一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、推力分配单元从控制器获得当前控制器三轴指令，包括纵向力、横向力和艏摇力矩；步骤2、建立动力定位系统推力分配模型；步骤3、建立推力分配问题的目标函数和约束条件；步骤4、应用粒子群与序列二次规划相结合的寻优方法对推力分配问题进行求解。本发明专利技术在充分考虑粒子群算法与序列二次规划算法优缺点的基础上，将两者结合，使得两者的缺点能够得到有效的弥补，大大提高了算法的全局寻优性能，能够快速有效地解决动力定位系统推力分配问题，具有很高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法
本专利技术属于船舶动力定位
，涉及船舶动力定位系统的推力分配方法，尤其是一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法。
技术介绍
随着人类对海洋的不断开发，传统的锚泊定位系统已经无法满足深海水域的作业需求。而动力定位系统能够利用船舶自身配备的推进器，抵御海上环境的干扰，实现船舶位置与艏向的保持，且其具有定位精度高、机动性强、不受海域深度限制等优点，是深海作业设备必备的保障装备之一。船舶动力定位系统推力分配的任务是将动力定位控制器输出的三自由度控制指令按照一定的分配策略，合理地分配给各个推进器，使其输出期望的合力和力矩。现阶段的船舶一般会配备多台推进器，因此在满足控制指令的前提下会存在无数多组解。在考虑推进器能量消耗、推进器磨损、推力误差等因素的情况下，可将推力分配问题归结为一个非线性最优化问题。经检索发现，公开号为CN102508431A，名称为“一种海洋钻井平台动力定位系统推力分配方法”的专利申请中，运用粒子群算法实现推力分配。公开号为CN106773741A，名称为“一种无人船动力定位系统及方法”的专利申请中，运用加入改进惯性因子的粒子群算法实现推力分配，虽然对算法进行了改进，但仍是粒子群算法。单一的粒子群算法在寻优过程中，随机性特别大，每一次的寻优结果会在最优值附近波动，因此利用粒子群算法产生的推力分配结果中，各推进器推力与方位角变化频率特别高，即使是相同的控制指令，每一次产生推进器指令也不相同，这对推进器的控制是十分不利的，推进器的频繁动作会加剧推进器磨损，缩短推进器的使用寿命。公开号为CN103092077A，名称为“动力定位系统的推力分配方法”的专利中，利用序列二次规划算法来实现推力分配。但序列二次规划算法对初始值的依赖特别大，初始值选取不当可能会造成找不到最优解的现象。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种设计合理、快速有效且全局寻优性能强的基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法。一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法，包括以下步骤：步骤1、推力分配单元从控制器获得当前控制器三轴指令，包括纵向力、横向力和艏摇力矩；步骤2、建立动力定位系统推力分配模型；步骤3、建立推力分配问题的目标函数和约束条件；步骤4、应用粒子群与序列二次规划相结合的寻优方法对推力分配问题进行求解；而且，所述步骤2的动力定位系统推力分配模型的数学描述为：τ＝(X,Y,N)T＝B(α)T其中，T＝(T1,T2…Tn)T，表示n个推进器的推力大小；α＝(α1,α2…αn)，表示n个推进器的方位角；上式中，(lxi,lyi)表示第i个推进器相对于船舶旋转中心的位置。而且，所述步骤3的推力分配问题的目标函数包括：执行能量消耗、控制系统与推进系统推力误差和推进器磨损；其数学描述为：J(α,T)代表推力分配问题的目标函数，上述表达式的含义是，通过选取不同的α和T，使得目标函数值最小。其中α和T分别代表推进器的方位角和推力大小。上式中，为所有执行机构能量消耗，W为权值矩阵；STQS代表三自由度推力误差，Q是一个正定对角阵，S＝τ-B(α)T是一个松弛变量；(α-α0)TΩ(α-α0)为推进器磨损，Ω也是一个正定矩阵，α0为上一时刻各推进器的方位角；而且，所述步骤3的推力分配问题的目标函数的约束条件为：上式中，T和α代表当前时刻的推进器推力与方位角，T0和α0代表上一时刻的推进器推力与方位角，ΔTmin,ΔTmax,Δαmin,Δαmax分别代表推进器推力及方位角的最小与最大变化范围；而且，所述步骤4的具体步骤包括：(1)初始化粒子群算法参数：设置种群规模N、解的维数D、最大迭代次数T；(2)随机初始化种群的速度和位置：每个粒子的速度代表各推进器推力和方位角的变化速度；每个粒子的位置向量代表由各推进器的推力和方位角组成的向量；(3)根据每个粒子的位置信息计算出其目标函数值，并对每个粒子的历史最优函数值以及群体最优函数值进行更新；(4)根据粒子的速度和位置更新公式，对粒子的状态进行更新，粒子的速度和位置更新公式为：上式中，i＝1,2,…,m表示种群的数量，d＝1,2,…,D，D表示待求解问题的维数，每个粒子的状态均包含位置信息xi(t)＝[xi1(t),xi2(t),…xiD(t)]与速度向量信息vi(t)＝[vi1(t),vi2(t),…viD(t)]；每个粒子能够记录自身曾经找到的历史最优位置pi(t)＝[pi1(t),pi2(t),…piD(t)]，同时，粒子间可以共享群体中的全局最优粒子的位置信息pg(t)＝[pg1(t),pg2(t),…pgD(t)]；加速常数c1与c2为非负常数，r1与r2为从[0,1]上的随机数；且当时，当时，与代表粒子飞行的最小与最大速度；(5)比较各粒子的适应度：求解每个粒子的适应度即目标函数值，找到种群中具有最高适应度的粒子，并且将每个的适应度与上一时刻的值进行比较，获得其自身的最高适应度；(6)重复步骤(3)-步骤(5)，直到达到最大迭代次数，获得粒子群算法寻找到最优分配结果。(7)将粒子群算法得到的最优分配结果作为初始值，再应用序列二次规划方法进行求解。(8)输出序列二次规划算法寻找到的最优分配结果，即每个推进器的输出推力和方向。本专利技术的优点和有益效果：1、本专利技术公开了一种基于粒子群与序列二次规划相结合的动力定位系统推力分配方法，其特点是在满足动力定位系统水平面三自由度分别是纵荡、横荡和艏摇控制指令的基础上，实现所有执行机构能耗最小、磨损最低的目标。包括以下步骤：首先给出纵向力、横向力以及艏摇力矩三自由度控制指令；其次建立推力分配非线性数学模型：以所有执行机构能耗、磨损、推力误差为最小的目标函数以及考虑推力、方位角变化率和推力禁区等因素的约束条件。最后应用粒子群与序列二次规划结合的方法求解推力分配问题，得到各个执行机构的、方位角指令。本专利技术在充分考虑粒子群算法与序列二次规划算法优缺点的基础上，将两者结合，使得两者的缺点能够得到有效的弥补，大大提高了算法的全局寻优性能，能够快速有效地解决动力定位系统推力分配问题，具有很高的实用价值。2、本专利技术针对单一粒子群算法与单一序列二次规划算法的缺陷，对两者进行融合，克服了由于单一粒子群算法的随机性造成的输出结果变化频率过高的缺点；同时又以粒子群算法的输出结果作为序列二次规划算法的初始值，克服了单一序列二次规划算法对初始值依赖程度大的缺点。融合算法寻优精度高，工程实用性强。3、本专利技术粒子群算法的作用主要是给出一个初始值，因此并不需要特别高的精度，因此在满足寻优精度的前提下，不需要耗费大量的时间去进行迭代，能够大大减少计算时间，满足了动力定位系统实时性的要求。4、本专利技术的基于粒子群与序列二次规划结合的融合算法对目标函数的形式以及初始值的设置要求非常低，算法参数简单，便于调整，算法寻优精度高，能够快速有效地解决推力分配问题。附图说明图1是本专利技术的处理流程图；图2是本专利技术的动力定位系统结构框图；图3为推进器布置图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例作进一步详述：一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1、推力分配单元从控制器获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、推力分配单元从控制器获得当前控制器三轴指令，包括纵向力、横向力和艏摇力矩；步骤2、建立动力定位系统推力分配模型；步骤3、建立推力分配问题的目标函数和约束条件；步骤4、应用粒子群与序列二次规划相结合的寻优方法对推力分配问题进行求解。

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、推力分配单元从控制器获得当前控制器三轴指令，包括纵向力、横向力和艏摇力矩；步骤2、建立动力定位系统推力分配模型；步骤3、建立推力分配问题的目标函数和约束条件；步骤4、应用粒子群与序列二次规划相结合的寻优方法对推力分配问题进行求解。2.根据权利要求1所述的一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法，其特征在于：所述步骤2的动力定位系统推力分配模型的数学描述为：τ＝(X,Y,N)T＝B(α)T其中，T＝(T1,T2…Tn)T，表示n个推进器的推力大小；α＝(α1,α2…αn)，表示n个推进器的方位角；上式中，(lxi,lyi)表示第i个推进器相对于船舶旋转中心的位置。3.根据权利要求1所述的一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法，其特征在于：所述步骤3的推力分配问题的目标函数包括：执行能量消耗、控制系统与推进系统推力误差和推进器磨损；其数学描述为：J(α,T)代表推力分配问题的目标函数，上述表达式的含义是，通过选取不同的α和T，使得目标函数值最小；其中α和T分别代表推进器的方位角和推力大小；上式中，为所有执行机构能量消耗，W为权值矩阵；STQS代表三自由度推力误差，Q是一个正定对角阵，S＝τ-B(α)T是一个松弛变量；(α-α0)TΩ(α-α0)为推进器磨损，Ω也是一个正定矩阵，α0为上一时刻各推进器的方位角。4.根据权利要求1所述的一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法，其特征在于：所述步骤3的推力分配问题的目标函数的约束条件为：上式中，T和α代表当前时刻的推进器推力与方位角，T0和α0代表上一时刻的推进器推力与方位角，ΔTmin,ΔTmax,Δαmin,Δαmax分别代表推进器推力及方...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄炜，陈曦，杨国文，王岭，王福，徐凯，王小东，李健林，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12