹏,蓄长宁,王涌天,等.航天光学遥感器目标与背景仿真系统
研究叽系统仿真学报,2003,15(12):1763—1765?(xu

ORSISS不再重复这3个对象已经实现的功能,而是通 过3个对象的接口来提供对外的功能服务,因此客户程序可 以通过
IRSSimuInterface

调用

IDBAccessCom、

竺=:篙=:=:=芒=0=:
Sp珊bame叽Joumal
1763-1765.) 15]
of system

Peng,

Simulation.2003,15(12):

IatmosTransCom和IimageProcCom接口,使客户可以和数 据加载、数据处理、图形显示进行交互,客户程序也可以通

I!ili,禹秉熙.基于图像仿真的对地遥感过程科学可视化研究叽

过IRSDataInte嘲∞接口调用聚合在ORSISS中的其它组件
对象。 3

要萼仿真学謦12。002,.1'竺.756-7。60._州G.G柚g,YU.m“;‘。
on SClenHIIC VISUal l Zfl[10il
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sensing

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imagcry Ut6)6(41,2002.叽撕lumiS yO simulation【J】Joumal of Systcm

On:

结论
本文描述了用COM组件技术来实现的光学遥感成像模

【6】誓裟之M原理与应用【M】.北京:清华大学出版社,1999.
[71

王国吼Visual c++技术内幕fM】-北京:清华大学出版杜,1996.

一一÷…-i-…÷…-.t-…●一…-j-
(上接第2318页) 4

拟软件的设计与实现过程。由于coM技术的优越性,通过 更改或添加新的COM组件就可使系统方便地增加新的功能

一一÷一…÷…-t-…÷…-t-…●一一
2006,47(4):51_56? 【3】

喁1茎蓑秦0墓登端:遥感数据模型与处理方谢M?北氨中国科
王淼,戴剑锋,周双喜,鲁宗相等.全电力推进船舶电力系统的数字 仿真【J】.电工技术学报,2006,21(4):62-67.
【4】

结论
船舶电力推进系统仿真与试验平台的研制成功,搭建了

王振滨,牛立,余鹿延.柔性印刷机虚机实电仿真系统m.系统 仿真学报,2007.19(2):293.295.(WANG
Virtual


zhen.bin,NIU

Li,Yu

一套“机械虚拟化,控制数字化”的船舶电力推行系统的仿真Le—yah.A 与试验平台。船舶电力推进系统仿真与试验平台具备两大功

Machine and

Actual Electrical Devices

Simulation
of 8ystem

能.虚㈣自驾驶及虚拟吊舱操纵.吊舱螺旋獭载仿真

syStem

for

Flexible

Printing

Maclline叽Journal

【5】

觥。尝篓:氘程序设糯帆西安.西安
电子科技大学出版社,1998. 肖桂放.Visual c++网络与数据库编程rM】.北京:中国电力出版

试验。船舶电力推进系统仿真与试验平台不但可以作为调试 船舶电气控制设备之用,还可以用来培训船舶驾驶员,可以 取得良好的经济和社会效益。55千瓦电力推进机组建成之
【71 16]

伍’m儿‘

后,目前上海电气集团中央研究院正在筹建200千瓦电力推 进机组,船舶机电设备关键技术研究也正成为上海电气集团 一个新的拓展领域。
【8】

曼要是虚拟现实基础与VRML编程‘M1北京:高等教育出版社?
叶至军.Visual c++巾i佗ctx9 3D游戏开发导引【M1.北京:人民邮 屯出版杜,2006.

参考文献:
[11

p1票气甚萎耄盘象,焉’马晓瞻咖GL程序设计M?北
【lo】袁建洲。尹击吉.JavaScript编程宝典【M】.北京:电子工业出版社。
2006.

高海波,高孝洪,陈辉,林治国.吊舱式电力推进装置的发展及应用 [f1.武汉理工大学学报,2006,30(1):77.80.

【2】

赵红,郭晨,吴志良.船舶电力推进系统建模与仿真m.中国造船,

?2322?

万   方数据

船舶电力推进系统仿真与试验平台
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: WANG Zhen-bin, 牛立, DU Bao-jiang, WANG Zhen-bin, NIU Li, DU Bao-jiang 上海动力设备有限公司,上海,200090 系统仿真学报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION 2008,20(9) 1次

参考文献(10条) 1.高海波;高孝洪;陈辉;林治国 吊舱式电力推进装置的发展及应用[期刊论文]-武汉理工大学学报 2006(01) 2.赵红;郭晨;吴志良 船舶电力推进系统建模与仿真[期刊论文]-中国造船 2006(04) 3.袁建洲;尹喆 JavaScript编程宝典 2006 4.乔林;费广正;林杜;芦丽丹 马晓峰 OpenGL 程序设计 2000 5.叶至军 Visual C++/DirectX9 3D游戏开发导引 2006 6.段新昱 虚拟现实基础与VRML编程 2004 7.肖桂放 Visual C++网络与数据库编程 2002 8.楼顺天;于卫;闫华梁 MATLAB程序设计语言 1998 9.王振滨;牛立;余鹿延 柔性印刷机虚机实电仿真系统[期刊论文]-系统仿真学报 2007(02) 10.王淼;戴剑锋;周双喜;鲁宗相 全电力推进船舶电力系统的数字仿真[期刊论文]-电工技术学报 2006(04)

引证文献(1条) 1.张桂臣.任光 船速复合误差调节器半实物仿真及稳定性分析[期刊论文]-系统仿真学报 2010(2)

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