船舶推进器系统的推力分配方法技术方案

本发明专利技术提供了一种船舶推进器系统的推力分配方法，包括以下步骤，建立广义推进器系统在全局坐标系下的推力矩阵；建立能量消耗矩阵；建立全局约束条件以及局部约束条件；建立目标函数；求取目标函数在全局约束条件下的全局最优解以及目标函数在局部约束条件下的局部最优解；判断全局最优解和局部最优解是否满足设定条件M，如果满足，则依据局部最优解分配各推进器的推力，如不满足，则依据全局最优解分配各推进器的推力。本发明专利技术通过设定条件M，提供了一种决策方法，以”牺牲”小部分“推力精确程度”的代价来避免推进器方位角的频繁调整，从而可兼顾推进器系统的机械损耗以及推力输出与目标推力的接近程度。

Thrust Distribution Method for Ship Propeller System

The invention provides a thrust allocation method for ship thruster system, which includes the following steps: establishing thrust matrix of generalized thruster system in global coordinate system; establishing energy consumption matrix; establishing global and local constraints; establishing objective function; obtaining global optimal solution of objective function under global constraints and local constraints of objective function. The local optimum solution under the condition is determined to determine whether the global optimum solution and the local optimum solution satisfy the set condition M. If they satisfy, the thrust of each propeller is allocated according to the local optimum solution, and if not, the thrust of each propeller is allocated according to the global optimum solution. By setting condition M, the invention provides a decision-making method to avoid frequent adjustment of propeller azimuth angle at the cost of \sacrificing\ a small part of \thrust accuracy\, thus taking into account the mechanical loss of the propeller system and the approaching degree of thrust output and target thrust.

【技术实现步骤摘要】
船舶推进器系统的推力分配方法
本专利技术涉及船舶推进
，尤其涉及一种船舶推进器系统的推力分配方法。
技术介绍
船舶动力定位系统是发展深海作业不可缺少的关键性技术，在进行海上油气资源勘探开发、铺管作业、拆装海上石油作业平台以及大型海上军事装备工程等领域不可缺少。其中，动力定位系统包括对各推进器的推力进行分配的推力分配系统，其主要任务是将(船舶)控制系统按照控制目标所计算得到的目标推力分配到各个推进器上的，因此推力分配方法本质上是一种优化方法。在实际定位过程中，可能需要的目标推力很小(甚至为零)，但是，为了时刻保证船舶的操纵性能，不允许推进器停止转动。另外，当环境力(例如，波浪载荷、风载荷等)较小但是方向变化频繁时，推进器的方位角也需要进行频繁的大角度调整，以满足推力需求，从而影响船舶的定位精度以及定位过程中的操纵性能，同时，螺旋桨磨损也会加剧。再者，当控制系统要求推进系统发出的功耗高于实际所需的功率时，也需要推进器发出额外的推力作为功率储备，但是，不能影响定位的效果。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种推力分配方法，以避免推进器方位角的频繁大幅度调整。本专利技术提供了一种船舶推进器系统的推力分配方法，包括以下步骤：将所述推进器系统划分为多个广义推进器，以广义推进器的实际推力u为自变量，建立推进器系统在全局坐标系下的推力矩阵τ＝B*u，其中，所述全局坐标系为三维直角坐标系，B为坐标转换矩阵；建立能量消耗矩阵uT*H*u，其中，H为第一权值矩阵；建立全局约束条件τobj＝B*u+s，AGlb*u≤bGlb，以及局部约束条件τobj＝B*u+s，Aloc*u≤bloc，其中，τobj表示目标推力；s为松弛变量，表示广义推进器的实际推力与目标推力之间的差值；AGlb*u≤bGlb表示采用全局解法时自变量u应满足的不等式约束；Aloc*u≤bloc表示采用局部解法时自变量u应满足的不等式约束；建立目标函数J＝min(uT*H*u+sT*Q*s)，其中，Q为第二权值矩阵；求取所述目标函数在所述全局约束条件下的全局最优解uGlb，以及所述目标函数在所述局部约束条件下的局部最优解uloc；判断所述全局最优解uGlb和所述局部最优解uloc是否满足设定条件M，如果满足，则依据局部最优解uloc分配推力，如不满足，则依据全局最优解uGlb分配推力，其中，所述设定条件M反映所述全局最优解uGlb以及所述局部最优解uloc与目标推力接近程度的差值。可选地，所述设定条件M为：[τloc-τobj]TC[τloc-τobj]-[τGlb-τobj]TC[τGlb-τobj]≤Vcrit；其中，τloc＝B*uloc，τGlb＝B*uGlb，C为第三权值矩阵，Vcrit为设定阈值。可选地，H和Q均为正定矩阵。可选地，H＝BlkDiag(H1，H2，……，Hr)，AGlb＝BlkDiag(AGlb,1，AGlb,2，……，AGlb,r)，Aloc＝BlkDiag(Aloc,1，Aloc,2，……，Aloc,r)，其中，下标数字表示广义推进器的序号，r表示广义推进器的数量。可选地，所述推进器系统包括至少一个第一广义推进器，所述第一广义推进器为固定方位角推进器，序号为i的所述第一广义推进器的ui＝Ti，Ti为所述固定方位角推进器的实际推力；序号为i的所述第一广义推进器的Bi＝[cosαi，sinαi，-xicosαi+yisinαi]T，其中，αi为序号为i的所述第一广义推进器的方位角与所述全局坐标系x轴的夹角，xi、yi分别为序号为i的所述第一广义推进器在所述全局坐标系中的x、y坐标；序号为i的所述第一广义推进器的Hi＝Wi，其中，Wi为序号为i的所述第一广义推进器的第一权值系数。可选地，序号为i的所述第一广义推进器的AGlb.i＝[1，-1]T，bGlb,i＝[Tmax,i，Tmin,i]T，其中，Tmax,i、Tmin,i分别为序号为i的所述第一广义推进器的可到达的最大推力、最小推力；序号为i的所述第一广义推进器的Aloc,i＝[1，-1]T，bloc,i＝[Ti,+，Ti,-]T，其中，Ti,+、Ti,-分别为序号为i的所述第一广义推进器在下一个时间步可到达的最大推力、最小推力。可选地，所述推进器系统包括至少一个第二广义推进器，所述第二广义推进器为可变方位角推进器，序号为i的所述第二广义推进器的ui＝[Tx,iTy,i]T，其中Tx,i,Ty,i为所述可变方位角推进器的推力在全局坐标系中的分量；序号为i的所述第二广义推进器的其中，xi、yi分别为序号为i的所述第二广义推进器在所述全局坐标系中的x、y坐标；序号为i的所述第二广义推进器的其中，Wi为序号为i的所述第二广义推进器的第一权值系数。可选地，序号为i的所述第二广义推进器的其中，n为4以上的正整数，Tmax,i为序号为i的所述第二广义推进器可达到的最大推力；序号为i的所述第二广义推进器的其中，Ti,+、Ti,-分别为序号为i的所述第二广义推进器在下一个时间步可到达的最大推力、最小推力，αi分别为序号为i的所述第二广义推进器与所述全局坐标系x轴的夹角，αi,+、αi,-分别为序号为i的所述第二广义推进器在下一个时间步能达到的与所述全局坐标系x轴的最大、最小夹角。可选地，所述推进器系统包括至少一个第三广义推进器，所述第三广义推进器为由一个第一可变方位角推进器和一个第二可变方位角推进器组成的推进器组，序号为i的所述第三广义推进器的ui＝[Tx‘Ty‘Δ]T，其中，Tx‘、Ty‘分别为第三广义推进器的实际推力在第一局部坐标系的x’、y’轴方向的分量，Δ为所述第一、第二可变方位角推进器的对推偏置量；序号为i的所述第三广义推进器的其中，xi＝μ1xloc,1+μ2xloc,2，yi＝μ1yloc，1+μ2yloc,2；μ1＝T1,max/(T1,max+T2,max)，μ2＝T2,max/(T1,max+T2,max)；T1,max、T2,max分别为第一、第二可变方位角推进器可达到的最大推力，γ为所述第一局部坐标系相对于所述全局坐标系转过的角度；(xloc,1、yloc,1)、(xloc,2、yloc,2)分别为第一、第二可变方位角推进器在所述全局坐标系中的坐标；所述第一局部坐标系的坐标原点在全局坐标系中的坐标为(xi,yi)，所述第一局部坐标系的y’轴为由所述第一可变方位角推进器指向所述第二可变方位角推进器的方向，z’轴与所述全局坐标系的z轴方向相同，x’轴根据右手螺旋法则确定。序号为i的所述第三广义推进器的Hi＝Tran_mat2TDiag(Wloc,1，Wloc,1,Wloc,2,Wloc,2)Tran_mat2，其中，Wloc,1、Wloc,2分别为第一、第二可变方位角推进器的第一权值系数，可选地，序号为i的所述第三广义推进器的其中，序号为i的所述第三广义推进器的其中，T1,+、T1,-分别为所述第一可变方位角推进器在下一个时间步可到达的最大推力、最小推力，T2,+、T2,-分别为所述第二可变方位角推进器在下一个时间步可到达的最大推力、最小推力，α1、α2分别为第一、第二可变方位角推进器与所述全局坐标系x轴的夹角，α1,+、α1,-分别为所述第一可变方位角推进器在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船舶推进器系统的推力分配方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述推进器系统划分为多个广义推进器，以广义推进器的实际推力u为自变量，建立推进器系统在全局坐标系下的推力矩阵τ＝B*u，其中，所述全局坐标系为三维直角坐标系，B为坐标转换矩阵；建立能量消耗矩阵u

【技术特征摘要】
1.一种船舶推进器系统的推力分配方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述推进器系统划分为多个广义推进器，以广义推进器的实际推力u为自变量，建立推进器系统在全局坐标系下的推力矩阵τ＝B*u，其中，所述全局坐标系为三维直角坐标系，B为坐标转换矩阵；建立能量消耗矩阵uT*H*u，其中，H为第一权值矩阵；建立全局约束条件τobj＝B*u+s，AGlb*u≤bGlb，以及局部约束条件τobj＝B*u+s，Aloc*u≤bloc，其中，τobj表示目标推力；s为松弛变量，表示广义推进器的实际推力与目标推力之间的差值；AGlb*u≤bGlb表示采用全局解法时自变量u应满足的不等式约束；Aloc*u≤bloc表示采用局部解法时自变量u应满足的不等式约束；建立目标函数J＝min(uT*H*u+sT*Q*s)，其中，Q为第二权值矩阵；求取所述目标函数在所述全局约束条件下的全局最优解uGlb，以及所述目标函数在所述局部约束条件下的局部最优解uloc；判断所述全局最优解uGlb和所述局部最优解uloc是否满足设定条件M，如果满足，则依据局部最优解uloc分配推力，如不满足，则依据全局最优解uGlb分配推力，其中，所述设定条件M反映所述全局最优解uGlb以及所述局部最优解uloc与目标推力接近程度的差值。2.根据权利要求1所述的推力分配方法，其特征在于，所述设定条件M为：[τloc-τobj]TC[τloc-τobj]-[τGlb-τobj]TC[τGlb-τobj]≤Vcrit；其中，τloc＝B*uloc，τGlb＝B*uGlb，C为第三权值矩阵，Vcrit为设定阈值。3.根据权利要求1所述的分配方法，其特征在于，H和Q均为正定矩阵。4.根据权利要求3所述的分配方法，其特征在于，H＝BlkDiag(H1，H2，……，Hr)，AGlb＝BlkDiag(AGlb,1，AGlb,2，……，AGlb,r)，Aloc＝BlkDiag(Aloc,1，Aloc,2，……，Aloc,r)，其中，下标数字表示广义推进器的序号，r表示广义推进器的数量。5.根据权利要求1所述的分配方法，其特征在于，所述推进器系统包括至少一个第一广义推进器，所述第一广义推进器为固定方位角推进器，序号为i的所述第一广义推进器的ui＝Ti，Ti为所述固定方位角推进器的实际推力；序号为i的所述第一广义推进器的Bi＝[cosαi，sinαi，-xicosαi+yisinαi]T，其中，αi为序号为i的所述第一广义推进器的方位角与所述全局坐标系x轴的夹角，xi、yi分别为序号为i的所述第一广义推进器在所述全局坐标系中的x、y坐标；序号为i的所述第一广义推进器的Hi＝Wi，其中，Wi为序号为i的所述第一广义推进器的第一权值系数。6.根据权利要求5所述的分配方法，其特征在于，序号为i的所述第一广义推进器的AGlb.i＝[1，-1]T，bGlb,i＝[Tmax,i，Tmin,i]T，其中，Tmax,i、Tmin,i分别为序号为i的所述第一广义推进器的可到达的最大推力、最小推力；序号为i的所述第一广义推进器的Aloc,i＝[1，-1]T，bloc,i＝[Ti,+，Ti,-]T，其中，Ti,+、Ti,-分别为序号为i的所述第一广义推进器在下一个时间步可到达的最大推力、最小推力。7.根据权利要求1所述的分配方法，其特征在于，所述推进器系统包括至少一个第二广义推进器，所述第二广义推进器为可变方位角推进器，序号为i的所述第二广义推进器的ui＝[Tx,iTy,i]T，其中Tx,i,Ty,i为所述可变方位角推进器的推力在全局坐标系中的分量；序号为i的所述第二广义推进器的其中，xi、yi分别为序号为i的所述第二广义推进器在所述全局坐标系中的x、y坐标；序号为i的所述第二广义推进器的其中，Wi为序号为i的所述第二广义推进器的第一权值系数。8.根据权利要求7所述的分配方法，其特征在于，序号为i的所述第二广义推进器的其中，n为4以上的正整数，Tmax,i为序号为i的所述第二广义推进器可达到的最大推力；序号为i的所述第二广义推进器的其中，Ti,+、Ti,-分别为序号为i的所述第二广义推进器在下一个时间步可到达的最大推力、最小推力，αi分别为序号为i的所述第二广义推进器与所述全局坐标系x轴的夹角，αi,+、αi,-分别为序号为i的所述第二广义推进器在下一个时间步能达到的与所述全局坐标系x轴的最大、最小夹角。9.根据权利要求1所述的分配方法，其特征在于，所述推进器系统包括至少一个第三广义推进器，所述第三广义推进器为由一个第一可变方位角推进器和一个第二可变方位角推进器组成的推进器组，序号为i的所述第三广义推进器的ui＝[Tx‘Ty‘Δ]T，其中，Tx‘、Ty‘分别为第三广义推进器的实际推力在第一局部坐标系的x’、y’轴方向的分量，Δ为所述第一、第二可变方位角推进器的对推偏置量；序号为i的所述第三广义推进器的其中，xi＝μ1xloc,1+μ2xloc,2，yi＝μ1yloc,1+μ2yloc,2；μ1＝T1,max/(T1,max+T2,max)，μ2＝T2,max/(T1,max+T2,max)；T1,max、T2,max分别为第一、第二可变方位角推进器可达到的最大推力，γ为所述第一局部坐标系相对于所述全局坐标系转过的角度；(xloc,1、yloc,1)、(xloc,2、yloc,2)分别为第一、第二可变方位角推进器在所述全局...

【专利技术属性】
技术研发人员：谌栋梁，黄彦文，谢颖，陈杰宇，秦一飞，王晓飞，张园，
申请(专利权)人：上海振华重工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31