【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶动力定位控制，尤其涉及一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法。
技术介绍
1、动力定位系统能够依靠船舶自身的推进器，抵御外部海洋环境的干扰，实现船舶的位置、艏向的保持，其机动性强，不受水深限制的特点，逐渐成为海工作业配套设备的发展趋势。动力定位系统主要由控制系统、测量系统、推进系统与动力系统。控制系统是动力定位系统的核心，结合船舶运动状态信息，计算保持船舶预定位置或艏向所需的控制力和力矩；测量系统用于提供实时、精确的船舶位置、姿态信息；推进系统主要包括各类执行机构，响应控制指令产生推力，以抵御外界环境；动力系统负责提供电力分配与管理，满足各类作业工况的需求。
2、推力分配是控制系统中一个最为核心的模块，其任务是将控制器输出的三自由度控制力/力矩，按照一定的分配策略，合理的分配给各个执行机构。推力分配可以归结为一个最优化问题，分配过程中需要综合考虑能量消耗、执行机构磨损、推力误差等因素。
3、喷水推进器同螺旋桨一样都是船用推进设备，工作原理类似于航空喷气推进器的原理，都是靠反作用力获得前进动力。喷水推进器较传统的螺旋桨而言推进器效率更高，噪声更小、且能适应浅水环境。与传统推进器不同的是，喷水推进器具有3个控制变量，分别是转速、转向角以及倒斗角，其中转向角主要用于控制喷水推进器喷嘴方向，进而能够改变推力方向，该控制量与全回转推进器的方位角作用基本相同，但喷水推进器的转向角范围一般在[-25°，25°]之间；转速与倒斗角共同影响喷水推进器推力大小。
4、现有的喷水推进器推力分配采取的
5、实际喷水推进器的倒斗角并不是一个离散量，即其状态并不是单一的全开与全闭，且倒斗角在进行开闭状态的转换时会有一定的时间消耗，因此传统的喷水推进器方案具有以下缺点：
6、在倒斗角开闭转换过程中会产生推力损失，若倒斗角的开闭过程消耗时间很长的话将导致控制振荡或发散；
7、倒斗角全开或全闭在某种程度上来说是一种奇异结构，在无外界环境或环境很小的情况下，推进器的推力很有可能在0范围内波动，这会导致倒斗角一直在打开与闭合之间相互转换。传统的全回转推进器针对这类问题可以通过偏置力解决，但喷水推进器受限于转向角的大小，无法进行偏置，因此一旦出现这种情况一方面将导致喷水推进器的磨损增加；另一方面则会使得船舶无法正常定位。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提供一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，实现直接获得推进器的控制指令，避免推力和推进器控制之间的转换，保证了输出的分配指令最优特性，保证船舶的正常定位和行驶。
2、本专利技术提供一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，包括如下步骤：
3、s100、建立船舶喷水推进器的第一推力数学模型；
4、s200、建立船舶推进器的第二推力数学模型；
5、s300、根据第一推力数学模型和第二推力数学模型，建立水平面三自由度推力模型；
6、s400、根据水平面三自由度推力模型建立推力分配数学模型；
7、s500、采用序列二次规划求解推力分配数学模型，获得船舶喷水推进器和船舶推进器分别对应的控制指令。
8、根据本专利技术提供的一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，所述s100步骤中，第一推力数学模型为：
9、
10、式中，为水的密度；为流量；为喷口速度；为船舶航速；为动量利用因子；
11、其中，船舶处于低速或零速状态，，第一推力数学模型转换为：
12、。
13、根据本专利技术提供的一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，所述s100步骤中，还包括：
14、船舶喷水推进器工作时船舶底部进水口吸入水流的流量，经船舶喷水推进器加速后喷射；
15、根据船舶倒车斗的开合角度，其中一部分喷射水流射入船舶倒车斗内，其余喷射水流向船舶后方喷出；
16、其中，设定射入船舶倒车斗内的水流为入斗水流，向船舶后方喷出的水流为直喷水流，入斗水流流量和直喷水流流量的计算公式如下：
17、
18、式中，为倒车斗的开合角度，为倒车斗的最大开合角度。
19、根据本专利技术提供的一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，所述s100步骤中，还包括：
20、根据入斗水流流量和直喷水流流量获得直喷水流推力和倒车斗反向推力，计算公式如下：
21、
22、进而：
23、
24、
25、式中，为船舶底部进水口的横截面积，为船舶底部出水口的横截面积；
26、基于喷口速度与船舶喷水推进器的转速呈对应比例关系，转化可得：
27、；
28、船舶倒斗角以百分比控制，定义变量，转化可得：
29、
30、式中，为船舶喷水推进器的推力系数。
31、根据本专利技术提供的一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，所述s200步骤中，第二推力数学模型为：
32、
33、式中，为船舶推进器的推力系数，为船舶推进器的转速。
34、根据本专利技术提供的一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，所述s300步骤中，水平面三自由度推力模型为：
35、
36、式中，，，分别依次为第个装载推进器产生的纵向力、横向力与艏向力矩；为第个装载推进器产生的推力；为第个装载推进器的方位角；为第个装载推进器相对于船舶旋转中心的位置；
37、其中，所述装载推进器为船舶喷水推进器或船舶推进器。
38、根据本专利技术提供的一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，所述s300步骤中，还包括：
39、将装载推进器产生的三自由度推力叠加，获得推力分配控制指令，计算式为：
40、
41、式中，为装载推进器设置个数。
42、根据本专利技术提供的一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，所述s400步骤中，推力分配数学模型为：
43、
44、
45、式中，为与装载推进器个数相关的权值矩阵；为装载推进器设置个数；为第个装载推进器的转速；为三自由度推力误差，为的转置，为正定对角三维矩阵，为松弛变量；为装载推进器的磨损量，为装载推进器的方位角；为上一时刻装载推进器的方位角；为与装载推进器个数相关的正定对角矩阵；为船舶喷水推进器倒斗磨损量，为船舶喷水推进器的倒本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述S100步骤中，第一推力数学模型为：
3.根据权利要求2所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述S100步骤中，还包括：
4.根据权利要求3所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述S100步骤中，还包括：
5.根据权利要求1所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述S200步骤中，第二推力数学模型为：
6.根据权利要求1所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述S300步骤中，水平面三自由度推力模型为：
7.根据权利要求6所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述S300步骤中，还包括：
8.根据权利要求1所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述S400步骤中，推力分配数学模型为：
9.根据权利要求8所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，船舶
10.根据权利要求8所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，船舶推进器配置矩阵表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述s100步骤中，第一推力数学模型为：
3.根据权利要求2所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述s100步骤中，还包括：
4.根据权利要求3所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述s100步骤中，还包括：
5.根据权利要求1所述的基于船舶喷水推进器的推力分配方法，其特征在于，所述s200步骤中，第二推力数学模型为：
6.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄炜，赵宾，王福，徐凯，王小东，李佳川，郭颖，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：
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