一种船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法技术方案

本发明专利技术是一种船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法。包括如下步骤：步骤一：推进器推进角的确定；步骤二：求取结构矩阵；步骤三：伪逆算法求推力分配；步骤四：推力限幅确定。本发明专利技术实现了船舶及石油平台动力定位推力分配的快速性，稳定性，高效性，是一种方便实用的船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法。

【技术实现步骤摘要】
一种船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法
本专利技术是一种船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法，特别是一种水面船舶及石油平台动力定位系统的多螺旋桨推力分配方法，属于船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法的创新技术。
技术介绍
针对船舶/石油平台平面定位的需要，采用多组螺旋桨推力以消除船舶/石油平台上受到的海风、海浪、海流的影响，使船舶/石油平台等按预定的位置、航向、轨迹、速度保持姿态。船舶/石油平台动力定位系统是一种闭环控制系统，它是通过推进器提供的推力，使海洋结构物在海上保持一定的位置和艏向角的一种先进的定位系统。它的基本原理是通过获得海洋结构物的位置误差数据，由控制器计算出抗拒环境干扰所需的推力和转矩，并通过推力系统的实现，以此达到消除位置误差的目的。此动力定位系统一般由控制系统、测量系统和推力系统组成。推力系统是船舶动力定位系统的一个重要组成部分，作为船舶动力定位系统的执行机构，其作用是提供控制系统所需要的推力和力矩，用来满足定位的需要，推力系统主要由发电机组、输电设备、推进器等组成。推进器一般来说是指螺旋桨，应用比较广泛的是槽道式推进器，全回转推进器和吊舱推进器。伪逆算法是动力定位工程应用中普遍采用的方法，这种算法无需多次进行迭代计算，方法简单，但无法解决推进角及禁区角问题。现有的技术当中，有利用蚁群算法、遗传算法、二次序列规划算法等来解决推力分配最优解问题，但这些算法需要多次迭代，计算时间长，不易用于船舶/石油平台的实时操作控制中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于考虑上述问题而提供一种实现了船舶及石油平台动力定位推力分配的快速性，稳定性，高效性的船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法。本专利技术的技术方案是：本专利技术的船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法，包括如下步骤：步骤一：推进器推进角的确定；步骤二：求取结构矩阵；步骤三：伪逆算法求推力分配；步骤四：推力限幅确定。本专利技术针对可调节的带方向角约束的多螺旋桨的推进角度计算问题和各螺旋桨的推力分配问题，即带约束的多参数的快速最优解的求解问题，本专利技术提出先分配到推进角方法，实现推力方向角的快速跟踪和推力的高效性；再分配到推力的方法，采用伪逆算法实现不同推进能力的螺旋桨的协调工作，有效的避免了相邻近的推进器之间推力干扰引起的推力衰减问题，解决了其他算法中的多奇异值问题，多次迭代计算问题，克服了收敛时间长的缺点，实现了船舶/石油平台动力定位推力分配计算的快速性，稳定性，高效性，易于在船舶、石油平台上实现。本专利技术是一种方便实用的船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法。附图说明图1为船舶/石油平台推进器分布与推进角度示意图；图2为船舶/石油平台推进器间距与偏差角关系图；图3为船舶/石油平台动力定位系统推力分配程序框图；图4为推力分配结果对比仿真图；图5为各螺旋桨推力分配结果仿真图。具体实施方式实施例：本专利技术船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法，包括如下步骤：步骤一：推进器推进角的确定；步骤二：求取结构矩阵；步骤三：伪逆算法求推力分配；步骤四：推力限幅确定。上述步骤一推进器推进角的确定方法如下:1)计算全回转推进器的期望推进方向的方向角α取船舶所受合力的方向角作为全回转推进器期望推进方向的方向角α，以下称推进器推进角，则全回转推进器推进角α为：03π2Fu=0,Fv<0arctanFvFu+πFv<0arctanFvFuFu>0,Fv>0arctanFvFu+2πFu>0,Fv<0---(1.1)]]>定义τ＝[Fu,Fv,Nz]T，Fu,Fv,Nz分别为船舶在纵荡、横荡和艏摇三个方向上的所受合力(矩)，α以船头正前方为零度,从俯视看，顺时针增加，一周为360°；Fu,Fv,Nz的正方向分别为船头正前方，船体正右侧，从俯视看，顺时针方向；2)全回转推进器推进角α的优化本专利技术中的推进器推进角度的计算方法和伪逆算法，能实现对连续变化的给定信号的快速跟踪，如果期望推进器推进角α和当前时刻α'之差满足下式：110Δαmax---(1.2)]]>取代替α；3)确定两个相邻的全回转推进器推进角如果两个相邻的全回转推进器i和j不满足合理间距di,j>2(Di+Dj)，引入推进器偏差角Δαi,j，用于解决两个相近的全回转螺旋桨之间产生的推力干扰问题，Di、Dj分别为第i、第j个推进器的直径，则推进器推进角满足：其中αi、αj分别为第i、第j个推进器的推进角；推进器偏差角Δαi,j满足：arcsinDi+Dj2di,j---(1.5).]]>上述步骤二求取结构矩阵的方法是：定义τ＝A(α)f，f＝[f1,…,fp,fp-1,…,fn]T，fi表示第i个推进器的推力；A为结构矩阵，由推进器的类型、位置分布以及推进器角度得到：其中，Lix,Liy分别代表第i个推进器在纵荡方向和横荡方向的力臂。上述步骤三伪逆算法求推力分配的方法是：根据优化的目标函数：以及约束条件：S.t.τ＝A(α)·f，求解推力f，其中W为权重矩阵，定义推力的拉格朗日函数为：L(f,λ)＝fTWf+λT(τ-A(α)f)(1.6)推力的拉格朗日函数对变量f求导：由局部最优定理可知：f＝(W+WT)-1A(α)Tλ(1.9)(W+WT)T>0时，u取最小值，其中W+WT为奇异矩阵，且Wii>0(i＝1…n)，由边界条件可知：τ＝A(α)f＝A(α)(W+WT)-1A(α)Tλ(2.0)从而得到：λ＝(A(α)(W+WT)-1A(α)T)-1τ(2.1)代入上式，可得推力：f＝(W+WT)-1A(α)T(A(α)(W+WT)-1A(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：推进器推进角的确定；步骤二：求取结构矩阵；步骤三：伪逆算法求推力分配；步骤四：推力限幅确定。

【技术特征摘要】
2014.05.23 CN 201410223174.41.一种船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：推进器推进角的确定；步骤二：求取结构矩阵；步骤三：伪逆算法求推力分配；步骤四：推力限幅确定；上述步骤一推进器推进角的确定方法如下:1)计算全回转推进器的期望推进方向的方向角α取船舶所受合力的方向角作为全回转推进器期望推进方向的方向角α，以下称推进器推进角，则全回转推进器推进角α为：定义τ＝[Fu,Fv,Nz]T，Fu,Fv,Nz分别为船舶在纵荡、横荡和艏摇三个方向上的所受合力(矩)，α以船头正前方为零度,顺时针增加，一周为360°；Fu,Fv,Nz的正方向分别为船头正前方，船体正右侧，顺时针方向；2)全回转推进器推进角α的优化本发明中的推进器推进角度的计算方法和伪逆算法，能实现对连续变化的给定信号的快速跟踪，如果期望推进器推进角α和当前时刻α'之差满足下式：取代替α；Δαmax为推进器偏差角最大值；3)确定两个相邻的全回转推进器推进角如果两个相邻的全回转推进器i和j不满足合理间距di,j＞2(Di+Dj)，引入推进器偏差角Δαi,j，用于解决两个相近的全回转螺旋桨之间产生的推力干扰问题，Di、Dj分别为第i、第j个推进器的直径，则推进器推进角满足：其中αi、αj分别为第i、第j个推进器的推进角；推进器偏差角Δαi,j满足：2.根据权利要求1所述的船舶及石油平台动力定位系统的推力分配方法，其特征在于上述步骤二求取结构矩阵的方法是：定义τ＝A(α)f，f...

【专利技术属性】
技术研发人员：王钦若，罗岩，班勃，陈哲川，叶宝玉，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44