一种基于改进NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法技术

本发明专利技术属于船舶动力定位控制领域，具体涉及一种基于改进NSGA‑Ⅱ的动力定位多目标优化方法，包括以下步骤：建立动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型；利用动态面控制方法设计船舶动力定位控制律；建立动力定位船的能源消耗模型；选取优化目标函数，利用改进的NSGA‑Ⅱ调节动态面控制器的控制参数，对控制器效果及船舶能源消耗进行多目标问题优化。本发明专利技术考虑了动力定位改变自身位置及姿态过程中的能源消耗问题，利用改进的NSGA‑Ⅱ整定控制器参数，减小推进器的能耗，增强环保性和经济性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法
本专利技术属于船舶动力定位控制领域，具体涉及一种基于改进NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法。
技术介绍
随着人们对于资源需求的不断增加，陆地石油及天然气资源日渐枯竭，海洋资源成为了探索和开发的重点。动力定位作为深海开发必不可少的关键性技术受到了重视。动力定位，是指利用船舶自身推进器产生的推力，抵消外部环境如：风、浪、流产生的干扰，维持船舶的位置和艏向，使得船舶能够在指定位置范围内工作。与传统的锚泊系统相比，动力定位技术具有不受水深限制，操作灵活，定位精度高的优点。但是，由于推进器在调整船舶位置和艏向的过程中会消耗燃料，存在经济性和环保性问题。本专利技术采用改进NSGA-Ⅱ的智能控制算法，对于动力定位动态面控制器的控制效果以及船舶的燃料消耗两方面问题进行优化。目前，国内外文献未见利用本方法的动力定位多目标问题优化方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法，它解决了控制器控制效果和船舶能源消耗的多目标优化问题。一种基于改进NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法，包括以下步骤：(1)建立动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型；(2)利用动态面控制方法设计船舶动力定位控制律；(3)建立动力定位船的能源消耗模型；(4)选取优化目标函数，利用改进的NSGA-Ⅱ调节动态面控制器的控制参数，对控制器效果及船舶能源消耗进行多目标问题优化。所述建立动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型，包括：动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型为以下形式：其中,η＝[x,y,ψ]T表示在大地坐标系下船的位置(x,y)和艏向ψ；υ＝[u,v,r]T表示船体坐标系下的纵荡、横荡方向上的线速度u,v和艏摇方向上的角速度r；M为系统惯性矩阵；D(υ)为水动力阻尼系数矩阵；τ为船舶推进系统产生的控制输入量；w为外界环境干扰产生的力和力矩；其中，m为船舶质量，Iz为船舶的转动惯量；xG为重心G在船体坐标系下的位置；为船舶在纵荡、横荡、艏摇方向上产生的附加质量；Xu,Yv,Yr,Nv,Nr为船舶三个方向上的线性阻尼值。所述利用动态面控制方法设计船舶动力定位控制律，包括：建立第一个船舶位置姿态误差动态面：s1＝η-ηd其中：ηd为期望的船舶位置姿态，对s1求导得：则υ的虚拟反馈控制率为：φ1＝-R-1(ψ)k1s1其中，k1∈R3×3为正定的对角矩阵；为φ1设计一个一阶低通滤波器：其中，Td∈R3×3为滤波器的时间常数矩阵，Xd为滤波器的输出值；建立第二个船舶速度误差动态面：s2＝υ-Xd综合上述公式及船舶模型，得到：船舶动力定位的动态面控制器的控制律设计如下：其中，k1,k2,Td为动态面控制器控制参数；将设计的控制律τ代入动力定位船的三自由度动力学和运动学模型，得到：由此，得出每一时刻动力定位船的状态η(k1,k2,Td,t)、υ(k1,k2,Td,t)。所述建立动力定位船的能源消耗模型，包括：船体的螺旋桨推进力为：FT＝(1-tp0)ρn2Dp4KT(J)其中，tp0为推力减额系数；ρ表示流体密度，n为螺旋桨转速；Dp为螺旋桨直径；KT(J)为无因次推力系数且满足下式：KT(J)＝K0+K1J+K2J2其中，是进速比，V＝[u,v]T是船速，w是螺旋桨伴流系数，K0,K1,K2是根据螺旋桨的无因次推力性能曲线得到的无因次常系数；船舶的推进系统的推力为：FT＝AV2+BVn+Cn2其中，A,B,C为有因次系数，且满足A＝(1-tp0)(1-wp)2ρD2pK2B＝(1-tp0)(1-wp)2ρD3pK1C＝(1-tp0)ρD4pK0实际的螺旋桨推进器的功率消耗为：其中，KQ,KT分别表示螺旋桨推进器的推力系数和转矩系数。所述选取优化目标函数，利用改进的NSGA-Ⅱ调节动态面控制器的控制参数，对控制器效果及船舶能源消耗进行多目标问题优化，包括：选取的两个优化目标函数如下：f1(X)＝mine＝min{η(X)-ηd}其中：X＝(x1,x2,x3)＝(k1,k2,Td)；改进的NSGA-II新生成解的接受概率为：其中，m为优化的目标数，Ri为第i个目标的范围；依据接受概率的局部搜索过程包括：选择要进行局部搜索的个体x，选择单位长度随机向量ν、指定的步长λ遍历周围的解x″＝x′+λ·v，x′＝x，判断x′和x″的支配关系；若x″支配x′，则x″解较优，令x′＝x″，λ＝λ/2，缩小步长，进一步在x″附近搜索更优解；若二者不存在支配关系，属于同一层级，则把x″作为非支配解加入外部种群；若x′支配x″，需要依据概率接受x″，计算方式如下：若任意生成的rand(·)∈(0,1)，使得rand(·)≤prob，则依据概率选择接受解x″，缩小步长λ＝λ/2；反之，则丢弃这个解，继续下一步搜索，直到满足所规定的总步长，即将指定解的周围搜索完毕，局部搜索结束。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术应用改进NSGA-Ⅱ方法对动态面控制器参数进行调整，解决了控制器参数多靠人工经验选取，易造成适应性差、控制效果不佳的问题，提高了优化性能，缩短整定时间，增强对控制目标的适应性。2、本专利技术考虑了动力定位改变自身位置及姿态过程中的能源消耗问题，利用改进的NSGA-Ⅱ整定控制器参数，减小推进器的能耗，增强环保性和经济性。3、本专利技术不同于传统的多目标优化问题解决方法，即选取权重将多目标问题转化为单目标问题解决。提出了利用改进的NSGA-Ⅱ的方法，直接优化多个目标，给出Pareto最优解，并可结合实际情况，选出最适应需求的解。4.本专利技术提出了改进的NSGA-Ⅱ方法，增加外部种群，记录存储非支配解，增加了种群的丰富性；引入依据接受概率的局部搜索方法，在一定程度上解决了算法陷入局部最优的问题，提高了算法的搜索能力和性能。附图说明图1是船体坐标系和大地固定坐标系；图2是NSGA-Ⅱ的算法流程图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。随着人们对于资源需求的不断增加，陆地石油及天然气资源日渐枯竭，海洋资源成为了探索和开发的重点。动力定位作为深海开发必不可少的关键性技术受到了重视。动力定位，是指利用船舶自身推进器产生的推力，抵消外部环境如：风、浪、流产生的干扰，维持船舶的位置和艏向，使得船舶能够在指定位置范围内工作。与传统的锚泊系统相比，动力定位技术具有不受水深限制，操作灵活，定位精度高的优点。但是，由于推进器在调整船舶位置和艏向的过程中会消耗燃料，存在经济性和环保性问题。本专利技术采用改进NSGA-Ⅱ的智能控制算法，对于动力定位动态面控制器的控制效果以及船舶的燃料消耗两方面问题进行优化。目前，国内外文献未见利用本方法的动力定位多目标问题优化方法。1、一种基于改进NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法，该方法针对动力定位控制器控制效果和系统的能源消耗两个目标问题，采用了改进的NSGA-Ⅱ的算法调整动力定位动态面控制器参数，优化控制效果，同时降低能源消耗。首先建立动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型，利用动态面控制方法设计船舶动力定位控制律，得到每一时刻下船舶位置姿态与期望的位置姿态的误差；其次建立动力定位螺旋桨推进系统能源消耗模型，计算在不同时刻的船速下推进系统的能源消耗功率；最后选取船本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进NSGA‑Ⅱ的动力定位多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型；(2)利用动态面控制方法设计船舶动力定位控制律；(3)建立动力定位船的能源消耗模型；(4)选取优化目标函数，利用改进的NSGA‑Ⅱ调节动态面控制器的控制参数，对控制器效果及船舶能源消耗进行多目标问题优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型；(2)利用动态面控制方法设计船舶动力定位控制律；(3)建立动力定位船的能源消耗模型；(4)选取优化目标函数，利用改进的NSGA-Ⅱ调节动态面控制器的控制参数，对控制器效果及船舶能源消耗进行多目标问题优化。2.根据权利要求1所述的一种基于改进NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法，其特征在于，所述建立动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型，包括：动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型为以下形式：其中,η＝[x,y,ψ]T表示在大地坐标系下船的位置(x,y)和艏向ψ；υ＝[u,v,r]T表示船体坐标系下的纵荡、横荡方向上的线速度u,v和艏摇方向上的角速度r；M为系统惯性矩阵；D(υ)为水动力阻尼系数矩阵；τ为船舶推进系统产生的控制输入量；w为外界环境干扰产生的力和力矩；其中，m为船舶质量，Iz为船舶的转动惯量；xG为重心G在船体坐标系下的位置；为船舶在纵荡、横荡、艏摇方向上产生的附加质量；Xu,Yv,Yr,Nv,Nr为船舶三个方向上的线性阻尼值。3.根据权利要求1所述的一种基于改进NSGA-Ⅱ的动力定位多目标优化方法，其特征在于，所述利用动态面控制方法设计船舶动力定位控制律，包括：建立第一个船舶位置姿态误差动态面：s1＝η-ηd其中：ηd为期望的船舶位置姿态，对s1求导得：则υ的虚拟反馈控制率为：φ1＝-R-1(ψ)k1s1其中，k1∈R3×3为正定的对角矩阵；为φ1设计一个一阶低通滤波器：其中，Td∈R3×3为滤波器的时间常数矩阵，Xd为滤波器的输出值；建立第二个船舶速度误差动态面：s2＝υ-Xd综合上述公式及船舶模型，得到：船舶动力定位的动态面控制器的控制律设计如下：其中，k1,k2,Td为动态面控制器控制参数；将设计的控制律τ代入动力定位船的三自由度动力学和运动学模型，得到：由此，得出每一时刻动力定位船的状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：王元慧，张潇月，丁福光，张晓云，刘扬，
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