船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中改進(jìn)DTC策略的深度剖析與應(yīng)用實(shí)踐

一、引言1.1研究背景與意義1.1.1船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)際貿(mào)易的日益繁榮，航運(yùn)業(yè)作為國(guó)際貿(mào)易的重要載體，在全球經(jīng)濟(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色。船舶作為航運(yùn)業(yè)的核心裝備，其動(dòng)力系統(tǒng)的性能直接影響著船舶的運(yùn)營(yíng)效率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力系統(tǒng)主要采用柴油機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳遞給螺旋槳，從而實(shí)現(xiàn)船舶的推進(jìn)。然而，這種傳統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)存在著諸多缺點(diǎn)，如能源利用效率低、排放污染嚴(yán)重、振動(dòng)和噪聲大等。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)船舶前進(jìn)的新型動(dòng)力系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)相比，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：一是能源利用效率高，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，從而提高能源利用效率；二是環(huán)保性能好，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)使用的燃料是電力，在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢氣和噪聲，對(duì)環(huán)境更加友好；三是布置靈活，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電機(jī)和控制器可以根據(jù)船舶的實(shí)際需求進(jìn)行靈活布置，不受傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)裝置的限制，從而提高船舶的空間利用率；四是動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)船舶的各種工況變化，如加速、減速、轉(zhuǎn)向等，從而提高船舶的操縱性能和航行安全性。正是由于這些優(yōu)勢(shì)，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)不僅在大型油輪、集裝箱船、液化天然氣運(yùn)輸船等商船領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而且在軍艦、海洋工程船、科考船等特種船舶領(lǐng)域也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)將朝著智能化、高效化和環(huán)?；姆较虬l(fā)展。一方面，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)智能化控制和管理，能夠根據(jù)船舶的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，從而提高系統(tǒng)的效率和可靠性；另一方面，隨著新型電機(jī)材料和制造工藝的不斷創(chuàng)新，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)將采用更高效的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，以及更先進(jìn)的能量?jī)?chǔ)存技術(shù)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量利用率和環(huán)保性能。1.1.2DTC策略的應(yīng)用現(xiàn)狀直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl，DTC）策略作為一種高性能的交流調(diào)速控制技術(shù)，自問(wèn)世以來(lái)就受到了廣泛的關(guān)注和研究，并在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。DTC策略的基本原理是通過(guò)直接控制電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)相比，DTC策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是控制算法簡(jiǎn)單，DTC策略直接對(duì)電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和矢量解耦運(yùn)算，從而簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和算法；二是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，DTC策略能夠快速跟蹤電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速調(diào)節(jié)，滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求；三是魯棒性強(qiáng)，DTC策略對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)仍保持較好的控制性能。盡管DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中也暴露出一些問(wèn)題。首先，DTC策略存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的DTC系統(tǒng)中，通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，這種控制方式會(huì)導(dǎo)致逆變器的開(kāi)關(guān)頻率不恒定，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不僅會(huì)影響船舶的航行舒適性，還會(huì)對(duì)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)造成額外的磨損和疲勞，降低系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。其次，DTC策略的開(kāi)關(guān)頻率不恒定。由于逆變器的開(kāi)關(guān)頻率受到滯環(huán)比較器的控制，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)隨之發(fā)生較大的波動(dòng)。開(kāi)關(guān)頻率的不恒定會(huì)導(dǎo)致電磁干擾增加，影響系統(tǒng)中其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)增加逆變器的損耗和散熱難度。此外，DTC策略在低速運(yùn)行時(shí)的性能較差。在低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)較小，定子電阻的影響相對(duì)較大，導(dǎo)致傳統(tǒng)DTC策略的控制精度下降，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，甚至可能出現(xiàn)失步現(xiàn)象。1.1.3改進(jìn)DTC策略的意義針對(duì)傳統(tǒng)DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。改進(jìn)DTC策略可以有效提升船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的性能。通過(guò)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，能夠使船舶運(yùn)行更加平穩(wěn)，減少因轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成的沖擊，提高船舶的航行舒適性和安全性。同時(shí)，優(yōu)化后的DTC策略可以提高電機(jī)的控制精度，使電機(jī)在不同工況下都能更準(zhǔn)確地輸出所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而提升船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。改進(jìn)DTC策略對(duì)提高船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。恒定的開(kāi)關(guān)頻率可以減少電磁干擾，避免對(duì)船舶上其他電子設(shè)備的影響，確保船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)面臨著各種不確定性因素，如風(fēng)浪、負(fù)載變化等，改進(jìn)后的DTC策略能夠增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)這些干擾的魯棒性，使系統(tǒng)在不同工況下都能保持穩(wěn)定運(yùn)行，提高船舶的可靠性和生存能力。改進(jìn)DTC策略還具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義。提升系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性可以減少設(shè)備的維護(hù)和維修成本，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。高效的控制策略可以降低電機(jī)的能耗，提高能源利用效率，從而降低船舶的運(yùn)營(yíng)成本，增強(qiáng)船舶在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，改進(jìn)DTC策略有助于船舶行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，符合時(shí)代發(fā)展的需求。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，DTC策略的研究一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱門(mén)話題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用及改進(jìn)進(jìn)行了大量研究。國(guó)外對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)DTC策略的研究起步較早。早在20世紀(jì)80年代，德國(guó)學(xué)者Depenbrock和日本學(xué)者Takahashi等人就提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，為DTC策略在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此后，國(guó)外眾多學(xué)者圍繞DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用展開(kāi)了深入研究。在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方面，有學(xué)者提出采用空間矢量調(diào)制（SVM）技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滯環(huán)控制，通過(guò)優(yōu)化電壓矢量的選擇和作用時(shí)間，有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。例如，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]通過(guò)建立基于SVM的DTC系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果表明該方法能夠顯著減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化方面，一些研究通過(guò)引入智能控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的有效控制。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]提出了一種基于模糊邏輯的DTC開(kāi)關(guān)頻率控制方法，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率，在保證系統(tǒng)性能的同時(shí)，降低了開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾。在低速性能改進(jìn)方面，國(guó)外學(xué)者通過(guò)改進(jìn)磁鏈觀測(cè)器和轉(zhuǎn)速辨識(shí)算法，提高了DTC策略在低速時(shí)的控制精度和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]提出了一種基于自適應(yīng)滑模觀測(cè)器的低速磁鏈觀測(cè)方法，有效改善了低速運(yùn)行時(shí)的磁鏈觀測(cè)精度，從而提升了系統(tǒng)的低速性能。國(guó)內(nèi)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)DTC策略的研究方面也取得了豐碩成果。隨著國(guó)內(nèi)船舶工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的性能要求不斷提高，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)DTC策略的研究也日益深入。在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了多種改進(jìn)方法。例如，有學(xué)者提出了一種基于虛擬空間矢量的DTC轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法，通過(guò)引入虛擬空間矢量，增加了電壓矢量的選擇，進(jìn)一步減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，與傳統(tǒng)DTC策略相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了明顯抑制。在開(kāi)關(guān)頻率恒定方面，國(guó)內(nèi)研究人員采用了多種控制策略。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]提出了一種基于預(yù)測(cè)控制的DTC開(kāi)關(guān)頻率恒定控制方法，通過(guò)預(yù)測(cè)電機(jī)的未來(lái)狀態(tài)，提前選擇合適的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率的恒定控制，同時(shí)提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。在低速性能優(yōu)化方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者將智能控制技術(shù)與傳統(tǒng)DTC策略相結(jié)合，取得了良好的效果。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)DTC低速控制方法，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)和自適應(yīng)調(diào)整，有效提高了系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)的魯棒性和控制精度。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)DTC策略的研究上取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的改進(jìn)方法大多針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景和電機(jī)類型，通用性較差。不同類型的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在負(fù)載特性、運(yùn)行環(huán)境等方面存在差異，需要更加通用和靈活的DTC改進(jìn)策略，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。另一方面，在多電機(jī)協(xié)同控制的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，DTC策略的研究還相對(duì)較少。隨著船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，多電機(jī)協(xié)同工作的情況越來(lái)越普遍，如何實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的高效協(xié)同控制，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，是未來(lái)研究需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)受到各種復(fù)雜干擾，如海浪沖擊、負(fù)載突變等，目前的DTC策略在應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜干擾時(shí)的魯棒性還有待進(jìn)一步提高。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞改進(jìn)DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用展開(kāi)，具體內(nèi)容如下：傳統(tǒng)DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的問(wèn)題分析：深入剖析傳統(tǒng)DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用中存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、開(kāi)關(guān)頻率不恒定以及低速性能差等問(wèn)題。從原理層面入手，分析滯環(huán)控制導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)的內(nèi)在機(jī)制，研究低速時(shí)定子電阻影響增大、反電動(dòng)勢(shì)減小對(duì)系統(tǒng)性能的作用機(jī)理。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和仿真分析，量化各因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度，為后續(xù)改進(jìn)策略的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。改進(jìn)DTC策略的設(shè)計(jì)：針對(duì)傳統(tǒng)DTC策略的問(wèn)題，提出有效的改進(jìn)方案。引入先進(jìn)的控制算法，如采用模型預(yù)測(cè)控制（MPC）技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滯環(huán)控制，通過(guò)預(yù)測(cè)電機(jī)的未來(lái)狀態(tài)，提前優(yōu)化電壓矢量的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的精確控制，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并穩(wěn)定開(kāi)關(guān)頻率。在低速性能改進(jìn)方面，結(jié)合自適應(yīng)控制技術(shù)，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，提高系統(tǒng)在低速時(shí)的抗干擾能力和控制精度。同時(shí)，對(duì)改進(jìn)后的策略進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)控制算法的關(guān)鍵公式，明確其控制原理和優(yōu)勢(shì)。改進(jìn)DTC策略控制算法的仿真驗(yàn)證：利用MATLAB/Simulink等仿真軟件搭建船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)改進(jìn)后的DTC策略控制算法進(jìn)行全面仿真驗(yàn)證。設(shè)置不同的工況，包括不同的負(fù)載變化、轉(zhuǎn)速要求以及船舶運(yùn)行環(huán)境干擾等，模擬船舶在實(shí)際航行中的各種情況。通過(guò)仿真結(jié)果，對(duì)比改進(jìn)前后DTC策略在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、開(kāi)關(guān)頻率穩(wěn)定性、低速性能等方面的表現(xiàn)，直觀展示改進(jìn)策略的優(yōu)勢(shì)和有效性。對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，評(píng)估改進(jìn)策略在不同工況下的性能指標(biāo)，為實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。改進(jìn)DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用效果評(píng)估：結(jié)合實(shí)際船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，將改進(jìn)后的DTC策略應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用實(shí)際的電機(jī)、逆變器和控制系統(tǒng)，模擬船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等，通過(guò)與仿真結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)策略在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。從性能提升、節(jié)能效果、穩(wěn)定性增強(qiáng)等多個(gè)方面對(duì)改進(jìn)策略的應(yīng)用效果進(jìn)行全面評(píng)估，分析其對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)整體性能的影響，為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)提供實(shí)踐依據(jù)。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的科學(xué)性、全面性和可靠性：文獻(xiàn)綜述法：廣泛查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)、DTC策略及其改進(jìn)方法的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、專利文獻(xiàn)以及行業(yè)報(bào)告等。對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及已有的研究成果和不足之處。通過(guò)文獻(xiàn)綜述，明確研究的切入點(diǎn)和重點(diǎn)，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。理論分析法：基于電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，對(duì)傳統(tǒng)DTC策略的原理和特性進(jìn)行深入分析，揭示其在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用中存在問(wèn)題的本質(zhì)原因。運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論論證的方法，設(shè)計(jì)改進(jìn)DTC策略的控制算法，分析其控制原理和性能優(yōu)勢(shì)。通過(guò)理論分析，為改進(jìn)策略的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐。仿真計(jì)算法：借助MATLAB/Simulink等專業(yè)仿真軟件，建立船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。在仿真環(huán)境中，對(duì)傳統(tǒng)DTC策略和改進(jìn)后的DTC策略進(jìn)行對(duì)比仿真研究，模擬不同工況下系統(tǒng)的運(yùn)行情況。通過(guò)仿真計(jì)算，獲取系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、開(kāi)關(guān)頻率、轉(zhuǎn)速響應(yīng)等，直觀展示改進(jìn)策略的效果，為策略的優(yōu)化和驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支持。仿真計(jì)算還可以快速驗(yàn)證不同控制算法和參數(shù)設(shè)置的可行性，降低研究成本和時(shí)間。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法：搭建船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用實(shí)際的硬件設(shè)備，如電機(jī)、逆變器、控制器等，對(duì)改進(jìn)后的DTC策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行操作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和性能指標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步檢驗(yàn)改進(jìn)策略在實(shí)際應(yīng)用中的可行性、有效性和可靠性，確保研究成果能夠真正應(yīng)用于實(shí)際船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以為仿真模型的優(yōu)化和完善提供依據(jù)，使仿真結(jié)果更加貼近實(shí)際情況。二、船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)與DTC策略基礎(chǔ)2.1船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)概述2.1.1系統(tǒng)組成與工作原理船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而精密的系統(tǒng)，主要由發(fā)電、變電、配電、推進(jìn)電機(jī)及控制系統(tǒng)等部分組成。發(fā)電部分是整個(gè)系統(tǒng)的能量源頭，通常由柴油發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組或其他能源轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。以常見(jiàn)的柴油發(fā)電機(jī)組為例，柴油機(jī)通過(guò)燃燒柴油產(chǎn)生機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這些電能隨后被傳輸至變電環(huán)節(jié)，變電部分的主要作用是對(duì)發(fā)電部分輸出的電能進(jìn)行電壓和頻率的調(diào)整，以滿足不同設(shè)備的用電需求。例如，將發(fā)電機(jī)輸出的較低電壓升高，以減少輸電線路中的能量損耗，提高輸電效率。配電系統(tǒng)則像是船舶電力網(wǎng)絡(luò)的“交通樞紐”，負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)變電處理后的電能合理分配到船舶的各個(gè)用電設(shè)備，包括推進(jìn)電機(jī)、照明系統(tǒng)、通信設(shè)備等，確保各設(shè)備都能獲得穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。推進(jìn)電機(jī)是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，直接驅(qū)動(dòng)船舶的螺旋槳或其他推進(jìn)裝置，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)。目前，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中常用的推進(jìn)電機(jī)主要有交流異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。交流異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在中低速船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。其工作原理基于電磁感應(yīng)定律，當(dāng)定子繞組通入三相交流電時(shí)，會(huì)在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同步電動(dòng)機(jī)則具有功率因數(shù)高、效率高、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，常用于對(duì)推進(jìn)性能要求較高的船舶，如大型郵輪、軍艦等。同步電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)的相互作用，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流，可以精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩?？刂葡到y(tǒng)是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)。它通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、電壓等，以及船舶的航行狀態(tài)信息，如航速、航向、負(fù)載等。根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的控制算法和策略，對(duì)發(fā)電、變電、配電和推進(jìn)電機(jī)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)船舶的高效、安全航行。例如，當(dāng)船舶需要加速時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)增加發(fā)電功率，提高推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；當(dāng)船舶遇到風(fēng)浪等惡劣海況時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)船舶的姿態(tài)變化，自動(dòng)調(diào)整推進(jìn)電機(jī)的輸出，保持船舶的穩(wěn)定性。同時(shí)，控制系統(tǒng)還具備完善的保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常情況時(shí)，如過(guò)載、短路、欠壓等，能夠及時(shí)采取保護(hù)措施，如切斷電源、報(bào)警提示等，避免事故的發(fā)生，確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。2.1.2系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在環(huán)保、空間布局、操縱性等方面展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。在環(huán)保方面，相較于傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的能源利用效率更高。這是因?yàn)殡娏ν七M(jìn)系統(tǒng)可以根據(jù)船舶的實(shí)際運(yùn)行工況，精確調(diào)節(jié)推進(jìn)電機(jī)的輸出功率，避免了柴油機(jī)在部分負(fù)荷下效率低下的問(wèn)題。例如，在船舶低速航行時(shí)，電力推進(jìn)系統(tǒng)可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，減少能源消耗；而在高速航行時(shí)，則可以提高電機(jī)的功率，滿足船舶的推進(jìn)需求。同時(shí)，電力推進(jìn)系統(tǒng)使用的燃料主要是電能，在運(yùn)行過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生廢氣排放，如二氧化碳、氮氧化物、顆粒物等，大大減少了對(duì)海洋環(huán)境的污染，符合國(guó)際海事組織（IMO）日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，有助于推動(dòng)綠色航運(yùn)的發(fā)展。在空間布局上，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)具有明顯的靈活性。由于省去了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置，如離合器、傳動(dòng)軸、減速齒輪箱等，使得動(dòng)力設(shè)備的布置更加自由。這不僅可以節(jié)省大量的空間，用于增加船舶的載貨量或改善船員的生活條件，還可以優(yōu)化船舶的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高船舶的空間利用率。例如，在一些大型郵輪中，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)后，可以將原本用于布置機(jī)械傳動(dòng)裝置的空間改造成娛樂(lè)設(shè)施區(qū)或客房，提升了郵輪的舒適性和服務(wù)質(zhì)量。此外，自由的動(dòng)力設(shè)備布置還可以降低船舶的重心，提高船舶的穩(wěn)定性和航行安全性。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的操縱性也得到了極大的提升。推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)控制系統(tǒng)快速、精確地調(diào)節(jié)，使得船舶能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)加速、減速、轉(zhuǎn)向等操作，響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。這在狹窄水域航行、靠泊作業(yè)等場(chǎng)景下具有重要意義，能夠提高船舶的操縱靈活性和安全性。例如，在港口靠泊時(shí)，電力推進(jìn)系統(tǒng)可以精確控制船舶的速度和位置，使船舶能夠更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確地?？吭谥付ㄎ恢?，減少了碰撞事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)?；谶@些優(yōu)勢(shì)，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在各類船舶中得到了廣泛應(yīng)用。在商船領(lǐng)域，集裝箱船、散貨船、油輪等大型商船越來(lái)越多地采用電力推進(jìn)系統(tǒng)。以集裝箱船為例，電力推進(jìn)系統(tǒng)可以提高船舶的航行速度和運(yùn)輸效率，同時(shí)降低燃油消耗和運(yùn)營(yíng)成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的集裝箱船與傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)的集裝箱船相比，燃油消耗可降低10%-20%，運(yùn)輸效率提高5%-10%。在軍艦領(lǐng)域，電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用也日益普及。軍艦對(duì)機(jī)動(dòng)性、隱身性和作戰(zhàn)效能有著極高的要求，電力推進(jìn)系統(tǒng)能夠滿足這些需求。例如，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的軍艦可以實(shí)現(xiàn)更安靜的航行，降低被敵方聲吶探測(cè)到的概率，提高軍艦的隱身性能；同時(shí)，快速的響應(yīng)速度和精確的操縱性也有助于軍艦在作戰(zhàn)中迅速調(diào)整戰(zhàn)術(shù)，提升作戰(zhàn)效能。在海洋工程船和科考船等特種船舶中，電力推進(jìn)系統(tǒng)同樣發(fā)揮著重要作用。海洋工程船需要在復(fù)雜的海洋環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，如海上鉆井、鋪設(shè)管道等，電力推進(jìn)系統(tǒng)的高精度操縱性和良好的穩(wěn)定性能夠確保作業(yè)的順利進(jìn)行?？瓶即瑒t需要在不同的海域進(jìn)行科學(xué)考察，電力推進(jìn)系統(tǒng)的低噪音和環(huán)保特性可以減少對(duì)海洋生物的干擾，為科學(xué)研究提供更好的條件。2.2DTC策略基本原理2.2.1DTC的控制思想直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）策略的核心控制思想是摒棄傳統(tǒng)的通過(guò)復(fù)雜坐標(biāo)變換和電流閉環(huán)控制來(lái)間接調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行的方式，而是直接對(duì)電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制。這種直接控制的方式使得DTC策略能夠在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行快速調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的高效控制。在DTC策略中，通過(guò)對(duì)電機(jī)定子電壓矢量的巧妙選擇和切換，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。這是基于電壓矢量與磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。具體而言，不同的電壓矢量作用于電機(jī)定子繞組時(shí)，會(huì)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)分布和電磁力，進(jìn)而直接影響定子磁鏈的幅值和位置以及電磁轉(zhuǎn)矩的大小和方向。例如，當(dāng)選擇合適的電壓矢量時(shí)，可以使定子磁鏈快速地跟蹤給定值，同時(shí)精確地控制電磁轉(zhuǎn)矩的變化，以滿足不同工況下的運(yùn)行需求。DTC策略的快速響應(yīng)特性在許多實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。以船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)為例，當(dāng)船舶在航行過(guò)程中需要快速加速或減速時(shí)，DTC策略能夠迅速調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，使船舶能夠快速響應(yīng)駕駛員的操作指令，實(shí)現(xiàn)靈活的航行控制。這種快速響應(yīng)能力不僅提高了船舶的操縱性能，還增強(qiáng)了船舶在復(fù)雜海況下的航行安全性。與傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)相比，DTC策略無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和電流閉環(huán)控制，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和算法，減少了計(jì)算量和響應(yīng)時(shí)間，從而能夠更快速地對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的嚴(yán)格要求。2.2.2DTC的數(shù)學(xué)模型為了深入理解DTC策略的工作原理和性能特點(diǎn)，需要建立異步電機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)DTC策略中磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算表達(dá)式。在建立異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，通常需要進(jìn)行一些理想化假設(shè)，以簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜性并便于分析。假設(shè)三相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組在空間中對(duì)稱分布，這樣可以保證各相電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)在氣隙空間按正弦分布，從而使電機(jī)的電磁特性更加規(guī)則和易于分析。忽略渦流、磁飽和效應(yīng)和鐵芯損耗，這些因素雖然在實(shí)際電機(jī)運(yùn)行中會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生一定影響，但在建立基本數(shù)學(xué)模型時(shí)將其忽略，可以突出電機(jī)的主要電磁關(guān)系，便于后續(xù)的理論推導(dǎo)和分析。同時(shí)，不考慮溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)造成的影響，這樣可以使電機(jī)參數(shù)在一定范圍內(nèi)保持恒定，簡(jiǎn)化模型的參數(shù)設(shè)置和計(jì)算過(guò)程?；谝陨霞僭O(shè)，異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型主要由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。電壓方程描述了電機(jī)六個(gè)繞組的電壓與電流、磁鏈之間的關(guān)系，其矩陣方程可表示為：\begin{bmatrix}u_{sA}\\u_{sB}\\u_{sC}\\u_{rA}\\u_{rB}\\u_{rC}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}R_s&0&0&0&0&0\\0&R_s&0&0&0&0\\0&0&R_s&0&0&0\\0&0&0&R_r&0&0\\0&0&0&0&R_r&0\\0&0&0&0&0&R_r\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_{sA}\\i_{sB}\\i_{sC}\\i_{rA}\\i_{rB}\\i_{rC}\end{bmatrix}+p\begin{bmatrix}\psi_{sA}\\\psi_{sB}\\\psi_{sC}\\\psi_{rA}\\\psi_{rB}\\\psi_{rC}\end{bmatrix}其中，u_{sA},u_{sB},u_{sC}分別為定子三相電壓；u_{rA},u_{rB},u_{rC}分別為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子三相電壓；R_s和R_r分別為定子電阻和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻；i_{sA},i_{sB},i_{sC}為定子三相電流；i_{rA},i_{rB},i_{rC}為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子三相電流；p為微分算子；\psi_{sA},\psi_{sB},\psi_{sC}為三相定子磁鏈；\psi_{rA},\psi_{rB},\psi_{rC}為折算到定子側(cè)的三相轉(zhuǎn)子磁鏈。磁鏈方程描述了電機(jī)各繞組磁鏈與自感、互感以及電流之間的關(guān)系。根據(jù)電機(jī)各繞組的空間位置，假設(shè)電機(jī)各相繞組符合右手螺旋定則，電機(jī)六個(gè)繞組的磁鏈矩陣方程可以表示為：\begin{bmatrix}\psi_{sA}\\\psi_{sB}\\\psi_{sC}\\\psi_{rA}\\\psi_{rB}\\\psi_{rC}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}L_{s}&0&0&L_{m}e^{-j\theta}&L_{m}e^{-j(\theta-\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{-j(\theta+\frac{2\pi}{3})}\\0&L_{s}&0&L_{m}e^{-j(\theta+\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{-j\theta}&L_{m}e^{-j(\theta-\frac{2\pi}{3})}\\0&0&L_{s}&L_{m}e^{-j(\theta-\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{-j(\theta+\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{-j\theta}\\L_{m}e^{j\theta}&L_{m}e^{j(\theta+\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{j(\theta-\frac{2\pi}{3})}&L_{r}&0&0\\L_{m}e^{j(\theta-\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{j\theta}&L_{m}e^{j(\theta+\frac{2\pi}{3})}&0&L_{r}&0\\L_{m}e^{j(\theta+\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{j(\theta-\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{j\theta}&0&0&L_{r}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_{sA}\\i_{sB}\\i_{sC}\\i_{rA}\\i_{rB}\\i_{rC}\end{bmatrix}其中，L_{s}為定子自感，L_{r}為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)子自感，L_{m}為主磁通對(duì)應(yīng)的定子電感，\theta為定子A軸和轉(zhuǎn)子A軸之間的空間夾角。轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的基本公式推導(dǎo)得出，用于描述電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流、轉(zhuǎn)子電流以及定轉(zhuǎn)子空間角度之間的關(guān)系。電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：T_e=\frac{3}{2}n_p\left(\psi_{sA}i_{sB}-\psi_{sB}i_{sA}+\psi_{sB}i_{sC}-\psi_{sC}i_{sB}+\psi_{sC}i_{sA}-\psi_{sA}i_{sC}\right)其中，n_p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。從該方程結(jié)構(gòu)可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)矩是定子電流i_{sA},i_{sB},i_{sC}、轉(zhuǎn)子電流i_{rA},i_{rB},i_{rC}以及定轉(zhuǎn)子空間角度\theta的函數(shù)，這是一個(gè)多變量的、強(qiáng)耦合的方程，直接對(duì)其進(jìn)行控制較為困難。運(yùn)動(dòng)方程描述了電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一般情況下，如果將摩擦阻力合并到負(fù)載轉(zhuǎn)矩T_L中，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為：J\frac{d\omega}{dt}=T_e-T_L其中，T_e為電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，\omega為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電氣角速度，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在DTC策略中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制，需要根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算表達(dá)式。根據(jù)電壓方程和磁鏈方程，可以通過(guò)對(duì)定子電壓和電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)，計(jì)算出定子磁鏈的幅值和位置。具體計(jì)算方法如下：\psi_s=\int(u_s-R_si_s)dt其中，\psi_s為定子磁鏈，u_s為定子電壓，i_s為定子電流。對(duì)于電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，可以根據(jù)上述轉(zhuǎn)矩方程，結(jié)合定子磁鏈和電流的計(jì)算結(jié)果，得到電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)值：T_e=\frac{3}{2}n_p\text{Im}(\psi_s\timesi_s^*)其中，i_s^*為定子電流的共軛復(fù)數(shù)，\text{Im}表示取復(fù)數(shù)的虛部。通過(guò)這些計(jì)算表達(dá)式，DTC策略可以實(shí)時(shí)獲取電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩信息，為后續(xù)的控制決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。2.2.3DTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作流程DTC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算模塊、滯環(huán)比較器、開(kāi)關(guān)表等關(guān)鍵部分，這些部分相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算模塊是DTC系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和實(shí)時(shí)檢測(cè)到的定子電壓、電流等信號(hào)，精確估算出電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。該模塊通常采用基于電壓模型或電流模型的磁鏈估算方法，結(jié)合轉(zhuǎn)矩計(jì)算表達(dá)式，實(shí)時(shí)計(jì)算出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值。例如，基于電壓模型的磁鏈估算方法通過(guò)對(duì)定子電壓和電流的積分運(yùn)算來(lái)計(jì)算定子磁鏈，這種方法具有較高的精度，但對(duì)電壓和電流的檢測(cè)精度要求較高，且容易受到積分漂移等問(wèn)題的影響。為了提高磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算的準(zhǔn)確性和可靠性，一些先進(jìn)的DTC系統(tǒng)還會(huì)采用自適應(yīng)算法、智能算法等對(duì)估算模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以適應(yīng)不同工況下電機(jī)參數(shù)的變化。滯環(huán)比較器在DTC系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的控制作用，它將磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算模塊計(jì)算得到的實(shí)際值與給定的參考值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較。當(dāng)實(shí)際值與參考值之間的偏差超過(guò)滯環(huán)比較器設(shè)定的閾值范圍時(shí)，滯環(huán)比較器會(huì)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，以指示需要對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。例如，當(dāng)定子磁鏈的實(shí)際值低于參考值的下限閾值時(shí)，滯環(huán)比較器會(huì)輸出信號(hào)，促使控制系統(tǒng)選擇合適的電壓矢量來(lái)增加定子磁鏈；反之，當(dāng)定子磁鏈的實(shí)際值高于參考值的上限閾值時(shí)，滯環(huán)比較器會(huì)輸出信號(hào)，使控制系統(tǒng)選擇相應(yīng)的電壓矢量來(lái)減小定子磁鏈。同樣，對(duì)于電磁轉(zhuǎn)矩，滯環(huán)比較器也會(huì)根據(jù)實(shí)際值與參考值的偏差情況輸出控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的精確控制。滯環(huán)比較器的閾值設(shè)置對(duì)DTC系統(tǒng)的性能有著重要影響，合適的閾值可以在保證控制精度的同時(shí)，有效減少逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾。開(kāi)關(guān)表是DTC系統(tǒng)中用于選擇逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的重要依據(jù)，它預(yù)先存儲(chǔ)了不同磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差情況下對(duì)應(yīng)的逆變器開(kāi)關(guān)組合。根據(jù)滯環(huán)比較器輸出的控制信號(hào)，控制系統(tǒng)可以從開(kāi)關(guān)表中快速查找并選擇合適的逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓矢量作用于電機(jī)定子繞組。開(kāi)關(guān)表的設(shè)計(jì)需要綜合考慮電機(jī)的運(yùn)行特性、逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制目標(biāo)等因素，以確保選擇的電壓矢量能夠有效地控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率、諧波抑制等方面的要求。不同的DTC系統(tǒng)可能會(huì)采用不同的開(kāi)關(guān)表設(shè)計(jì)方法，一些優(yōu)化的開(kāi)關(guān)表可以通過(guò)增加電壓矢量的選擇數(shù)量或采用智能算法來(lái)優(yōu)化開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制性能。DTC系統(tǒng)的工作流程如下：首先，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集電機(jī)的定子電流和電壓信號(hào)，并將這些信號(hào)輸入到磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算模塊。磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算模塊根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和采集到的信號(hào)，計(jì)算出電機(jī)當(dāng)前的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值。然后，將計(jì)算得到的實(shí)際值與預(yù)先設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸入到滯環(huán)比較器。滯環(huán)比較器根據(jù)設(shè)定的閾值范圍，判斷實(shí)際值與參考值的偏差情況，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)滯環(huán)比較器輸出的控制信號(hào)，從開(kāi)關(guān)表中選擇合適的逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，生成相應(yīng)的電壓矢量。最后，將生成的電壓矢量通過(guò)逆變器作用于電機(jī)定子繞組，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制，使電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩快速跟蹤參考值，滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求。在整個(gè)工作過(guò)程中，DTC系統(tǒng)不斷重復(fù)上述步驟，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效、精確控制。三、傳統(tǒng)DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的問(wèn)題分析3.1轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題3.1.1轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因傳統(tǒng)DTC策略中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要源于電壓矢量作用時(shí)間、磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制方式等方面的不足。在傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)里，逆變器輸出的電壓矢量作用時(shí)間固定，這是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要因素之一。由于逆變器采用滯環(huán)比較器來(lái)控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)實(shí)際值與參考值的偏差超出滯環(huán)寬度時(shí)，逆變器會(huì)迅速切換到相應(yīng)的電壓矢量，以調(diào)整磁鏈和轉(zhuǎn)矩。這種控制方式使得電壓矢量的作用時(shí)間無(wú)法根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確調(diào)整，導(dǎo)致在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電機(jī)所受的電磁力波動(dòng)較大，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。例如，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載突然變化時(shí)，由于電壓矢量作用時(shí)間不能及時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化，會(huì)使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的波動(dòng)，影響船舶的穩(wěn)定運(yùn)行。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制方式也對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。傳統(tǒng)DTC策略通過(guò)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，然而，這種控制方式存在一定的局限性。在實(shí)際運(yùn)行中，由于電機(jī)參數(shù)的變化、測(cè)量誤差以及外界干擾等因素的影響，使得定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值與參考值之間存在偏差。而傳統(tǒng)DTC策略采用的滯環(huán)控制方式，無(wú)法對(duì)這些偏差進(jìn)行精確補(bǔ)償，導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大，進(jìn)一步加劇了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。以電機(jī)參數(shù)變化為例，隨著電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，電機(jī)的定子電阻、電感等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算值與實(shí)際值產(chǎn)生偏差，而滯環(huán)控制無(wú)法及時(shí)根據(jù)這些變化調(diào)整控制策略，使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。此外，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率不恒定也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一個(gè)重要原因。在傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率受到滯環(huán)比較器的控制，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)隨之發(fā)生較大的波動(dòng)。開(kāi)關(guān)頻率的不穩(wěn)定會(huì)使電機(jī)所受的電磁力更加不均勻，從而加劇轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。例如，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，當(dāng)船舶在不同的海況下航行時(shí)，電機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致逆變器的開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，影響船舶的航行舒適性和安全性。3.1.2轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的負(fù)面影響是多方面的，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)的性能和可靠性。在船舶運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致船舶運(yùn)行不平穩(wěn)，給船員和乘客帶來(lái)不適。當(dāng)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)時(shí)，會(huì)使船舶的螺旋槳產(chǎn)生不均勻的推力，導(dǎo)致船舶在航行過(guò)程中出現(xiàn)顛簸、搖晃等現(xiàn)象，影響船舶的航行穩(wěn)定性。特別是在惡劣海況下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響會(huì)更加明顯，可能導(dǎo)致船舶失去控制，危及航行安全。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還會(huì)加劇機(jī)械磨損，縮短設(shè)備的使用壽命。由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在，電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)承受周期性的沖擊載荷，這會(huì)加速電機(jī)軸承、齒輪等部件的磨損，增加設(shè)備的故障率。例如，在電機(jī)的軸承處，由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的沖擊載荷，會(huì)使軸承的滾珠和滾道之間的接觸應(yīng)力增大，導(dǎo)致軸承磨損加劇，甚至出現(xiàn)疲勞剝落等故障。同樣，在傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使齒輪的齒面受到不均勻的載荷，加速齒輪的磨損和疲勞，降低齒輪的傳動(dòng)效率和可靠性。頻繁的機(jī)械磨損不僅會(huì)增加設(shè)備的維修成本，還可能導(dǎo)致船舶在航行過(guò)程中出現(xiàn)故障，影響船舶的正常運(yùn)營(yíng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的噪聲增加。當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)時(shí)，會(huì)引起電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，這些振動(dòng)通過(guò)空氣和結(jié)構(gòu)傳播，產(chǎn)生噪聲。噪聲不僅會(huì)影響船員的工作環(huán)境和身心健康，還可能對(duì)船舶的聲學(xué)隱身性能產(chǎn)生影響，特別是對(duì)于一些對(duì)聲學(xué)性能要求較高的船舶，如潛艇、科考船等，噪聲的增加會(huì)降低其在水下的探測(cè)能力和隱蔽性。在潛艇中，過(guò)大的噪聲會(huì)使?jié)撏Ц菀妆粩撤铰晠忍綔y(cè)到，增加潛艇的暴露風(fēng)險(xiǎn)，從而影響潛艇的作戰(zhàn)效能和生存能力。3.2開(kāi)關(guān)頻率不恒定問(wèn)題3.2.1開(kāi)關(guān)頻率不恒定的原因在傳統(tǒng)DTC策略應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，逆變器開(kāi)關(guān)頻率不恒定是一個(gè)較為突出的問(wèn)題，其根源主要在于控制方式和電機(jī)運(yùn)行特性的相互作用。傳統(tǒng)DTC采用滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制。在這種控制方式下，當(dāng)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值與給定的參考值進(jìn)行比較時(shí)，只要實(shí)際值超出滯環(huán)比較器設(shè)定的閾值范圍，逆變器就會(huì)立即切換到相應(yīng)的電壓矢量，以調(diào)整磁鏈和轉(zhuǎn)矩。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速響應(yīng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的快速控制，但缺點(diǎn)是逆變器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作完全取決于滯環(huán)比較器的輸出，而滯環(huán)比較器的輸出又受到電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率無(wú)法保持恒定。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率不恒定的重要因素。在船舶航行過(guò)程中，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電機(jī)負(fù)載會(huì)隨著船舶的航行工況、海況等因素的變化而發(fā)生顯著變化。當(dāng)船舶在平靜海面上勻速航行時(shí)，電機(jī)負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較低且波動(dòng)較??；而當(dāng)船舶遭遇風(fēng)浪、急加速或急減速等情況時(shí)，電機(jī)負(fù)載會(huì)迅速變化，導(dǎo)致定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值與參考值之間的偏差增大，滯環(huán)比較器頻繁動(dòng)作，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率也隨之大幅升高且波動(dòng)加劇。此外，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化也會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生影響。在不同的轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、電感等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)改變定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，進(jìn)而影響滯環(huán)比較器的動(dòng)作頻率，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率不恒定。逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)器件的特性也對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。不同的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不同的開(kāi)關(guān)特性和電壓矢量組合方式，這會(huì)影響到DTC策略中電壓矢量的選擇和切換方式，從而對(duì)開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生影響。例如，兩電平逆變器和三電平逆變器在實(shí)現(xiàn)DTC控制時(shí)，由于其電壓矢量的數(shù)量和分布不同，開(kāi)關(guān)頻率的特性也會(huì)有所差異。同時(shí)，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度、導(dǎo)通電阻、關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)也會(huì)影響逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。如果開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度較慢，在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化較快時(shí)，可能無(wú)法及時(shí)響應(yīng)滯環(huán)比較器的控制信號(hào)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率不穩(wěn)定；而開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻和關(guān)斷時(shí)間過(guò)大，則會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，限制開(kāi)關(guān)頻率的提高，進(jìn)一步加劇開(kāi)關(guān)頻率的不穩(wěn)定性。3.2.2對(duì)系統(tǒng)性能和設(shè)備壽命的影響開(kāi)關(guān)頻率不恒定給船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的性能和設(shè)備壽命帶來(lái)了諸多負(fù)面影響，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。從系統(tǒng)性能方面來(lái)看，開(kāi)關(guān)頻率不恒定會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)諧波含量顯著增加。當(dāng)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)時(shí)，其輸出的電壓和電流波形會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的畸變，產(chǎn)生大量的諧波成分。這些諧波不僅會(huì)降低電能質(zhì)量，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，諧波會(huì)使電機(jī)的鐵損和銅損增加，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱加劇，效率降低。諧波還可能引起電機(jī)的振動(dòng)和噪聲增大，影響電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。諧波還會(huì)對(duì)船舶上的其他電子設(shè)備，如通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備等產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致這些設(shè)備的工作異常，甚至損壞。開(kāi)關(guān)頻率不恒定還會(huì)降低系統(tǒng)的效率。在逆變器的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，包括開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越大。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率不恒定時(shí)，在開(kāi)關(guān)頻率較高的時(shí)段，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)顯著增加，從而降低了系統(tǒng)的整體效率。由于開(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)，逆變器無(wú)法在最佳的開(kāi)關(guān)頻率下工作，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低。這不僅會(huì)增加船舶的能源消耗，提高運(yùn)營(yíng)成本，還會(huì)對(duì)船舶的續(xù)航能力產(chǎn)生一定影響。從設(shè)備壽命方面來(lái)看，開(kāi)關(guān)頻率不恒定會(huì)對(duì)逆變器和電機(jī)等設(shè)備的壽命產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。對(duì)于逆變器來(lái)說(shuō)，頻繁的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)使開(kāi)關(guān)器件承受較大的電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，開(kāi)關(guān)器件的電壓和電流會(huì)發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生較大的沖擊電流和電壓尖峰，這會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷，加速其老化和損壞。開(kāi)關(guān)頻率不恒定導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)損耗增加，會(huì)使開(kāi)關(guān)器件的溫度升高，進(jìn)一步加劇其老化和損壞的速度。對(duì)于電機(jī)而言，諧波的存在會(huì)使電機(jī)的絕緣材料承受額外的電場(chǎng)應(yīng)力，加速絕緣材料的老化和損壞，降低電機(jī)的絕緣性能，增加電機(jī)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。諧波還會(huì)引起電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，使電機(jī)的軸承、軸等機(jī)械部件承受更大的機(jī)械應(yīng)力，加速機(jī)械部件的磨損，縮短電機(jī)的使用壽命。3.3低速性能問(wèn)題3.3.1低速時(shí)磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制難點(diǎn)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)處于低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)DTC策略面臨著諸多磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制的難點(diǎn)，這些難點(diǎn)嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。低速時(shí)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)小是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)電機(jī)的基本原理，反電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)相應(yīng)減小。而在傳統(tǒng)DTC策略中，磁鏈的估算通常依賴于對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算。反電動(dòng)勢(shì)的減小使得磁鏈估算的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重影響，容易產(chǎn)生較大的誤差。例如，在低速時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)較弱，噪聲和干擾對(duì)其影響更為顯著，可能導(dǎo)致測(cè)量的反電動(dòng)勢(shì)值與實(shí)際值偏差較大，進(jìn)而使得磁鏈的估算結(jié)果出現(xiàn)偏差，無(wú)法準(zhǔn)確反映電機(jī)的實(shí)際磁鏈狀態(tài)。定子電阻的影響在低速時(shí)也會(huì)顯著增大。定子電阻在電機(jī)的等效電路中是一個(gè)重要參數(shù)，它會(huì)影響電機(jī)的電流和磁鏈分布。在低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的電流相對(duì)較小，而定子電阻上的電壓降在總電壓中所占的比例相對(duì)增大。這會(huì)導(dǎo)致根據(jù)電壓模型計(jì)算磁鏈時(shí)產(chǎn)生較大誤差。因?yàn)樵陔妷耗Ｐ椭校沛湹挠?jì)算與定子電壓、電流以及定子電阻密切相關(guān)，定子電阻的變化會(huì)直接影響磁鏈的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)定子電阻的影響增大時(shí)，磁鏈的估算值與實(shí)際值之間的偏差會(huì)進(jìn)一步加大，從而影響對(duì)電機(jī)磁鏈的精確控制。低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩估算也面臨著較大的誤差。傳統(tǒng)DTC策略中的轉(zhuǎn)矩估算通?；诖沛満碗娏鞯臏y(cè)量值，通過(guò)特定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。然而，在低速情況下，由于磁鏈和電流的測(cè)量誤差，以及電機(jī)參數(shù)的變化，使得轉(zhuǎn)矩估算的準(zhǔn)確性大打折扣。例如，低速時(shí)磁鏈的不準(zhǔn)確測(cè)量會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩計(jì)算中與磁鏈相關(guān)的部分出現(xiàn)誤差，而電流測(cè)量中的噪聲和干擾也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩估算產(chǎn)生負(fù)面影響。電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，其參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，如磁導(dǎo)率的變化、繞組溫度的升高導(dǎo)致電阻的改變等，這些參數(shù)變化會(huì)使轉(zhuǎn)矩估算模型的準(zhǔn)確性下降，進(jìn)一步增大了轉(zhuǎn)矩估算誤差。3.3.2對(duì)船舶操縱性的影響低速性能差對(duì)船舶操縱性產(chǎn)生的負(fù)面影響不容忽視，尤其是在靠泊、轉(zhuǎn)向等低速工況下，船舶的操縱性和穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重影響。在靠泊過(guò)程中，船舶需要精確控制速度和位置，以確保安全、準(zhǔn)確地停靠在碼頭。然而，當(dāng)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的低速性能不佳時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制精度降低，可能導(dǎo)致船舶的速度難以穩(wěn)定在較低的數(shù)值，出現(xiàn)速度波動(dòng)的情況。這使得船員難以準(zhǔn)確判斷船舶的?？课恢煤退俣?，增加了靠泊的難度和風(fēng)險(xiǎn)。如果船舶在靠泊時(shí)速度波動(dòng)較大，可能會(huì)導(dǎo)致船舶與碼頭發(fā)生碰撞，造成船舶和碼頭設(shè)施的損壞，甚至危及人員安全。在轉(zhuǎn)向工況下，低速性能差同樣會(huì)給船舶帶來(lái)諸多問(wèn)題。船舶轉(zhuǎn)向時(shí)需要依靠推進(jìn)系統(tǒng)提供合適的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向。低速性能不佳時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，會(huì)使船舶在轉(zhuǎn)向過(guò)程中產(chǎn)生不穩(wěn)定的力矩，導(dǎo)致船舶轉(zhuǎn)向不平穩(wěn)，出現(xiàn)搖晃、偏航等現(xiàn)象。這不僅會(huì)影響船舶的航行舒適性，還會(huì)降低船舶的轉(zhuǎn)向精度，使船舶難以按照預(yù)定的航線進(jìn)行轉(zhuǎn)向。在狹窄水域或交通繁忙的航道中，轉(zhuǎn)向不平穩(wěn)和精度降低可能會(huì)導(dǎo)致船舶與其他船舶發(fā)生碰撞，引發(fā)嚴(yán)重的海上交通事故。低速性能差還會(huì)影響船舶在低速工況下的響應(yīng)速度。當(dāng)船員需要對(duì)船舶的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，如加速、減速或改變航向，由于低速性能不佳，推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法快速響應(yīng)船員的指令，導(dǎo)致船舶的響應(yīng)延遲。這在緊急情況下可能會(huì)造成嚴(yán)重后果，如無(wú)法及時(shí)避讓障礙物或其他船舶，增加了船舶發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。四、改進(jìn)DTC策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1基于空間電壓矢量調(diào)制（SVPWM）的改進(jìn)4.1.1SVPWM原理及在DTC中的應(yīng)用空間電壓矢量調(diào)制（SVPWM）是一種先進(jìn)的脈寬調(diào)制技術(shù)，其原理基于空間矢量的概念，通過(guò)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的巧妙組合，合成期望的電壓矢量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。在SVPWM中，將逆變器輸出的電壓矢量視為空間矢量，通過(guò)改變這些矢量的作用時(shí)間和順序，來(lái)合成所需的任意電壓矢量。對(duì)于三相逆變器，其輸出的電壓矢量可以在一個(gè)二維平面上表示，形成一個(gè)六邊形的電壓矢量空間。在這個(gè)空間中，有六個(gè)非零電壓矢量和兩個(gè)零電壓矢量。非零電壓矢量分別對(duì)應(yīng)逆變器不同的開(kāi)關(guān)組合，它們的幅值相等，相位相差60°，均勻分布在六邊形的頂點(diǎn)上；零電壓矢量則對(duì)應(yīng)逆變器的全關(guān)斷或全導(dǎo)通狀態(tài)，位于六邊形的中心。通過(guò)合理選擇和組合這些電壓矢量，可以合成任意方向和幅值的期望電壓矢量。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，SVPWM首先將期望的電壓矢量分解到兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量和零電壓矢量上，然后根據(jù)伏秒平衡原理，計(jì)算出每個(gè)矢量的作用時(shí)間。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，按照一定的順序依次作用這些矢量，使得逆變器輸出的電壓波形更加接近正弦波，從而有效降低諧波含量，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。例如，當(dāng)期望的電壓矢量位于某兩個(gè)非零電壓矢量之間時(shí)，通過(guò)調(diào)整這兩個(gè)非零電壓矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間比例，使得合成的電壓矢量能夠準(zhǔn)確地跟蹤期望電壓矢量。在DTC策略中應(yīng)用SVPWM，可以有效克服傳統(tǒng)DTC策略的一些缺點(diǎn)。傳統(tǒng)DTC采用滯環(huán)比較器來(lái)控制電壓矢量的選擇，這種方式導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率不恒定，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。而引入SVPWM后，可以通過(guò)精確控制電壓矢量的作用時(shí)間和順序，使逆變器的開(kāi)關(guān)頻率保持恒定。這不僅能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性，還能減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)SVPWM合成的電壓矢量更加接近理想的正弦波，能夠更好地滿足電機(jī)對(duì)電壓波形的要求，進(jìn)一步提高電機(jī)的效率和性能。4.1.2改進(jìn)策略的控制算法與實(shí)現(xiàn)步驟基于SVPWM的改進(jìn)DTC策略的控制算法主要包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算、參考電壓矢量計(jì)算以及SVPWM調(diào)制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算方面，首先根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)采集電機(jī)的定子電壓和電流信號(hào)，利用電壓模型或電流模型來(lái)計(jì)算定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。以電壓模型為例，通過(guò)對(duì)定子電壓和電流的積分運(yùn)算來(lái)估算定子磁鏈，具體計(jì)算公式為：\psi_{s\alpha}=\int(u_{s\alpha}-R_si_{s\alpha})dt\psi_{s\beta}=\int(u_{s\beta}-R_si_{s\beta})dt其中，\psi_{s\alpha}和\psi_{s\beta}分別為定子磁鏈在\alpha軸和\beta軸上的分量，u_{s\alpha}和u_{s\beta}為定子電壓在\alpha軸和\beta軸上的分量，i_{s\alpha}和i_{s\beta}為定子電流在\alpha軸和\beta軸上的分量，R_s為定子電阻。電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算則根據(jù)定子磁鏈和電流的關(guān)系，通過(guò)以下公式得到：T_e=\frac{3}{2}n_p(\psi_{s\alpha}i_{s\beta}-\psi_{s\beta}i_{s\alpha})其中，T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，n_p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。計(jì)算出磁鏈和轉(zhuǎn)矩后，將其與給定的參考值進(jìn)行比較，得到磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差。根據(jù)這些偏差，通過(guò)特定的控制算法計(jì)算出參考電壓矢量。一種常見(jiàn)的方法是采用PI控制器，根據(jù)磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差來(lái)調(diào)整參考電壓矢量的幅值和相位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的精確控制。例如，對(duì)于磁鏈控制，PI控制器的輸出為：u_{s\alpha}^*=K_{p\psi}(\psi_{s\alpha}^*-\psi_{s\alpha})+K_{i\psi}\int(\psi_{s\alpha}^*-\psi_{s\alpha})dtu_{s\beta}^*=K_{p\psi}(\psi_{s\beta}^*-\psi_{s\beta})+K_{i\psi}\int(\psi_{s\beta}^*-\psi_{s\beta})dt其中，u_{s\alpha}^*和u_{s\beta}^*為參考電壓矢量在\alpha軸和\beta軸上的分量，\psi_{s\alpha}^*和\psi_{s\beta}^*為磁鏈參考值在\alpha軸和\beta軸上的分量，K_{p\psi}和K_{i\psi}分別為磁鏈PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)矩控制，類似地有：u_{s\alpha}^T=K_{pT}(T_e^*-T_e)+K_{iT}\int(T_e^*-T_e)dtu_{s\beta}^T=K_{pT}(T_e^*-T_e)+K_{iT}\int(T_e^*-T_e)dt其中，u_{s\alpha}^T和u_{s\beta}^T為轉(zhuǎn)矩控制產(chǎn)生的參考電壓分量，T_e^*為電磁轉(zhuǎn)矩參考值，K_{pT}和K_{iT}分別為轉(zhuǎn)矩PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。將磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制得到的參考電壓分量進(jìn)行合成，得到最終的參考電壓矢量。得到參考電壓矢量后，需要通過(guò)SVPWM調(diào)制將其轉(zhuǎn)換為逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。SVPWM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)步驟如下：首先，確定參考電壓矢量在電壓矢量空間中的位置，判斷它位于哪兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量之間。然后，根據(jù)伏秒平衡原理，計(jì)算出這兩個(gè)非零電壓矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間。具體計(jì)算方法如下：設(shè)參考電壓矢量為\vec{V}_{ref}，其在\alpha-\beta平面上的分量為V_{\alpha}和V_{\beta}，兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量分別為\vec{V}_{1}和\vec{V}_{2}，它們的作用時(shí)間分別為t_1和t_2，零電壓矢量的作用時(shí)間為t_0，開(kāi)關(guān)周期為T(mén)_s。根據(jù)伏秒平衡原理，有：\vec{V}_{ref}T_s=\vec{V}_{1}t_1+\vec{V}_{2}t_2+\vec{V}_{0}t_0將矢量方程展開(kāi)為標(biāo)量方程，結(jié)合t_0=T_s-t_1-t_2，可以求解出t_1和t_2。根據(jù)計(jì)算得到的矢量作用時(shí)間，按照一定的順序依次作用這些矢量，生成逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。通常采用七段式SVPWM調(diào)制方式，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，按照V_0-V_1-V_2-V_7-V_2-V_1-V_0（其中V_0和V_7為零電壓矢量，V_1和V_2為非零電壓矢量）的順序依次作用電壓矢量，這樣可以使逆變器輸出的電壓波形更加接近正弦波，減少諧波含量。在實(shí)現(xiàn)基于SVPWM的改進(jìn)DTC策略時(shí)，還需要合理設(shè)置一些關(guān)鍵參數(shù)，如PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)、開(kāi)關(guān)周期等。這些參數(shù)的設(shè)置會(huì)直接影響系統(tǒng)的性能，需要根據(jù)電機(jī)的參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。例如，PI控制器的比例系數(shù)決定了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，比例系數(shù)越大，響應(yīng)速度越快，但可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分系數(shù)則用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分系數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但可能會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。開(kāi)關(guān)周期的選擇則需要綜合考慮開(kāi)關(guān)損耗、諧波抑制等因素，較短的開(kāi)關(guān)周期可以降低諧波含量，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗；較長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)周期則相反。4.2模糊控制在DTC中的應(yīng)用4.2.1模糊控制器的設(shè)計(jì)在DTC策略中引入模糊控制，首先需要精心設(shè)計(jì)模糊控制器。模糊控制器的輸入輸出變量選擇至關(guān)重要，通常選取轉(zhuǎn)矩偏差、磁鏈偏差以及磁鏈角度作為輸入變量。轉(zhuǎn)矩偏差能夠直接反映電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩之間的差距，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩偏差的分析，可以及時(shí)調(diào)整控制策略，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速跟蹤期望轉(zhuǎn)矩。磁鏈偏差則體現(xiàn)了定子磁鏈的實(shí)際值與給定值之間的差異，對(duì)磁鏈偏差的有效控制有助于保證電機(jī)磁場(chǎng)的穩(wěn)定，提高電機(jī)的運(yùn)行效率。磁鏈角度反映了定子磁鏈在空間中的位置信息，它對(duì)于選擇合適的電壓矢量以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的精確控制具有重要意義。輸出變量則確定為逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)模糊控制器對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。確定輸入輸出變量后，需要對(duì)這些變量進(jìn)行模糊化處理，劃分模糊子集并確定隸屬度函數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)矩偏差和磁鏈偏差，一般劃分為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）等模糊子集。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差為負(fù)大時(shí)，表示電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于期望轉(zhuǎn)矩，需要采取較大的控制動(dòng)作來(lái)增加轉(zhuǎn)矩；當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差為零時(shí)，則表示電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩基本相等，此時(shí)只需維持當(dāng)前的控制狀態(tài)。隸屬度函數(shù)的選擇通常采用三角形、梯形或高斯型等。以三角形隸屬度函數(shù)為例，它具有簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算方便的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地描述模糊概念。對(duì)于磁鏈角度，可根據(jù)其在一個(gè)周期內(nèi)的變化范圍，劃分為多個(gè)模糊子集，如0-60°、60-120°、120-180°等，并為每個(gè)子集定義相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，以準(zhǔn)確表示磁鏈角度在不同模糊狀態(tài)下的隸屬程度。模糊控制規(guī)則的制定是模糊控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它基于專家經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)的運(yùn)行特性，以條件語(yǔ)句的形式表達(dá)。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差為正大且磁鏈偏差為正小時(shí)，為了使轉(zhuǎn)矩和磁鏈都能快速跟蹤給定值，模糊控制規(guī)則可能規(guī)定選擇一個(gè)合適的電壓矢量，使逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化，以增加轉(zhuǎn)矩并調(diào)整磁鏈。在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和仿真，不斷優(yōu)化模糊控制規(guī)則，以確保模糊控制器能夠根據(jù)不同的輸入狀態(tài)，準(zhǔn)確地輸出合適的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效控制。同時(shí)，為了提高模糊控制器的性能，還可以采用自適應(yīng)模糊控制等技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。4.2.2模糊控制對(duì)DTC性能的改善模糊控制在DTC策略中的應(yīng)用，能夠顯著改善系統(tǒng)的性能，有效提升船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在傳統(tǒng)DTC策略中，由于采用固定的控制參數(shù)，難以適應(yīng)船舶運(yùn)行過(guò)程中復(fù)雜多變的工況。而模糊控制具有自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)的能力，能夠根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整控制策略。當(dāng)船舶在不同海況下航行時(shí)，電機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，模糊控制器可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差、磁鏈偏差和磁鏈角度等輸入信息，實(shí)時(shí)調(diào)整逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。在船舶加速時(shí)，模糊控制器能夠快速增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，使船舶迅速響應(yīng)加速指令；在船舶減速時(shí)，模糊控制器又能及時(shí)減小轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)減速。這種自適應(yīng)調(diào)整能力使得系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜工況，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。模糊控制在減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面表現(xiàn)出色。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩偏差和磁鏈偏差的精確分析，模糊控制器能夠更加合理地選擇逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，優(yōu)化電壓矢量的作用時(shí)間和順序。傳統(tǒng)DTC策略中，由于電壓矢量的選擇和切換不夠精確，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。而模糊控制可以根據(jù)不同的轉(zhuǎn)矩偏差和磁鏈偏差情況，選擇最合適的電壓矢量，使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩更加平穩(wěn)。在轉(zhuǎn)矩偏差較小時(shí)，模糊控制器可以選擇較小的電壓矢量變化，避免因電壓矢量的突變而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；在轉(zhuǎn)矩偏差較大時(shí)，模糊控制器則能夠迅速調(diào)整電壓矢量，以快速減小轉(zhuǎn)矩偏差，同時(shí)保持轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)變化。通過(guò)這種方式，模糊控制有效地減少了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使船舶運(yùn)行更加平穩(wěn)，提高了船舶的航行舒適性和安全性。模糊控制還能顯著提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，當(dāng)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)受到外部干擾或負(fù)載突變時(shí)，模糊控制器能夠快速響應(yīng)，及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能夠迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。在船舶遭遇風(fēng)浪導(dǎo)致負(fù)載突然增加時(shí)，模糊控制器能夠立即檢測(cè)到轉(zhuǎn)矩偏差的變化，并迅速調(diào)整逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，以克服負(fù)載的增加，保持船舶的穩(wěn)定航行。在魯棒性方面，模糊控制對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。由于船舶運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，電機(jī)參數(shù)可能會(huì)隨著溫度、濕度等因素的變化而發(fā)生改變，傳統(tǒng)DTC策略在電機(jī)參數(shù)變化時(shí)容易出現(xiàn)控制性能下降的問(wèn)題。而模糊控制通過(guò)對(duì)輸入變量的模糊處理和模糊控制規(guī)則的靈活應(yīng)用，能夠在一定程度上補(bǔ)償電機(jī)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，使系統(tǒng)在電機(jī)參數(shù)變化時(shí)仍能保持較好的控制性能，提高了系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。4.3滑?？刂聘倪M(jìn)DTC策略4.3.1滑模控制原理與設(shè)計(jì)滑?？刂谱鳛橐环N強(qiáng)大的非線性控制策略，在應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題時(shí)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其核心原理是通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)滑模面和控制律，使系統(tǒng)狀態(tài)能夠快速、穩(wěn)定地沿著滑模面滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制。在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，滑模控制的應(yīng)用可以有效解決傳統(tǒng)DTC策略存在的諸多問(wèn)題，顯著提升系統(tǒng)的性能和可靠性?；？刂频幕驹砘谙到y(tǒng)狀態(tài)的切換特性。在滑?？刂浦?，首先需要定義一個(gè)合適的滑模面，滑模面是系統(tǒng)狀態(tài)空間中的一個(gè)超平面，它決定了系統(tǒng)的期望動(dòng)態(tài)行為。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)位于滑模面上時(shí)，系統(tǒng)能夠按照預(yù)定的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出的精確控制。為了使系統(tǒng)狀態(tài)能夠快速到達(dá)滑模面并保持在滑模面上滑動(dòng)，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律?？刂坡傻脑O(shè)計(jì)通?；诨Ｃ娴奶匦院拖到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程，通過(guò)調(diào)整控制輸入，迫使系統(tǒng)狀態(tài)沿著滑模面運(yùn)動(dòng)。在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，滑?？刂频脑O(shè)計(jì)需要充分考慮系統(tǒng)的特點(diǎn)和運(yùn)行需求。由于船舶在航行過(guò)程中會(huì)受到各種復(fù)雜的干擾，如海浪的沖擊、負(fù)載的變化等，因此滑?？刂菩枰邆漭^強(qiáng)的魯棒性，能夠在干擾環(huán)境下保持穩(wěn)定的控制性能。在設(shè)計(jì)滑模面時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)的性能指標(biāo)和運(yùn)行條件。對(duì)于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的DTC策略，滑模面的設(shè)計(jì)可以基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差。通過(guò)定義磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差的函數(shù)，構(gòu)建滑模面，使得當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上滑動(dòng)時(shí)，磁鏈和轉(zhuǎn)矩能夠快速跟蹤給定值，同時(shí)減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和開(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)。具體而言，可以將磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差的加權(quán)和作為滑模面函數(shù)，通過(guò)調(diào)整權(quán)重系數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能。例如，對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較為敏感的船舶工況，可以適當(dāng)增加轉(zhuǎn)矩誤差在滑模面函數(shù)中的權(quán)重，以加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制?？刂坡傻脑O(shè)計(jì)是滑?？刂频年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的DTC策略中，常用的控制律設(shè)計(jì)方法包括基于趨近律的控制律和基于滑模觀測(cè)器的控制律?；谮吔傻目刂坡赏ㄟ^(guò)引入趨近律函數(shù)，使系統(tǒng)狀態(tài)能夠以指定的速度趨近滑模面，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常見(jiàn)的趨近律函數(shù)有指數(shù)趨近律、冪次趨近律等。指數(shù)趨近律能夠使系統(tǒng)狀態(tài)快速趨近滑模面，但在接近滑模面時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較大的抖振；冪次趨近律則可以在一定程度上減少抖振，但趨近速度相對(duì)較慢。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求和性能要求，選擇合適的趨近律函數(shù)或?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化組合?；诨Ｓ^測(cè)器的控制律則通過(guò)設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制?；Ｓ^測(cè)器可以有效地抑制干擾和噪聲的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性和控制精度。在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，由于存在各種不確定性因素，滑模觀測(cè)器的應(yīng)用可以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)這些因素的適應(yīng)性，確保系統(tǒng)在不同工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。4.3.2基于滑?？刂频腄TC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于滑模控制的DTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的過(guò)程，它涉及到多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的精心設(shè)計(jì)和協(xié)同工作，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中電機(jī)的高效、精確控制。在該系統(tǒng)中，磁鏈和轉(zhuǎn)矩滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)是核心部分之一。磁鏈滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)基于對(duì)電機(jī)磁鏈動(dòng)態(tài)特性的深入理解和分析。通過(guò)定義磁鏈的滑模面函數(shù)，例如以磁鏈誤差的積分形式作為滑模面，構(gòu)建磁鏈滑?？刂破?。根據(jù)滑模控制的原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律，使磁鏈能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤給定值。在控制律的設(shè)計(jì)中，通常會(huì)引入自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整機(jī)制，以適應(yīng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中參數(shù)的變化，如定子電阻、電感等參數(shù)隨溫度和運(yùn)行工況的變化。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)參數(shù)變化情況自動(dòng)調(diào)整控制律中的參數(shù)，確保磁鏈滑?？刂破鞯男阅苁冀K保持在最佳狀態(tài)。轉(zhuǎn)矩滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)同樣基于滑?？刂圃恚赞D(zhuǎn)矩誤差為基礎(chǔ)構(gòu)建滑模面和控制律。考慮到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到各種復(fù)雜的干擾，如海浪的沖擊、負(fù)載的突變等，轉(zhuǎn)矩滑?？刂破餍枰邆漭^強(qiáng)的抗干擾能力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以采用魯棒控制算法，如H∞控制、自適應(yīng)滑?？刂频?，來(lái)增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩滑?？刂破鞯聂敯粜?。H∞控制可以有效地抑制外界干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，通過(guò)優(yōu)化控制律，使系統(tǒng)在干擾環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出。自適應(yīng)滑模控制則能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的干擾情況，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法涉及到硬件和軟件兩個(gè)方面。在硬件方面，需要搭建包含電機(jī)、逆變器、傳感器和控制器等關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)際物理系統(tǒng)。電機(jī)作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，其性能直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果，因此需要選擇合適的電機(jī)類型和參數(shù)，以滿足船舶的推進(jìn)需求。逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為電機(jī)提供所需的電源，其開(kāi)關(guān)頻率和效率對(duì)系統(tǒng)的性能有著重要影響，需要選擇高性能的逆變器，并合理設(shè)計(jì)其控制電路。傳感器用于實(shí)時(shí)采集電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如電流、電壓、轉(zhuǎn)速等，為控制器提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，需要選擇精度高、可靠性強(qiáng)的傳感器，并對(duì)其進(jìn)行合理的安裝和校準(zhǔn)。控制器則是實(shí)現(xiàn)滑?？刂扑惴ǖ暮诵挠布O(shè)備，需要具備強(qiáng)大的計(jì)算能力和快速的響應(yīng)速度，以確保能夠?qū)崟r(shí)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制算法輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。在軟件方面，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)滑模控制算法和DTC策略?？刂瞥绦虻拈_(kāi)發(fā)通常采用高級(jí)編程語(yǔ)言，如C、C++等，結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如RT-Linux、VxWorks等，以確保程序的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。在控制程序中，需要實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的估算、滑?？刂破鞯挠?jì)算、SVPWM調(diào)制等功能。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的估算模塊根據(jù)傳感器采集的電機(jī)電流和電壓信號(hào)，利用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值?；？刂破鞯挠?jì)算模塊根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差，以及滑模面和控制律的設(shè)計(jì)，計(jì)算出所需的控制信號(hào)。SVPWM調(diào)制模塊則將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。還需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的監(jiān)控和調(diào)試程序，以便對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題。五、改進(jìn)DTC策略的仿真研究5.1仿真平臺(tái)與模型建立5.1.1選擇MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)的原因MATLAB/Simulink作為一款功能強(qiáng)大且應(yīng)用廣泛的仿真軟件，在電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，使其成為研究改進(jìn)DTC策略在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用的理想平臺(tái)。MATLAB/Simulink擁有豐富的模塊庫(kù)，這為電力系統(tǒng)仿真提供了極大的便利。在電力系統(tǒng)仿真中，涉及到發(fā)電、變電、配電、電機(jī)控制等多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要相應(yīng)的模型和模塊來(lái)進(jìn)行模擬。MATLAB/Simulink的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)中包含了各種類型的電源模塊，如直流電源、交流電源、柴油發(fā)電機(jī)組等，能夠滿足不同發(fā)電方式的仿真需求。對(duì)于變電環(huán)節(jié)，提供了變壓器、電抗器、電容器等模塊，可以精確模擬電能的變換和傳輸過(guò)程。在電機(jī)控制方面，有異步電機(jī)、同步電機(jī)、永磁電機(jī)等多種電機(jī)模型，以及各種控制算法模塊，如PID控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，這些模塊為搭建船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型提供了全面的支持。以船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的異步電機(jī)為例，通過(guò)使用Simulink中的異步電機(jī)模塊，可以方便地設(shè)置電機(jī)的參數(shù)，如額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、定子電阻、電感等，從而準(zhǔn)確地模擬異步電機(jī)的運(yùn)行特性。強(qiáng)大的計(jì)算能力是MATLAB/Simulink的另一大優(yōu)勢(shì)。電力系統(tǒng)仿真涉及到大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，如矩陣運(yùn)算、微分方程求解等，這些計(jì)算需要高效的計(jì)算資源來(lái)支持。MATLAB/Simulink采用了先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算算法，能夠快速準(zhǔn)確地處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。在仿真過(guò)程中，它可以根據(jù)用戶設(shè)置的仿真參數(shù)和步長(zhǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行精確的模擬和計(jì)算。對(duì)于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行仿真，如加速、減速、負(fù)載突變等情況，MATLAB/Simulink能夠快速計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等參數(shù)的變化，為分析改進(jìn)DTC策略的性能提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，MATLAB/Simulink還支持并行計(jì)算和分布式計(jì)算，能夠充分利用多核處理器和集群計(jì)算資源，進(jìn)一步提高仿真效率，縮短仿真時(shí)間。MATLAB/Simulink的可視化界面使得仿真模型的搭建和分析變得直觀、便捷。用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拽操作，將所需的模塊從模塊庫(kù)中添加到仿真模型中，并通過(guò)連線將各個(gè)模塊連接起來(lái)，構(gòu)建出完整的電力系統(tǒng)仿真模型。在模型搭建過(guò)程中，用戶可以實(shí)時(shí)查看模塊的參數(shù)設(shè)置和連接關(guān)系，方便進(jìn)行調(diào)試和修改。在仿真運(yùn)行后，MATLAB/Simulink提供了豐富的可視化工具，如示波器、圖形顯示模塊等，能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果以直觀的圖形或數(shù)據(jù)表格的形式展示出來(lái)。用戶可以通過(guò)這些可視化工具，清晰地觀察到電力系統(tǒng)中各變量的變化趨勢(shì)，如電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)情況、開(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性等，從而方便地對(duì)改進(jìn)DTC策略的效果進(jìn)行評(píng)估和分析。通過(guò)示波器觀察改進(jìn)前后DTC策略下電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波形，可以直觀地比較轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小，判斷改進(jìn)策略的有效性。5.1.2建立船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)及改進(jìn)DTC策略仿真模型在MATLAB/Simulink平臺(tái)上建立船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)及改進(jìn)DTC策略仿真模型，需要對(duì)異步電機(jī)、逆變器、控制器等關(guān)鍵模塊進(jìn)行詳細(xì)建模，并搭建傳統(tǒng)和改進(jìn)DTC策略的仿真模型。異步電機(jī)是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，其建模的準(zhǔn)確性直接影響到仿真結(jié)果的可靠性。在Simulink中，采用基于三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述異步電機(jī)的運(yùn)行特性。根據(jù)電機(jī)的基本原理，建立異步電機(jī)的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。通過(guò)這些方程，可以計(jì)算出電機(jī)在不同工況下的電流、磁鏈、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。在電壓方程中，考慮了定子電阻、電感以及反電動(dòng)勢(shì)等因素對(duì)電壓的影響；磁鏈方程則描述了磁鏈與電流之間的關(guān)系；轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)電磁力定律推導(dǎo)得出，用于計(jì)算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；運(yùn)動(dòng)方程則反映了電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置異步電機(jī)的參數(shù)，如額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、定子電阻、電感、轉(zhuǎn)子電阻、電感等，以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等外部條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的精確建模。逆變器作為將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的關(guān)鍵設(shè)備，其建模對(duì)于仿真船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換過(guò)程至關(guān)重要。在Simulink中，使用電力電子模塊庫(kù)中的逆變器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的建模。常見(jiàn)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩電平逆變器和三電平逆變器等，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。對(duì)于兩電平逆變器，通過(guò)控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直流電壓到交流電壓的轉(zhuǎn)換。在建模過(guò)程中，需要設(shè)置逆變器的開(kāi)關(guān)頻率、直流側(cè)電壓、開(kāi)關(guān)器件的參數(shù)等。為了模擬逆變器的實(shí)際工作情況，還需要考慮開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通壓降、關(guān)斷時(shí)間等因素對(duì)逆變器性能的影響。通過(guò)合理設(shè)置這些參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地模擬逆變器在不同工況下的輸出電壓和電流波形，為后續(xù)的電機(jī)控制和系統(tǒng)性能分析提供基礎(chǔ)?？刂破魇菍?shí)現(xiàn)DTC策略的核心部分，其建模需要根據(jù)不同的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)DTC策略，控制器主要包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算模塊、滯環(huán)比較器和開(kāi)關(guān)表。磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算模塊根據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電壓