一种船舶多桨协调控制分配方法组成比例

本发明专利技术属于船舶螺旋桨的推力控制领域,尤其涉及一种船舶多桨协调控制分配方法。本发明专利技术包括如下步骤：首先通过操控台人机交互输入船舶航速/航向期望值，然后与GPS/平台罗经测量的船舶航速/航向实测值进行比较得到航速/航向偏差状态量，利用李雅普诺夫稳定性原理根据航速/航向偏差状态设计船舶运动控制器，并输出期望的纵向、横向合力与艏向力矩给控制分配器，控制分配器调整螺旋桨推力控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以产生推力推进船舶运动。该控制分配方法易于实现,效率较高,可以方便的和高层运动控制器进行模块化集成,共同实现对船舶多螺旋桨的协调控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于船舶螺旋桨的推力控制领域,尤其涉及一种船舶多桨协调控制分配方法。
技术介绍
作为综合全电力推进船舶的执行机构，螺旋桨推进器系统工作性能的好坏直接影响到船舶航速/航向控制系统的精度，甚至整船的安全性和可靠性。为此，综合全电力推进船舶和动力定位船舶往往比常规船舶配备更多种类和数量的螺旋桨推进装置，成为过驱动系统以保证船舶的全天候航行安全及远洋能力，提高船舶的航行性能和机动性。船上螺旋桨推进器数量的增多与新型推进设备的应用无疑增加了船舶的可操纵性，但同时控制输入的数量冗余、功能耦合也给电力推进船舶的控制分配带来了新的课题。螺旋桨推力控制分配的结果直接关系着控制系统能否产生船舶运动控制器所期望的控制效果。而在现有的文献和资料中,并没有公开的电力推进船舶多桨协调控制分配方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够与船舶运动控制器分层设计的船舶多桨协调控制分配方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种船舶多桨协调控制分配方法，包括如下步骤：首先通过操控台人机交互输入船舶航速/航向期望值，然后与GPS/平台罗经测量的船舶航速/航向实测值进行比较得到航速/航向偏差状态量，利用李雅普诺夫稳定性原理根据航速/航向偏差状态设计船舶运动控制器，并输出期望的纵向、横向合力与艏向力矩给控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息因素实时调整螺旋桨推力控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以产生推力推进船舶运动，实现船舶的多桨协调控制。所述的监督控制器的输入包括系统运行模式、人工输入、外界环境变化和螺旋桨故障检测信息，通过切换逻辑调整控制分配模式。所述的下层控制分配器建立固定方向角模式、可变方向角模式和故障运行模式控制分配模式。本专利技术的有益效果在于：该控制分配方法易于实现,效率较高,可以方便的和高层运动控制器进行模块化集成,共同实现对船舶多螺旋桨的协调控制。附图说明图1为本专利技术船舶多桨协调控制分配方法的原理结构图。图2为螺旋桨推进器多模切换控制分配的原理结构图。图3为螺旋桨推进器监督控制器的原理结构图。图4为船舶四螺旋桨配置的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。本专利技术的技术方案：一种船舶多桨协调控制分配方法，首先通过上位机设定船舶航行的航速/航向期望值，并分别与GPS、平台罗经返回的船舶实际航速/航向值进行比较得到航速/航向偏差；运动控制器根据航速/航向偏差计算得到纵向、横向合力与转艏力矩，并发送给螺旋桨推力控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息等因素实时调整控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以实现船舶的多桨协调控制。所述的船舶多桨协调控制分配方法采用软件模块化设计思想，将高层运动控制器与控制分配器进行分离设计，具体如下：1、高层运动控制器设计对船舶航速/航向偏差状态控制律进行设计的控制方法包括PID控制方法、动态逆控制方法、反步法、H∞控制、LQR控制、特征配置控制方法、自抗扰方法等，其具体步骤如下：步骤一：确定船舶的运动学方程和动力学方程；步骤二：给定期望的船舶航速/航向跟踪值，包括纵向速度和艏向角度/角速度值；步骤三：计算船舶当前航速/航向状态与期望状态的控制偏差值；步骤四：利用李雅普诺夫稳定性原理求得航速/航向偏差状态控制律。2、控制分配器设计冗余螺旋桨推力控制分配器可以采用直接分配法、串接链法、广义逆法和数学规划法等动态控制分配算法进行设计,其具体步骤如下：步骤六：计算期望控制指令，包括纵向、横向合力和艏向力矩期望值；步骤七：考虑实际推进装置所面临的物理、机械和功率等约束条件，建立螺旋桨推进器的可行域；步骤八：建立螺旋桨固定方向角模式、可变方向角模式和故障运行模式等多模式切换控制分配策略；步骤九：将控制分配问题转化为最优化问题，确定优化目标、决策变量和权值矩阵；步骤十：对上述目标函数求解得到螺旋桨控制指令，以产生推力推进船舶运动。本专利技术相对现有技术具有如下的优点及效果：本专利技术提供的船舶多桨协调控制分配方法采用高层运动控制器与控制分配器模块化设计思想，当船上螺旋桨推进器的配置有所改变或者发生故障时，可以利用控制分配器进行控制重分配，而不需要重新设计运动控制器，这将大大降低船舶运动控制律的设计难度。本专利技术提供的船舶多桨协调控制分配方法基于多模切换理论建立上层监督控制器，负责控制分配模式间的自动切换。监督控制器的输入包括系统运行模式、人工输入、外界环境变化和螺旋桨故障检测信息等。监督器基于以上信息决定哪种控制分配模式最适合当前系统的运行情况，然后通过切换逻辑调整控制分配模式。本专利技术提供的船舶多桨协调控制分配方法综合考虑控制分配算法、系统运行模式、海洋环境条件以及螺旋桨推进器故障，下层控制分配器建立了固定方向角模式、可变方向角模式和故障运行模式等多种控制分配模式，有利于提高控制分配的灵活性和适应性，满足不同运行模式下的控制目标，有效地改善了控制性能。本专利技术提供的船舶多桨协调控制分配方法原理简单,操作方便,可靠性高，易于实现。本专利技术提供一种船舶多桨协调控制分配方法,其原理结构如图1所示。首先根据船舶实际航行和作业过程通过操控台人机交互输入船舶航速/航向期望值，然后与GPS/平台罗经测量的船舶航速/航向实测值进行比较得到航速/航向偏差状态量，利用李雅普诺夫稳定性原理根据航速/航向偏差状态设计船舶运动控制器，并输出期望的纵向、横向合力与艏向力矩给控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息等因素实时调整控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以产生推力推进船舶运动，实现船舶的多桨协调控制。螺旋桨推力控制分配器采用基于监督切换的多模式控制分配方法，其原理结构如图2所示。基于监督器的多模切换理论，建立了基于监督器的螺旋桨推力控制分配切换结构，上层的监督控制器综合考虑系统当前的运行模式、外界风、浪、流环境变化以及螺旋桨推进器的故障情况等因素进行控制分配器间的自动切换，考虑不同航速下系统运行模式与抵抗不同的海洋环境扰动对螺旋桨推进器性能有不同的需求，下层控制分配器建立了固定方向角模式、可变方向角模式和螺旋桨故障运行模式等多种控制分配策略，使带有全回转螺旋桨的推进器系统可以根据外界海况的变化和系统运行模式的改变灵活调整分配模式，提高推进器系统的应用效率和设备运行域。固定方向角分配模式要求所有全回转推进器按某一固定的方向角工作，每个全回转推进器的固定方向角预先进行设定。固定方向角螺旋桨控制分配的数学模型如下：式中，T为多个螺旋桨协调分配的输出作用力；s为松弛变量，表示运动控制器输出的期望合力/力矩与多螺旋桨推进系统实际所产生的合力/力矩的差值；ΔT为当前推力指令与上一个采样时刻推力的差值；J(T,s)为船舶多桨控制分配最优化问题的目标函数；H、M、Q为对应的非负权值矩阵；B表示冗余螺旋桨推进器系统的配置矩阵，为常数矩阵；τd为船舶运动控制器输出的纵向、横向合力与艏向力矩期望值；A为不等式约束矩阵；b为不等式约束向量；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船舶多桨协调控制分配方法，其特征在于，包括如下步骤：首先通过操控台人机交互输入船舶航速/航向期望值，然后与GPS/平台罗经测量的船舶航速/航向实测值进行比较得到航速/航向偏差状态量，利用李雅普诺夫稳定性原理根据航速/航向偏差状态设计船舶运动控制器，并输出期望的纵向、横向合力与艏向力矩给控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息因素实时调整螺旋桨推力控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以产生推力推进船舶运动，实现船舶的多桨协调控制。

【技术特征摘要】
1.一种船舶多桨协调控制分配方法，其特征在于，包括如下步骤：首先通过操控台人机交互输入船舶航速/航向期望值，然后与GPS/平台罗经测量的船舶航速/航向实测值进行比较得到航速/航向偏差状态量，利用李雅普诺夫稳定性原理根据航速/航向偏差状态设计船舶运动控制器，并输出期望的纵向、横向合力与艏向力矩给控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息因素实时调整螺旋桨推力控制分配策略，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜，郭晓杰，张兰勇，李冰，耿文杰，战慧强，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23