海工产品标准仿真试验验证平台

2023-04-04冯洪奎周瑞平

船舶标准化工程师 2023年2期

冯洪奎，周瑞平，陆剑，李键

（上海海洋工程装备制造业创新中心有限公司，上海 201306）

0 引言

产品标准是用于指导产品设计、制造、检验、安装和使用的准则。标准的正确与否直接关系到产品的生产成本和使用安全，有必要重视标准的验证工作。随着计算机仿真技术的飞速发展，使用仿真的方法验证标准条款成为标准验证的一种必要手段。标准仿真试验验证通过仿真方法检验标准的合理性，为标准制定提供依据。

根据仿真方法的不同，可将计算机仿真划分为基于硬件在环（Hardware In Loop，HIL）的半实物仿真、虚拟现实仿真、增强现实仿真、二维图形仿真等；根据仿真内容的不同，可将计算机仿真划分为产品装配仿真、生产线调度仿真、作业过程仿真、固体力学仿真、流体力学仿真、运动学仿真、动力学仿真、科学计算仿真等。

陈杰等[1]通过ADAMS、Creo、ABAQUS 等商业软件建立仿真平台，在此基础上提出产品设计及工艺的线下仿真验证标准。采用该方式建设仿真平台，技术上比较成熟，结果比较可靠，但平台可扩展性不强。王云锋等[2]对标准验证模型的指标体系进行研究，为搭建基于标准验证模型的机械产品设计工艺仿真标准验证平台提供依据，但指标的有效性仍然需要经过大量实践进行验证。

海工产品种类繁多，其对应的标准也较多，各标准的验证对象和验证方法均不相同。海工产品标准仿真试验验证平台自主搭建通用的海工产品检验环境，为部分标准的制定提供依据，该平台目前主要侧重对控制系统和通信系统等相关标准进行仿真验证。

本文搭建海工产品标准仿真试验验证平台，并采用仿真方法验证海工产品相关标准制定的合理性。

1 系统架构方案

海工产品标准仿真试验验证平台系统架构如图1 所示，主要包括输入、建模与仿真、仿真数据分析和输出。该平台建立的模型主要包括控制模型、通信模型、海洋平台运动模型、船舶运动模型、管理系统模型、电力系统模型、推进系统模型、传感系统模型、位置参照系统模型、环境载荷模型、作业载荷模型等。利用这些模型对船舶与海洋平台相关标准进行验证。

图1 海工产品标准仿真试验验证平台系统架构图

2 验证实例

2.1 标准条款

动力定位（Dynamic Positioning，DP）系统[3-6]是一种重要的闭环控制系统，用于将船舶或海洋平台保持在较小范围内运动。DP 系统可根据采集的环境参数和位置参数自动进行计算，根据计算结果控制各推进器的推力大小，尽可能使船舶或海洋平台的艏向和船位保持不变。对DP 系统相关标准进行仿真测试验证具有重要意义，本文选择标准T/CSNAME 008—2020 中提出的DP 控制系统的HIL 仿真系统框架结构（见图2）进行验证[7]。HIL仿真系统可以在脱离真实船舶及海洋平台作业环境的情况下对DP 系统的故障进行检测。

图2 HIL 仿真系统框架结构

2.2 HI L 仿真系统开发

为验证标准T/CSNAME 008—2020 中提出的DP 控制系统的HIL 仿真系统框架结构是否正确，需要根据该标准条款提出的系统框架对HIL仿真系统进行开发。若开发出的系统能成功实现仿真测试，则说明标准条款的内容是合理的，否则说明该标准条款的内容存在问题，需要进一步修改。

根据标准条款搭建仿真系统，仿真系统中的船舶电力仿真系统模型见图3。其中：SM_gen1 子系统包括2 台柴油发电机、7 台变压器、2 台12 脉冲变频器、1 台24 脉冲变频器和3 台推进电机；SM_gen2子系统包括2台柴油发电机、8台变压器、4 台12 脉冲变频器和4 台推进电机；SM_gen3 子系统包括2 台柴油发电机、7 台变压器、2 台12 脉冲变频器、1 台24 脉冲变频器和2 台推进电机。图3中：Ts表示采样时间；Trigger 表示触发信号接口；Brk 表示断开信号接口；SS0表示串口0 接口；SS1表示串口1 接口；SS2表示串口2 接口；Cmd 表示命令接口；Send 表示发送信号接口；Recv 表示接收信号接口；Status 表示状态信号接口；Over 表示过载信号接口；Ai、Bi、Ci（i=1, 2, 3,…, 7）表示三相交流电的A 相、B 相、C 相电的参数接口。

图3 船舶电力系统仿真模型

失效模式仿真示意图见图4，分别在母线、推进变压器进线端及母联电缆上选取故障点K1、K2和K3进行三相短路试验。图4 中：brk1～brk7表示电闸，G 表示发电机，M 表示推进电机，K1、K2和K3表示故障点。海洋平台为海上钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施。海洋平台的工作环境恶劣，不仅有风、浪、流等复杂外部载荷的作用，还会受到交变作业载荷的影响。在海洋平台相关标准的制定过程中，涉及对风、浪、流等外部载荷的描述，为验证这些描述是否正确，需要建立动力定位仿真验证平台，该平台包括船体模块、环境干扰模块、滤波模块、控制器模块和推力分配模块。

图4 失效模式仿真示意图

DP 系统仿真模型见图5。图5 中：w 表示线性二阶波谱的输入参数；s 表示拉普拉斯算子；posw表示船舶纵荡噪声和横荡噪声组成的数组；xw表示船舶纵荡的噪声大小；yw表示船舶横荡的噪声大小；psiw表示船舶艏向的噪声大小；psi 表示根据船舶运动模型计算得到的艏向大小；y 表示模拟的船舶运动的位置与艏向组成的数组；该模拟值等于船舶运动模型计算得到的位置、艏向与相应噪声的和；y3表示船舶运动模型计算得到的艏向值psi 与艏向噪声psiw的和；xd表示船舶初始位置沿纵向方向的大小；yd表示船舶初始位置沿横向方向的大小；psid表示船舶艏向的初始大小；etaref为船舶的初始位置和初始艏向组成的数组；eta 表示根据船舶运动模型计算得到的船舶运动的位置和艏向组成的数组；nu表示根据船舶运动模型计算得到的船舶纵向、横向、艏向速度大小组成的数组，τ表示船舶推进器的扭矩大小；etaw表示惯性导航仿真器测量到的船舶运动位置噪声与艏向噪声组成的数组；psw表示惯性导航仿真器测量到的船舶艏向噪声大小；D 表示度转弧度；R 表示弧度转度；u(3)表示取数组的第3 维数据。

图5 DP 系统仿真模型

2.3 DP 控制系统的HIL 测试

建立DP 控制系统，并通过相关设备运行数据来采集数学模型参数。将HIL 仿真系统与现场设备（被测系统）连接，为现场设备提供真实信号，并开始进行测试。DP 控制系统的HIL 测试系统总体架构见图6。试验平台的电力系统、推进系统、传感器和位置参考系统的参数配置完全根据项目实际进行选取，在贴近真实环境下对DP 控制系统的设计理念、功能性、失效处理能力等进行测试评估。

图6 HIL 测试系统总体结构

3 标准验证结果

3.1 失效模式仿真

分别在母线、推进变压器进线端及母联电缆上选取故障点K1、K2和K3进行三相短路试验。当K1短路时，同步发电机差动保护，brk1 跳闸；当K2短路时，推进电机变压器过流保护，brk4 跳闸；当K3短路时，母联方向比较式纵联保护，brk6 和brk7跳闸。仿真试验表明：当HIL 系统发生三相短路故障时，可将故障有效隔离，选择性较好。

3.2 DP 系统仿真

在仿真测试过程中，DP 控制系统接收环境载荷、船舶运动参数、船舶位置、推进器状态、电网状态等信息，并输出相应的指令至推进器系统。在不同风、浪、流的扰动情况下，DP 控制系统能够自动控制艏向，使船体与定义运动轨迹间的偏差保持在合理范围内。DP 控制系统与三维视景仿真系统的数据可进行实时交互（见图7），以便多视角、多维度地进行仿真测试。结果表明：根据标准T/CSNAME 008—2020 中提出系统结构开发的HIL仿真系统能成功实现仿真测试，标准条款的内容是合理的。