一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法，包括以下步骤：建立船舶的三自由度的数学模型与数学模型的干扰模型；根据三自由度的数学模型与数学模型的干扰模型，并结合螺旋桨的水动力特性分析获得船舶推进器的功率、转矩以及推力模型；根据推进器的能量消耗、推进器的磨损以及指令误差建立船舶推力目标分配函数；基于全局人工鱼群算法对推进器参数进行寻优，获取使船舶推力目标分配函数最小值的相对最优参数求解域；通过白鹭算法对相对最优参数求解域进行再次寻优，获取推进器参数的最终相对最优解。解决了现有的推力分配方法的选择在很大程度上影响船舶的控制精度，不能在保证控制精度的基础上有效地减小推进器的磨损以及能量消耗。器的磨损以及能量消耗。器的磨损以及能量消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法


[0001]本专利技术涉及船舶推力分配领域，尤其涉及一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法。

技术介绍

[0002]我国拥有近三百万平方公里的海域，是一个沿海大国，因此更加重视对海洋的开发与利用包括海洋石油、天然气开发、矿产采集、水产捕捞等。然而海洋资源的开发难度较陆地资源的开发难度要大很多，这就用到了定位系统，目前定位系统主要分为两种，一种是动力定位系统另一种是锚泊定位系统。传统的锚泊定位系统结构简单、可靠，且不需要推进器去抵抗外界环境的干扰，因而可以减小能量的消耗，经济性好。但当海底空间不足以容纳更多的锚，以及作业水深不断增加时，动力定位系统则是唯一的选择，且动力定位系统拥有非常高的定位精度，能够有效地保障整个作业过程以及作业人员的安全。
[0003]动力定位系统指的是利用船舶本身的推进装置并通过控制器的作用能够自动保持位置和艏向的系统。并且还定义了三个设备等级，在单一故障情况下可能发生定位失常，和有源组件存在单一故障时不会发生定位失常，以及任何组件、系统出现单一故障(包括由于隔离舱火灾或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：建立船舶的三自由度的数学模型与数学模型的干扰模型；所述三自由度数学模型包括船舶运动学与船舶动力学模型；所述干扰模型包括海风模型、海浪模型以及海流模型；步骤S2：根据所述三自由度的数学模型与数学模型的干扰模型，并结合螺旋桨的水动力特性分析获得船舶推进器的功率、转矩以及推力模型；步骤S3：根据所述船舶推进器的功率、转矩以及推力模型获取推进器的能量消耗；根据推进器的能量消耗、推进器的磨损以及指令误差建立船舶推力目标分配函数；步骤S4：基于全局人工鱼群算法对推进器参数进行寻优，获取使船舶推力目标分配函数最小值的若干相对最优参数求解域；所述推进器参数包括推进器的方位角与推进器的推力；步骤S5：通过白鹭算法对所述相对最优参数求解域进行再次寻优，获取推进器参数的最终相对最优解；所述最终相对最优解作为推进器最终的方位角与推力。2.根据权利要求1所述的一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法，其特征在于，所述步骤S1中所述三自由度的数学模型与数学模型的干扰模型具体为：所述船舶运动学模型为所述船舶运动学模型为表示船在北东坐标系下的船的姿态和位置函数；Θ＝[φ θ ψ]
T
∈S3代表船在北东坐标系下的姿态角；S3代表三维欧几里得三维环面；J(η)表示船姿态和位置的函数；v表示船的速度；表示船姿态角的旋转矩阵；0
3X3
三行三列的零矩阵；T
Θ
(Θ)角速度旋转矩阵；所述船舶动力学模型为式中：M表示水动力系统惯性矩阵，与船舶的线加速度与角加速度相关；C(v)表示水动力科里奥利向心力矩阵，且与船舶的附加质量有关；D(υ)表示水动力阻尼系数矩阵包含线性阻尼项D与非线性阻尼项D
n
(υ)；g(η)为船舶浮力引起的回复力；g0为船舶压载提供的回复力；ω0为环境干扰；τ为推进器的理论推力。3.根据权利要求1所述的一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法，其特征在于，步骤S2中获得船舶推进器的功率、转矩以及推力效率模型，具体为：步骤S2.1：推进器推力与转矩可以定义为如下函数形式；式中：T表示推进器推力；Q表示推进器转矩；n表示转速；θ
p
表示固定参数；x
p
表示时变参数；步骤S2.2：将所述函数形式转化为具体的推进器推力与转矩表达式为：
式中：K
T
与K
Q
分别表示推力系数与转矩系数；ρ表示海水密度；D
p
表示螺旋桨直径；步骤S2.3：根据推进器的转矩表达式，可得推进器消耗功率计算公式为：步骤S2.4：由步骤S2.2与步骤S2.3的计算公式可以得到推进器消耗功率与推力之间的关系式为：4.根据权利要求1所述的一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法，其特征在于，步骤S3中根据推进器的能量消耗、推进器的磨损以及指令误差建立船舶推力目标分配函数，计算公式为数，计算公式为P
i
＝C
i
T
i3/2
s＝τ
‑
B(α)T式中：Min J(α，T)表示船舶推力目标分配函数的能量函数；T表示推进器推力；α代表当前分配周期各推进器的方位角；W表示权值系数；p
i
表示第i台推进器的功率消耗；C
i
表示修正系数；T
i
表示第i台推进器的推力；P
total
代表所有推进器的功率消耗总和；s为松弛变量矩阵；s
T
松弛变量矩阵的转置；Q0与Ω表示正定对角矩阵；α0表示上一周期各推进器的方位角；(α
‑
α0)
T
表示当前分配周期各推进器的方位角与上一周期各推进器的方位角差值的转置；B(α)表示推进器配置矩阵；τ为推进器的理论推力；表示功率变化限制项；表示实际的推进器功率变化率；为期望的推进器功率变化率；K表示权值系数矩阵。5.根据权利要求1所述的一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法，其特征在于，步骤S4中获取使船舶推力目标分配函数最小值的若干相对最优参数求解域，具体为：步骤S4.1：基于全局人工鱼群算法在相对最优参数求解域内对鱼群进行随机初始化，形成若干初始人工鱼群，且每个初始人工鱼群中的人工鱼个体代表所述船舶推力目标分配函数，关于推进器的推力与推进器的方位角的一组解；所述全局人工鱼群算法初始化参数包括人工鱼个体数量N、每条人工鱼的初始状态X、迭代次数IT、尝试次数try_number、拥挤度因子δ、跳跃行为预设值ε、β以及吞食行为阈值value；步骤S4.2：根据每条人工鱼的当前状态计算所对应的船舶推力目标分配函数值，并将船舶推力目标分配函数的最小值所对应的人工鱼状态初始化为最优人工鱼的状态，记录每条人工鱼的最大移动步长Step与视觉Visual，并输出当前最优解X
best
，写入公告板；步骤S4.3：判断是否满足预设迭代次数IT，若是，则输出公告板上的当前最优解X
best
；若否，则执行步骤S4.4至步骤S4.6；步骤S4.4：初始化所述人工鱼群中每条人工鱼的最大移动步长Step与视觉Visual；
步骤S4.5：根据觅食行为、聚群行为、追尾行为以及随机行为对每条人工鱼的行为进行评价，并从中选取最优的行为来执行并更新自己的状态；步骤S4.6：对当前最优解X
best
执行退火操作，判断温度是否小于温度阈值T_value，是则输出解，否则降低温度继续退火直至温度小于温度阈值T_value；步骤S4.7：将每个人工鱼群获取的当前最优解X
best
设为一个相对最优参数求解域。6.根据权利要求5所述的一种基于改进的鱼鹭算法的船舶推力分配方法，其特征在于，步骤S4.5中所述觅食行为具体为：设定第i条人工鱼的当前状态为X
i
，第i条人工鱼在其视野Visual内随机选择一新状态X
j
，且X
j
＝X
i
+Visual...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莎莎，吝健龙，彭周华，庹玉龙，刘宇欣，李佳良，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：