一种考虑推进器性能的推力分配优化方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑推进器性能的推力分配优化方法，包括以下步骤：(1)、形成矩阵形式的船舶受力模型；(2)、接收期望推力信号；(3)、进行噪声判断；(4)、利用单步规划法求得各推进器的转速及各舵的舵角；(5)、分析是否能够生成合理的转速及舵角，如果能，进入步骤(7)，如果不能，进入步骤(6)；(6)、进行多步规划，将期望推力信号划分为若干步，分别利用单步规划法求得各推进器的转速及各舵的舵角；(7)、将求得的各推进器的转速及各舵的舵角传递给推进器及舵的控制器。其能够剔除不合理的期望信号，使产生的推力信号能够适应推进器的自身性能，提高分配结果的合理性，减少船舶动力定位的失位现象。现象。现象。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑推进器性能的推力分配优化方法


[0001]本专利技术属于船舶推力分配
，涉及一种船舶推力分配优化方法，具体涉及一种考虑推进器性能的推力分配优化方法。

技术介绍

[0002]现阶段，随着科技的发展和海上作业类型的多样化，对船舶控制精度的要求也变得越来越严格。为此，船上需要配备侧向推进器，全回转推进器等新型的推进设备，增加推力系统的可靠性及机动性。随之而来的便是船舶推力结构的复杂程度变得越来越高，增加了推力分配算法的困难性。
[0003]在推力分配时，需要考虑推进器的最大功率，推进器的变化速率，推进器的磨损等基本要素，对于配备全回转推进器的船舶来说还应该考虑推进器之间的干扰。为了减少干扰，全回转推进器在实际的回转过程中会存在回转禁区，这样将会造成推进器的推力角范围变为几个不连续的推力角范围。
[0004]现阶段对于推力分配方法的研究都是将期望推力作为已知量输入。但是，往往上层控制器中进行期望推力的解算时没有考虑船舶上搭载的推进器的实际性能，而且实际控制器运算过程中可能由于各种原因产生极个别的不合理期望信号，经过推力分配后可能会造成实际推力突变，从而产生船舶失位。
[0005]鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种考虑推进器性能的推力分配优化方法。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题的缺陷和不足，本专利技术提出一种考虑推进器性能的推力分配优化方法，其能够利用判断机制剔除不合理的期望信号，并利用单步规划与多步规划方法的结合，使产生的推力信号能够适应推进器的自身性能，提高分配结果的合理性，减少船舶动力定位的失位现象。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种考虑推进器性能的推力分配优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009](1)、根据船舶推进器的配置形成矩阵形式的船舶受力模型；
[0010](2)、接收上层控制器输出的期望推力信号；
[0011](3)、对输出的期望推力信号进行噪声判断；
[0012](4)、利用单步规划法求得各推进器的转速及各舵的舵角；
[0013](5)、根据单步规划结果分析是否能够生成合理的转速及舵角，如果能，直接进入步骤(7)，如果不能，进入步骤(6)；
[0014](6)、进行多步规划，通过多步规划将期望推力信号划分为若干步，分别利用单步规划法求得各推进器的转速及各舵的舵角；
[0015](7)、将求得的各推进器的转速及各舵的舵角传递给推进器及舵的控制器。
[0016]优选地，其中，所述步骤(1)中形成的矩阵形式的船舶受力模型为：
[0017]τ＝B(δ)T
[0018]其中：τ为上层控制器的期望推力信号，其是期望推力及期望转矩组成的矩阵，
[0019]τ＝[τ
x
,τ
y
,M
z
]T
[0020]τ
x
为沿船长方向的期望推力，
[0021]τ
y
为沿船宽方向的期望推力，
[0022]M
z
为绕船舶旋转中心的期望转矩，
[0023]B(δ)为与舵角δ有关的系数矩阵，
[0024][0025]其中：t
′
为舵的阻力减额系数，计算公式如下：
[0026][0027]C
B
为船舶方形系数，
[0028]α
H
为操舵诱导的船体横向力的修正因子，其计算公式为：
[0029][0030]x
H
为操舵诱导的船体横向力作用中心至船舶重心的距离，其计算公式为：
[0031]x
H
＝-L(0.4+0.1C
B
)，
[0032]L为船长，
[0033]y
m
为第m个主推进器的位置的纵坐标，其中，m＝1
…
M，M为主推进器的总个数；x
b
为第b个侧向推进器的位置的横坐标，其中，b＝1
…
B，B为侧向推进器的总个数；x
j
为第j个舵的舵叶位置的横坐标，y
j
为第j个舵的舵叶位置的纵坐标，δ
j
为第j个舵的舵角，j＝1
…
J，J为舵的总个数；
[0034]T为推进器及舵的推力组成的矩阵；
[0035][0036]其中：T
i
为第i个推进器产生的推力，i＝1
…
I，I＝M+B；
[0037]F
N,j
为第j个舵的法向力；
[0038][0039]C
N,j
为第j个舵的法向力系数，利用藤井公式计算得到：
[0040][0041]α
j
为第j个舵的有效攻角，α
j
＝δ
j
；
[0042]λ为舵的展舷比；
[0043]U
j
为第j个舵的舵叶前缘的来流速度；
[0044]k1代表船体对舵的来流速度的影响，
[0045]k1＝(1-ω
R
)2[0046][0047]式中，Δω
R
为船艉形状对舵叶伴流分数的影响，
[0048]W为舵的布置位置对舵叶伴流分数的影响
[0049][0050]h1为舵叶下缘距离船体基线的距离，
[0051]h2为舵高，
[0052]H为船体基线与舵杆中心线与船体的交点的距离，
[0053]k2代表主推进器尾流对舵的来流速度的影响，k2＝1，
[0054]k3代表有无舵柱对舵的来流速度的影响，无舵柱时k3＝1，
[0055]ρ为海水密度；
[0056]A
j
为第j个舵的舵叶面积。
[0057]优选地，其中，所述步骤(2)中具体接收的为τ＝[τ
x
，τ
y
，M
z
]T
。
[0058]优选地，其中，所述步骤(3)具体为：
[0059](3.1)、将本时刻输出的期望推力信号τ
k
与上一时刻的推力信号使用值τ0进行对比，当两者的差值满足以下不等式时：
[0060]|τ
k-τ0|≤ε0，其中：ε0为阈值，
[0061]将τ
k
作为步骤(4)中单步规划法的期望推力信号的输入值；
[0062](3.2)、当|τ
k-τ0|＞ε0时，将本时刻输出的期望推力信号τ
k
与上一时刻输出的推力信号τ
k-1
进行对比，当两个推力信号的差值满足以下不等式时：
[0063]|τ
k-τ
k-1
|≤ε1，其中：ε1为阈值，
[0064]说明输出的期望推力信号不是噪声信号，而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑推进器性能的推力分配优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、根据船舶推进器的配置形成矩阵形式的船舶受力模型；(2)、接收上层控制器输出的期望推力信号；(3)、对输出的期望推力信号进行噪声判断；(4)、利用单步规划法求得各推进器的转速及各舵的舵角；(5)、根据单步规划结果分析是否能够生成合理的转速及舵角，如果能，直接进入步骤(7)，如果不能，进入步骤(6)；(6)、进行多步规划，通过多步规划将期望推力信号划分为若干步，分别利用单步规划法求得各推进器的转速及各舵的舵角；(7)、将求得的各推进器的转速及各舵的舵角传递给推进器及舵的控制器。2.根据权利要求1所述的考虑推进器性能的推力分配优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中形成的矩阵形式的船舶受力模型为：τ＝B(δ)T其中：τ为上层控制器的期望推力信号，其是期望推力及期望转矩组成的矩阵，τ＝[τ
x
,τ
y
,M
z
]
T
τ
x
为沿船长方向的期望推力，τ
y
为沿船宽方向的期望推力，M
z
为绕船舶旋转中心的期望转矩，B(δ)为与舵角δ有关的系数矩阵，其中：t
′
为舵的阻力减额系数，计算公式如下：C
B
为船舶方形系数，α
H
为操舵诱导的船体横向力的修正因子，其计算公式为：x
H
为操舵诱导的船体横向力作用中心至船舶重心的距离，其计算公式为：x
H
＝-L(0.4+0.1C
B
)，L为船长，y
m
为第m个主推进器的位置的纵坐标，其中，m＝1
…
M，M为主推进器的总个数；x
b
为第b个侧向推进器的位置的横坐标，其中，b＝1
…
B，B为侧向推进器的总个数；x
j
为第j个舵的舵叶位置的横坐标，y
j
为第j个舵的舵叶位置的纵坐标，δ
j
为第j个舵的舵角，j＝1
…
J，J为舵的总个数；T为推进器及舵的推力组成的矩阵；
其中：T
i
为第i个推进器产生的推力，i＝1
…
I，I＝M+B；F
N,j
为第j个舵的法向力；C
N,j
为第j个舵的法向力系数，利用藤井公式计算得到：α
j
为第j个舵的有效攻角，α
j
＝δ
j
；λ为舵的展舷比；U
j
为第j个舵的舵叶前缘的来流速度；k1代表船体对舵的来流速度的影响，k1＝(1-ω
R
)2式中，Δω
R
为船艉形状对舵叶伴流分数的影响，W为舵的布置位置对舵叶伴流分数的影响h1为舵叶下缘距离船体基线的距离，h2为舵高，H为船体基线与舵杆中心线与船体的交点的距离，k2代表主推进器尾流对舵的来流速度的影响，k2＝1，k3代表有无舵柱对舵的来流速度的影响，无舵柱时k3＝1，ρ为海水密度；A
j
为第j个舵的舵叶面积。3.根据权利要求2所述的考虑推进器性能的推力分配优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中具体接收的为τ＝[τ
x
，τ
y
，M
z
]
T
。4.根据权利要求3所述的考虑推进器性能的推力分配优化方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：(3.1)、将本时刻输出的期望推力信号τ
k
与上一时刻的推力信号使用值τ0进行对比，当两者的差值满足以下不等式时：
|τ
k-τ0|≤ε0，其中：ε0为阈值，将τ
k
作为步骤(4)中单步规划法的期望推力信号的输入值；(3.2)、当|τ
k-τ0|＞ε0时，将本时刻输出的期望推力信号τ
k
与上一时刻输出的推力信号τ
k-1
进行对比，当两个推力信号的差值满足以下不等式时：|τ
k-τ
k-1
|≤ε1，其中：ε1为阈值，说明本时刻输出的期望推力信号不是噪声信号，而是推力可能产生了较大变化，则进入下个信号的判断机制，当时间t内的信号都能满足上式时，则说明推力确实发生了变化，而不是噪声信号，则将τ
k+t
作为步骤(4)中单步规划法的期望推力信号的输入值，其中，t为5个期望推力信号的变化时间；如果|τ
k-τ
k-1
|＞ε1，说明为突变信号，将τ0作为步骤(4)中单步规划法的期望推力信号的输入值。5.根据权利要求4所述的考虑推进器性能的推力分配优化方法，其特征在于，所述步骤(4)利用单步规划法求得各推进器的转速及各舵的舵角具体为：(4.1)、接收步骤(3)判定后的期望推力信号的输入值和当前的船舶航速V＝[u,v]
T
，其中，u为船舶的纵向航速，v为船舶的横向航速，V为船舶的实际航速；(4.2)、根据船舶推进器的配置形成多种工况，其中，形成的工况个数为E＝M2，其中，M为主推进器的总个数；(4.3)、对每一种工况运用选定好的优化算法进行优化求解计算；(4.4)、将求解得到的目标函数的数值进行对比，选取目标函数最小的一个作为推力分配方案，输出各推进器的推力和各舵的舵角；(4.5)、根据输出的推进器的推力大小及其正负和船舶的实时纵向速度确定各主推进器的实时推力系数及推力减额分数；(4.6)、根据各推进器的转速求解公式，得到各推进器的转速。6.根据权利要求5所述的考虑推进器性能的推力分配优化方法，其特征在于，所述步骤(4.3)对每一种工况运用选定好的优化算法进行优化求解计算具体为：(4.3.1)、确定变量T
m
，T
b
和δ
j
；(4.3.2)、确定目标函数：其中：T
m
为第m个主推进器产生的推力；T
b
为第b个侧向推进器产生的推力；F
N,j
为第j个舵的法向力；s
x
为沿船长方向上的推力分配误差；s
y
为沿船宽方向上的推力分配误差；s
z
为绕船舶旋转中心的转矩分配误差；w1…
w5为权值；w1到w5初始值均为1；(4.3.3)、确定约束条件：1)非线性等式约束：
其中：T
y,j
为第j个舵的舵力沿船宽方向上的分力，N
j
为第j个...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓原，夏媛媛，姜雨函，朱慎超，曹志伟，万倩男，王赞恩，
申请(专利权)人：智慧航海青岛科技有限公司，
类型：发明
国别省市：