一种基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法组成比例

本发明专利技术提供一种基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法，其特征是，包括基于逻辑的推力分配算法、基于序列二次规划的推力分配优化算法和基于优化目标函数的决策方法。本发明专利技术克服了优化推力分配算法实时性差的缺点，结合了基于逻辑推力分配算法快速性的优点，在固定解算周期内当优化算法无法给出最优解时会按照优化目标给出当前条件下的次优解，具有实时性高、可靠性好的优点，同时考虑了推进器的性能、功耗及磨损等约束，为优化推力分配算法的工程应用提供了一种实用方案。的工程应用提供了一种实用方案。的工程应用提供了一种实用方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法


[0001]本专利技术涉及一种船舶实时推力分配方法，尤其涉及一种基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法。

技术介绍

[0002]船舶推力分配是指将控制律给出的三自由度推力和力矩指令转化为每个推进器的推力和方位角指令，同时考虑推进器的性能约束。该问题在理论上属于多变量约束优化问题，目前已经有多种优化算法可以对其进行求解，但是在实际工程应用中主要采取的还是基于逻辑的推力分配方法。
[0003]基于逻辑的分配算法就是设计不同的分配逻辑，将带有约束的推力分配方程简化成能够具有解析解的基本方程，进而解算出推力指令。设计的逻辑过程主要是对分配变量进行简化，然后为避免基本推力方程失效做相应的处理。这样通过合理的简化不断减少推力分配变量就可以将存在多解的约束问题转化为线性方程求解问题。此算法的优点是运算速度快、可靠性高，每个控制周期都会得到一个可行解，缺点是逻辑设计过程比较复杂，对于有些约束无法通过逻辑进行简化(如功率约束)，因此不能得到最优解。
[0004]而基于优化算法的推力分配可以将推力限制、方位角限制、功率限制等多种约束考虑在内进行求解，因此在降低能耗、减少推进器磨损方面具有明显优势。船舶上无法直接采用优化推力分配算法的主要原因有两点：一是优化算法求解的精度极大依赖初值的设定，具有一定的不可确定性；二是优化算法在固定寻优次数下可能无法得到最优解，不满足实时性要求。
[0005]目前，国内外针对优化算法的推力分配的研究大部分是从理论方面改进优化算法的求解效率但无法在给定时间内保证精度，因此需要结合工程需求设计一种实时性好、可靠性高，同时考虑多种约束的次优推力分配算法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法，为了解决优化推力分配算法实时性差的不足，同时兼顾能耗、推进器性能和磨损等约束，使推力分配算法能够在给定控制周期内没能解算出最优解时仍然能够给出次优解，进而保证分配算法的实时性和可靠性。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：
[0008]一种基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法，包括基于逻辑的推力分配算法、基于序列二次规划的推力分配优化算法和基于优化目标函数的决策方法
[0009]本专利技术还包括这样一些特征：
[0010]线程1基于逻辑的推力分配算法，通过对推进器合理分组，按照同组推力均分、力矩优先等原则对推力分配方程τ＝B(α)T进行简化,采用伪逆法得到解析解[T
f
,α
f
]，然后根据推进器的最大推力T
max
和方位角变化率限制Δα
max
进行平滑限幅给出可行解[T
f
',α
f
']。其
中，τ∈R3×1为控制律给出的三自由度推力和力矩输入指令，B(α)为推进器配置矩阵，T∈R
n
×1和α∈R
n
×1分别为推进器推力指令；
[0011]线程2基于SQP的推力分配优化算法，在控制周期内通过对如下推力分配优化模型进行固定次数寻优，得到优化解[T
opt
,α
opt
]；
[0012]min J(α,T,s)＝T
T
ΩT+Δα
T
HΔα+s
T
Qs
[0013][0014]其中，Ω,H,Q∈R3×3为正定的对角系数矩阵，s为松弛变量，T
min
,T
max
为推进器推力限制，α
min
,α
max
为方位角限制，Δα＝α-α
old
为方位角变化率，Δα
min
,Δα
max
为方位角变化率限制；
[0015]利用推力分配优化目标函数J(α,T,s)进行决策：若线程2优化算法求得解计算出的目标函数值小于设定阈值时，即J(α
opt
,T
opt
,s
opt
)≤ε时，选取优化算法作为推力指令 [T
o
,α
o
]＝[T
opt
,α
opt
]；反之，将线程1的可行解[T
f
′
,α
f
′
]和线程2的优化解[T
opt
,α
opt
]带入目标函数，选取使目标函数值较小的解作为推力指令，即[T
o
,α
o
]＝arg min(J(α,T,s))。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0017]本专利技术克服了优化推力分配算法实时性差的缺点，结合了基于逻辑推力分配算法快速性的优点，在固定解算周期内当优化算法无法给出最优解时会按照优化目标给出当前条件下的次优解，具有实时性高、可靠性好的优点，同时考虑了推进器的性能、功耗及磨损等约束，为优化推力分配算法的工程应用提供了一种实用方案。
附图说明
[0018]图1基于双线程并行计算的推力分配流程图；
[0019]图2推进器布局示意图；
[0020]图3基于SQP推力分配优化算法的求解流程图；
[0021]图4输入控制指令与推力分配后的指令比较；
[0022]图5推力分配误差；
[0023]图6 1#推进器推力和方位角指令；
[0024]图7 2#推进器推力和方位角指令；
[0025]图8 3#推进器推力和方位角指令；
[0026]图9 4#推进器推力和方位角指令。
具体实施方式
[0027]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。
[0028]本专利技术涉及一种面向固定周期控制的船舶实时推力分配策略，特别是面向工程应用的强实时性、高可靠性的船舶次优推力分配算法。本专利技术提出的实时推力分配策略包含基于双线程的并行解算模块和基于优化目标函数的决策模块，其中线程1为基于逻辑的推力分配方法，线程2为基于SQP的推力分配算法，如附图1所示。
[0029]本专利技术的工作原理是在一个控制周期内通过两个线程的并行解算得到基于逻辑推力分配的可行解和基于SQP推力分配的优化解，然后考虑推进器功率、磨损以及控制分配精度建立优化目标函数，将两种推力分配算法的解带入优化目标函数进行比较，选取使得函数值的较小的解作为本次控制周期的最终推力指令。
[0030]在线程1中采用基于逻辑推力分配的算法，通过对推进器合理分组，按照同组推力均分、力矩优先等逻辑原则对推力分配方程τ＝B(α)T简化，并采用伪逆法得到解析解[T
f
,α
f
]，然后根据推进器的最大推力T
max
和方位角变化率限制Δα
max
进行平滑限幅给出可行解[T
f
',α...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法，其特征是，包括基于逻辑的推力分配算法、基于序列二次规划的推力分配优化算法和基于优化目标函数的决策方法。2.根据权利要求1所述的基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法，其特征是，线程1基于逻辑的推力分配算法，通过对推进器合理分组，按照同组推力均分、力矩优先等原则对推力分配方程τ＝B(α)T进行简化,采用伪逆法得到解析解[T
f
,α
f
]，然后根据推进器的最大推力T
max
和方位角变化率限制Δα
max
进行平滑限幅给出可行解[T
f
',α
f
']。其中，τ∈R3×1为控制律给出的三自由度推力和力矩输入指令，B(α)为推进器配置矩阵，T∈R
n
×1和α∈R
n
×1分别为推进器推力指令。3.根据权利要求1所述的基于双线程并行计算的船舶实时推力分配方法，其特征是，线程2基于SQP的推力分配优化算法，在控制周期内通过对如下推力分配优化模型进行固定次数寻优，得到优化解[T
opt
,α
opt
]；min J(α,T,s)＝T
T
ΩT+Δα
T
HΔα+s
T
Qs其中，Ω,H,Q∈...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐玉杰，付明玉，刘建旭，王宏宇，陈佳慧，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：