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Ocean Engineering
ELSEVIER
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Real-Time model-based design for CODLAG propulsion control strategies
M. Martelli*, M. Figari
Department of Electrical, Electronic, Telecommunications Engineering and Naval Architecture (DITEN), University of Genova, Italy
ABSTRACT
ARTICLE INFO
Design and optimization of propulsion control strategies is a crucial part of ship design. In fact, propulsion plant behaviour is greatly influenced by the control system dynamics. Acceleration, deceleration, crash stop, heavy turning are some examples of transient conditions that a propulsion plant has to sustain whilst maintaining optimal performance without reducing ship safety and reliability. In this paper, the methodology and the simulation models needed to design the propulsion control logics for an innovative CODLAG propulsion plant are discussed. The methodology is based on the RT-HIL already used by the authors in a previous naval ship project and consists in the development of the propulsion control logics in a virtual environment. In order to increase the reliability of the results new and more detailed ship simulation models have been developed and their validation discussed in the paper. Thanks to this methodology, it is possible to test the control system under different operational conditions off-line, ashore in the office, without any hazards for the real system. The overall design time is reduced and this allows reduction in the time and the related cost of the sea trials for the final commissioning. At the end of this paper, sea trials results are shown to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.
Keywords:
Control system Marine propulsion plant Ship simulation Hardware in the loop Model-based design CODLAG
- Introduction
The capability for efficient use of the power necessary to perform the required tasks within the boundary conditions imposed by machinery or environment constraints is one of the primary tasks of the propulsion control system. To achieve this goal, the propulsion control logics have to be designed and tested for a wide range of foreseeable ship operations. A modern and efficient way to develop the control design is to first develop it in a virtual environment and then translate the control logics into real hardware (PLC). In order to achieve the desired full-scale performance before the ship availability the PLC, linked to the virtual model of the ship, can be tested in detail and optimised by Real Time Hardware in the Loop techniques.
The above-mentioned approach has demonstrated its technical and economical effectiveness for the design of marine systems especially when no experience exists (see Altosole et al., 2007; Johansen and Sorensen, 2009; Michetti et al., 2010). The main aim of the paper is to present and discuss the methodology adopted for the development and the validation of the control strategies for an innovative CODLAG propulsion plant.
With respect to previous authorsrsquo; experience and state of the art literature, the main innovation is the highly nonlinear ship propulsion simulator able to run in real time. The objective of the proposed simulation approach is to adequately describe global ship behaviour by modelling ship manoeuvrability, the propulsion plant and the control system in one simulation platform containing mutual interaction terms (system of systems approach). This complex modelling allows realistic ship systems feedback otherwise unavailable with standard simulation techniques.
The ship and machineries mathematical models used in this work are fully validated by Martelli et al. (2014a, 2014b), where the fidelity and completeness of the several mathematical sub models have been proved.
In the last few years, ship propulsion systems have experienced major innovations to meet the needs of the ship owner, to satisfy the mandatory rules in term of safety and environmental impacts and to reduce fuel oil consumption. The increasing complexity of these new marine propulsion systems, such as the COmbined Diesel-eLectric And Gas (CODLAG) objective of this study, includes different engine types with very different power and rotational speeds. This necessarily leads to the development of dedicated propulsion control strategies. The propulsion control should be designed to manage such a complex system in a safe and economic manner, in all foreseeable conditions. Furthermore, the propulsion control systems should also be able to ensure the best performance of the propulsion plant in all conditions; in the proposed case study, 13 different operational modes have been analysed, including “boost” condition where gas turbine and electric motor together provide the necessary torque on the same shaft.
Fig. 1. Propulsion Plant Layout.
In open literature, several works dealing with marine simulation topics are present. In particular, three comprehensive books has been wrtitten by Fossen, (1994, 2002, 2011) regarding the equations of motion and propulsion control simulation for ocean vehicles. These works are very detailed as far as control system and vehicle hydrodynamics simulation, while the propulsion system is often absent or simplified. Specific papers dealing with propulsion plant topics: the main engines, auxiliary systems can be found in some works (see Rubis, 1978; Rana et al., 1997; Benvenuto and Campora, 2005; Altosole et al., 2014), and of particular note, the works of Rana and Rubis also deal with the turbine control system. Diesel engine simulation models used for sh
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基于实时模型的CODLAG推进控制策略设计
摘要：推进控制策略的设计和优化是船舶设计的关键部分。事实上，推进装置的特性在很大程度上受控制系统动力学的影响。加速，减速，急刹，急转弯是一些瞬态工况的例子，一个推进装置必须能承受这些，同时保持最佳的性能且不降低船舶的安全性和可靠性。本文讨论了创新型CODLAG推进装置推进控制逻辑设计所需的方法和仿真模型。该方法基于作者在以前的海军舰船项目中已经使用的RT-HIL，包括在虚拟环境中推进控制逻辑的开发。为了提高结果的可靠性，本文讨论了新型且更精密的船舶仿真模型的开发和验证。由于采用了这种方法，在岸上的办公室内有可能在不同的运行条件下离线测试控制系统，对真实系统没有任何危害。 总体设计时间缩短了，这可以减少最终试运行的海上试验的时间和相关成本。在本文末尾，海上试验结果显示了所提出方法的有效性。
关键词：控制系统 船舶推进装置 船舶模拟 CODLAG
- 介绍
在通过机械或环境约束施加的边界条件下执行必要任务所需的动力的有效使用能力是推进控制系统的主要任务之一。为实现这一目标，推进控制逻辑必须针对各种可预见的船舶操作进行设计和测试。开发控制设计的一种现代而有效的方法是首先在虚拟环境中开发它，然后将控制逻辑转换为真实硬件（PLC）。为了在船舶可用之前达到所需的全面性能，与船舶的虚拟模型相关的PLC可以通过循环技术中的实时硬件进行详细测试和优化。
上述方法已经证明了其在海事系统设计方面的技术和经济效益，特别是在没有经验的情况下。本文的主要目的是介绍和讨论为创新型CODLAG推进装置开发和验证控制策略所采用的方法。
关于以前作者的经验和文献情况，主要创新是能够实时运行的高度非线性船舶推进模拟器。所提出的模拟方法的目的是通过在一个仿真平台（系统方法体系）模拟舰机动，推进装置和含有相互作用方面的控制系统，以充分说明全球船的行为。 这种复杂的建模方式允许真实的船舶系统反馈，否则标准模拟技术无法使用。
在这项工作中使用的船舶和机械数学模型由Martelli等人完全验证，其中几个数学子模型的保真度和完整性已被证明。
在过去几年中，船舶推进系统经历了重大创新，以满足船东的需求，满足安全和环境影响方面的强制性规定并减少燃油消耗量。这些新型船舶推进系统日益复杂，例如本研究的COMBined Diesel-eLectric and Gas（CODLAG）目标，其中包括具有不同功率和转速的不同发动机类型。这必然导致专用推进控制策略的发展。在所有可预见的情况下，推进控制的设计应该以安全和经济的方式管理这样一个复杂的系统。此外，推进控制系统还应该能够确保推进装置在所有条件下的最佳性能;在所提出的案例研究中，已经分析了13种不同的操作模式，包括“增压”状况，其中燃气轮机和电动机一起在同一轴上提供必要的扭矩。在公开文献中，有几篇着作涉及海洋模拟课题。特别是Fossen关于海洋运动的运动方程和推进控制模拟的三本综合性书籍。就控制系统和车辆流体动力学仿真而言，这些工作非常详细，而推进系统通常不存在或简化。关于推进装置主题的具体论文：主引擎，辅助系统可以在一些作品中找到（参见Rubis，1978; Rana等，1997; Benvenuto和Campora，2005; Altosole等，2014），特别注意的是，Rana和Rubis的作品也涉及涡轮控制系统。 （Schulten和Stapersma，2003; Benvenuto和Campora，2007; Baldi等，2015）可以找到用于船舶推进控制设计的柴油发动机仿真模型。
从机械学，液压系统和作用载荷的角度来看，螺旋桨桨距变化机制已经在几个作品中得到了充分的研究。有关船舶操纵性仿真的文献太多，无法用几句话来回顾，因此我们只讨论了几篇作者已在本文中使用过的作者。特别是在一些论文中（见Ankudinov等，1993），提出了一种三自由度实时机动的模块化数学方法; 而Kijima和Furukawa（1998）研究了转弯时的滚动运动; Brix（1993）提出了一本处理机动技术问题的书籍。 Viviani等人在考虑到轴线不平衡的情况下处理了船舶操纵能力; 从控制器设计者的角度来看，这最后一个效应是非常重要的，这将在本文后面的章节中解释。
Altosole等人也模拟了天气条件，如风和水流对船舶行为的影响。（2013）。
以“船舶系统”的整体视角进行船舶建模变得越来越普遍。文献报道了一些关于船舶模拟的研究，包括推进装置，操纵模型和控制系统。
关于船舶控制器，一些作品（见Amy等，1997; Johansen和Sorensen，2009; Stapersma等，2009; Geertsma等，2017）通过大量使用仿真技术和实时硬件循环测试平台处理推进控制器设计。
关于CODLAG控制器，由于这种推进系统的新颖性，在公开文献中不存在任何作品。
本文首先介绍了CODLAG概念的复杂性及其控制难题。其次，本文将数学方法简要地描述为一个完全在参考文献中发展的“体系”。
然后本文展示了所提出的方法的工程实现，该软件平台允许在瞬态条件（加速度，减速度等）和稳态条件（定速航行）期间研究船只的动态行为，以及分析所涉及的所有元素之间的相互作用，适合以实时和批量处理模式运行。对系统物理模型的选择和开发给予了特别的关注，能够实现高保真度和合理的计算时间。关于以前的工作，已经引入了新的CPP机制的详细模型，船体动力学被视为6自由度问题，并且所有不同的控制层（船舶管理员和本地控制器）都被建模。
第3节讨论了以前没有经验的新推进控制策略的发展和测试。
在论文的最后，对模拟结果与此类第一艘舰船海上试航期间获得的数据进行了比较，并对其进行了展现和讨论。
- 推进控制系统概述
图1显示了特定船舶推进装置的一般结构，COMBAG柴油电子和气体（CODLAG）装置，燃气轮机（GT）通过交叉连接的齿轮箱驱动两个可调螺距螺旋桨。直接安装在轴线上的两个电动推进马达（EPM）可以在静音运行期间用于低速，或与用于全功率的燃气轮机一起使用。四台柴油发电机提供电能。这样一个复杂的工厂实现了大约十五种推进模式。每种模式在每个组件的性能范围内都有特定的整体性能要求。
总体要求的一个例子是船舶加速或停船能力; 部件性能包络的一个例子是两条轴线之间的最大扭矩不平衡，以保护交叉连接的齿轮箱的车轮齿。船舶管理系统或船舶控制系统提供人机界面（HMI）功能以及系统控制。船舶主管分为不同的子系统（图2），分别管理和控制不同的船上活动：船舶安全，推进，电力管理等。这项工作的重点是推进装置系统特殊特性的设计。
机组人员可以通过不同的操作员站（OS）与推进装置互动，并通过构成控制网络的局域网相互连接。自动化服务器通过I/O设备连接控制和现场总线网络。这些元件将人的动作（杠杆的移动，触摸屏）转换为可编程逻辑控制器（PLC）的实际信号。 另外，传入的字段信息存储在这些服务器中。所有的PLC和传感器都需要管理组成现场总线网络的不同系统。在这个网络中，PLC接收来自机械监控的数据，然后它们为推进装置的每个元件提供适当的设定点。
如图3所示，推进控制系统的结构已经建立了不同的层次结构。最高层是船舶主管; 其任务是将人的行为转化为机器的设定点信号并防止可能的系统故障（例如由于超过最大速度或扭矩容量，高压等）。主管包括专门为特定船舶项目设计的与推进功能相关的所有逻辑。
第二级由本地机器控制器组成。本地控制器接收来自主管的设定点的输入并返回确认收据的信号。本地控制器包括维护机器安全所需的逻辑，其中包括通常设定的阈值高于监督人控制器允许的阈值。
还可能存在第三个“隐藏”等级，在图3中被命名为“并行控制逻辑”（用红色点划线表示）。在这个级别中，单个本地控制器可以与其他本地控制器交互，并且机器绕过监控器控制。由于保密原因，后者的逻辑并不总是由主管设计人员知道。这显然是非常危险的，因为全球行为受到这些控制逻辑的影响，这些逻辑可能会导致意想不到的、似乎莫名其妙的推进装置行为。
这种复杂控制系统的设计可能非常具有挑战性，特别是在没有关于受控系统行为的经验的情况下。传统的设计方法很难考虑属于相关元素的几种相互作用，其中推进装置被认为是一个线性动力系统，或者每个单独的元件被独立研究。
通常有两种不同的方案可用于开发和设计推进控制系统：开环和闭环。由于军舰的推进控制自动化的出现，一些海军基于反馈信号的脆弱性拒绝完全接受反馈控制。为了提高系统可用性，目前为控制和现场总线网络安装了双环LAN基础设施。
当今，在船舶推进控制系统设计中，闭环是优选的，因为设定值以精确的方式达到并且系统行为更可预测。此外，这种技术在船舶处于恶劣环境中时存在一些缺点。例如，如果环境条件在数量级上快速变化，则闭环会导致系统振荡，导致机器磨损。由于这些原因，在某些情况下开环和闭环都会使用。
为了测试控制逻辑的性能和可靠性，在所提出的方法中，首先使用环路软件（SIL）技术在虚拟环境中设计和测试推进控制。之后，将测试的控制逻辑嵌入到连接到虚拟船模型的PLC中，以使用循环中的硬件（HIL）评估船上安装之前的有效性。
- 循环中实时硬件的推进控制设计
作者制定了设计船舶推进监督员的程序，细分为三个主要步骤。图4显示了程序流程图（左侧）和工程实施（右侧）。第一步包括对客户要求和技术规格的分析，导致第一个暂定控制器设计; 之后，模拟推进装置能够全面了解动态行为。
第二步是对仿真结果进行系统分析和评估，这样可以让设计人员更新和调整控制器，直到获得所需的性能。在这个阶段，通过用不同的逻辑运行多批次模拟，第二个试验性版本满足主要客户要求，通过反复试验来确定。通常以批处理模式运行模拟以非常快速地获得计算结果（例如，在小于10秒内模拟60秒的满量程测试）。
第三步是将控制器逻辑（由模拟产生）编码到PLC软件中，获得真正的控制器。通过使用RT-HIL仿真技术开发合适的HMI，调试和微调实际控制器是可能的。这最后一步允许设计人员在模拟环境中研究真实控制器的性能。使用RT-HIL的动机是由于虚拟PLC和真实PLC之间的主要区别。这些差异可能是由于几个因素造成的：CPU的内部循环时间，与基于PC的解决方案不同（这种影响也可以通过大多数商业开发软件中的特定选项加以考虑），数据之间交换数据的时间延迟不同控制器，最终还有PLC中使用的不同原生功能。事实上，考虑到延迟，从连续时间到离散时间的过渡经历了虚拟和实际控制器之间的一些差异。在此更改过程中，可以观察到不同的系统行为，从而导致对控制参数进行新的调整。关于工程实施，第一个设计步骤包括基于仿真的初步设计。
在这个阶段，设计了控制逻辑，并且可以在由表示控制系统和船舶数学模型的两个软件模型之间的相互作用创建的模拟环境中设置控制回路的几个参数，如图5所示。两个软件 模型已经在相同的环境中开发，以最大限度地提高兼容性并缩短开发时间。第一步不足以确保控制器逻辑的良好功能。
第二步是改进控制逻辑。得益于强化的仿真运动，并且由于推进装置数学模型的保真度，可以开发精确的控制器模型，以更好地表示架构，硬件性能和软件功能。
然而，板载真实硬件的行为可能与前两个步骤模拟的行为大不相同。在板上，通常使用多个CPU来控制推进系统的不同组件，并限制在其中一个故障的情况下功能的损失（即使每个CPU用于冗余配置）。
在真实系统中，整个控制系统必须实时工作，自动化设计人员必须确保仿真所预见的性能将保持在现实世界中。为此，有必要尽快限制两个世界之间的差异，例如由于存在许多通常在仿真模型中未实现的功能（但仍然与推进控制相互作用，例如启动/停止序列）以及自动化必须在真实系统上监控的数千个信号。
所以，在所提出的方法中提供了第三个设计步骤。它由RT-HIL仿真的控制逻辑性能评估组成。该设计技术用于测试设置，其中真实的硬件控制器可以与实时模拟的虚拟船舶推进器（发动机，轴线，螺旋桨，船舶运动，模型）交换数据（即60秒的满量程测试必须在PC上正好运行60秒）。
所提出的方法不同于真正的控制器测试全部在船上进行这种通常的船厂程序，部分在码头侧的交付期间和在船舶全面试验期间进行。
通过使用RT-HIL仿真，不需要船的实际存在; 因此，即使在船舶建造之前，也可以进行控制器测试。这种方法可以减少耗时且昂贵的试验。
为了使仿真更加符合实际，船舶模型中未实现的一些功能通过控制器内部的代码进行模拟。
图6显示了用于测试控制器的实验装置的框图。实时应用程序执行船舶模型。OPC（广泛使用的通信标准）客户端通过OPC服务器读取控制器上的命令参数并返回结果。OPC服务器和应用程序驻留在同一台PC上，每个OPC服务器通过以太网LAN与控制器交换数据。
如图7所示，“模拟功能”可与人机界面进行交互，以提供用户命令（即选择杆位置和精确推进模式）并模拟在模型内未实现的次要系统。所有通过OPC交换的参数都可以记录到一个文件中，但它们也可以通过图形面板的方式供自动化设计人员使用，如图8所示。通过这种方式，可以全面查看所有工作系统参数。
由于实时应用（船舶模型）是完全可配置的，因此可以用不同的工作场景（即不同的环境温度，舵角等）测试控制器。这是RT-HIL方法的另一个优点，不仅因为设计人员可以在板载交货之前对控制器进行调试，以最大限度地提高控制器的性能并最大限度地降低成本和交货时间，而且还因为可以在可能很难或有风险去测试真正的船舶的临界情况下测试系统。
这部分工作的挑战是双重的：设计一个复杂和创新的推进装置的控制逻辑，并设置一个适当的模拟环境，以支持设计选择。第一项任务需要与自动化提供商进行全面协作。
船舶主管有一个由一个油门组成的
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