CN102707625B - 一种基于推力分配管理的动力定位船推力分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于推力分配管理的动力定位船推力分配方法。选取参与工作的推进器，并设定对应的方位角活动范围；对参与工作的推进器进行分组；对全方位推进器组设置相应的偏置量；用二次规划法对推力分配。本发明引入了推力分配管理模块，根据动力定位船的推进器配置，提出了基于推力分配管理的一种简便实用的动力定位船推力分配方法，很好的解决了已有技术中存在的问题，使推进器的使用更加合理，操作更加简洁，提高了推进器系统的执行能力，保证DP控制器的推力需求，具有很高的推广价值。

Description

一种基于推力分配管理的动力定位船推力分配方法

技术领域

本发明涉及的是一种动力定位控制方法，具体地说是一种船舶动力定位系统中的推力分配方法。

背景技术

船舶动力定位就是船舶或海上平台不借助于锚泊系统的作用，而是利用自身装备的各类传感器自动检测出船舶的实际位置与目标位置的偏差，以及外界风力、波浪、海流等扰动力的影响利用计算机实时的计算出能使船舶恢复到目标位置所需推力和扭矩的大小，并对各推力器进行推力分配，进而使各推力器产生相应的推力和扭矩以抵消扰动力，使船舶尽可能地保持在海平面上要求的位置上，实现定位。

推力分配单元能够将动力定位（DP）控制器的合力指令分给每个推进器，推进器产生推力来抵消作用在船上的外界环境力使船舶保持其位置和艏向，通常作为一个独立于DP控制器，这样使得DP控制器可以不用任何改动地应用到不同推进器配置的船舶。为了防止由推进器故障引发的DP船舶安全威胁，装有动力定位系统的船舶通常为过驱动的，需要配置多个推进器。因此，对于每一个控制器输出的合力指令对应着推进器的多种推力组合方式，如何能够得到效率最高，最合理的一种推力组合方式，使得推力分配问题可以归结为最优化问题。

因为冗余性和安全性要求，动力定位船配备的推进器较多，在工作时由于推进器故障原因或能量消耗方面的考虑，某些情况不需要全部的推进器都投入工作；工作的推进器由于水下装置（如水声设备）对推进器的特殊要求，推进器不能输出任意方向的推力，经常需要通过设定推力禁区的方法限制推进器排出流的方向，给动力定位推力分配方法带来了很大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使推进器的使用更加合理，操作更加简洁，提高推进器系统的执行能力的基于推力分配管理的动力定位船推力分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

1)选取参与工作的推进器，并设定对应的方位角活动范围；

2)对参与工作的推进器进行分组；

3)对全方位推进器组设置相应的偏置量；

4)用二次规划法对推力分配。

本发明还可以包括：

1、所述的对参与工作的推进器进行分组的具体方法为：设定几台相邻的推进器为一个推进器组，在推力分配过程中将一组推进器作为一个独立的推进器。

2、所述的设置推进器偏置量的具体方法为：在一组全方位推进器之间引入相互作用的推力，这些推力相互抵消，其对外部的合力为零。

3、所述二次规划法的具体实现步骤如下：

1)线性化全方位推进器的最大推力约束方程；

2)建立二次规划最优推力分配模型；

3)应用光滑牛顿法求解推力分配最优解。

4、所述线性化全方位推进器的最大推力约束方程的具体实现方法如下：

1)将全方位推进器的推力范围，表示为以最大推力f_max为半径的圆形区域；

2)在误差允许的范围内，将这个圆形区域近似为一个凸多边形；

3)由凸多边形的各顶点坐标，构造全方位推进器的最大推力线性约束不等式，其数学描述为：

$\left[\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{0,1}}& a_{\mathrm{0,2}}\\ a_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{1,2}}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ a_{N,1}& a_{N,2}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{u}_{i,x}\\ u_{i,y}\end{array}\right)\≤\left[\begin{array}{c}{b}_0\\ b_1\\ .\\ .\\ .\\ b_N\end{array}\right]\⇔{\mathrm{Au}}_i\≤b$

a_k1＝(y_k+1-y_k)

a_k2＝(x_k-x_k+1)

b_k＝x_ky_k+1-x_k+1y_k

其中，u_i＝[u_i，x,u_i，y]^T表示序号为i的推进器的推力向量，a和b最大推力约束不等式方程的系数，(x_k,y_k)为凸多边形的第k个顶点坐标，N为凸多边形的顶点个数。

5、所述二次规划最优推力分配模型的数学表达为：

$J=\underset{u,s,\stackrel{\‾}{u}}{\min }{\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{ccc}W& 0& 0\\ 0& Q& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& 0& \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]$

$s.t.:\left[\begin{array}{ccc}B& -I& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]=\mathrm{\τ}$

$\left[\begin{array}{ccc}A& 0& 0\\ -I& 0& -1\\ I& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]\≤\left[\begin{array}{c}b\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}-\∞\\ -\∞\end{array}\right]\≤\left[\begin{array}{c}s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]\≤\left[\begin{array}{c}\∞\\ \∞\end{array}\right]$

其中，J为目标函数值，u＝[u₁…u_m]^T为各推进器沿船舶纵向和横向产生分力所组成的向量，s为松弛变量表示推进器的实际输出合力与控制器指令之间的误差，

表示u中所有元素的最大值，权值系数γ≥0，权值系数矩阵W和Q为正定对角阵，且有

$Q=\left[\begin{array}{ccc}{Q}_1& 0& 0\\ 0& Q_2& 0\\ 0& 0& Q_3\end{array}\right],$ Q□W＞0，B＝[B₁…B_m]为推进器扩展布置矩阵，由推进器的布置位置和方位角确定，系数矩阵

b＝[b₁…b_m]^T，由推进器的最大推力方程确定。

本发明提供了一种基于推力分配管理的动力定位船推力分配方法。推力分配的目的是将动力定位（DP）控制器输出的合力指令合理地分配给各推进器，使之产生推力来抵消作用在船上的环境力使船舶保持其位置和艏向。该方法面向的对象为配有全方位推进器和固定方位推进器的动力定位船。

本发明引入了推力分配管理模块，根据动力定位船的推进器配置，提出了基于推力分配管理的一种简便实用的动力定位船推力分配方法，很好的解决了已有技术中存在的问题，使推进器的使用更加合理，操作更加简洁，提高了推进器系统的执行能力，保证DP控制器的推力需求，具有很高的推广价值。

附图说明

图1为基于推力分配管理的动力定位船推力分配算法流程图。

图2为全方位推进器推力范围的凸多边形近似。

图3为某动力定位船的推进器布置图。

图4为某动力定位船的DP控制系统结构框图。

图5为某动力定位船的仿真运动响应。

图6为某动力定位船的仿真推进器推力变化曲线。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述

结合图1，本发明的技术方案具体包括以下步骤：

（1）选取参与工作的推进器，并设定对应的方位角活动范围；

（2）对参与工作的推进器进行分组；设定2～3台相邻的推进器为一个推进器组，在推力分配过程中将一组推进器作为一个独立的推进器处理。

（3）对全方位推进器组设置相应的偏置量，具体方法为：在一组全方位推进器之间引入相互作用的推力，这些推力相互抵消，其对外部的合力为零。

（4）选择二次规划法对推力进行分配，其的具体实现步骤如下：

1)线性化全方位推进器的最大推力约束方程；

2)建立二次规划最优推力分配模型；

3)应用光滑牛顿法求解推力分配最优解；

结合图2，全方位推进器的最大推力约束方程线性化过程的具体实现方法如下：

a)将全方位推进器的推力范围，表示为以最大推力f_max为半径的圆形区域；

b)在误差允许的范围内，将这个圆形区域近似为一个凸多边形；

c)由凸多边形的各顶点坐标，构造全方位推进器的最大推力线性约束不等式，其数学描述为：

$\left[\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{0,1}}& a_{\mathrm{0,2}}\\ a_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{1,2}}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ a_{N,1}& a_{N,2}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{u}_{i,x}\\ u_{i,y}\end{array}\right)\≤\left[\begin{array}{c}{b}_0\\ b_1\\ .\\ .\\ .\\ b_N\end{array}\right]\⇔{\mathrm{Au}}_i\≤b$

a_k1＝(y_k+1-y_k)

a_k2＝(x_k-x_k+1)

b_k＝x_ky_k+1-x_k+1y_k

其中，u_i＝[u_i，x,u_i，y]^T表示序号为i的推进器的推力向量，A和b最大推力约束不等式方程的系数，(x_k,y_k)为凸多边形的第k个顶点坐标，N为凸多边形的顶点个数；

二次规划最优推力分配模型的数学表达为：

$J=\underset{u,s,\stackrel{\‾}{u}}{\min }{\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{ccc}W& 0& 0\\ 0& Q& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& 0& \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]$

$s.t.:\left[\begin{array}{ccc}B& -I& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]=\mathrm{\τ}$

$\left[\begin{array}{ccc}A& 0& 0\\ -I& 0& -1\\ I& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]\≤\left[\begin{array}{c}b\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}-\∞\\ -\∞\end{array}\right]\≤\left[\begin{array}{c}s\\ \stackrel{\‾}{u}\end{array}\right]\≤\left[\begin{array}{c}\∞\\ \∞\end{array}\right]$

其中，J为目标函数值，u＝[u₁…u_m]^T为各推进器沿船舶纵向和横向产生分力所组成的向量，s为松弛变量表示推进器的实际输出合力与控制器指令之间的误差，

表示u中所有元素的最大值，权值系数γ≥0，权值系数矩阵W和Q为正定对角阵，且有

$Q=\left[\begin{array}{ccc}{Q}_1& 0& 0\\ 0& Q_2& 0\\ 0& 0& Q_3\end{array}\right],$ Q□W＞0，B＝[B₁…B_m]为推进器扩展布置矩阵，由推进器的布置位置和方位角确定，系数矩阵b＝[b₁…b_m]^T，由推进器的最大推力方程确定。

本发明以某动力定位船为例进行了仿真验证，该船推进器系统配置如表1所示。

表1.推进器系统配置

该船装有DP控制系统，其结构如图4所示。其中，推力分配是DP控制器和推进器的中间环节，其输入为DP控制器输出的合力和力矩指令(τ_X,τ_Y,τ_Z)，输出为各推进器推力和方位角指令(F_i,α_i)i＝1,2,…,7。

选取全部推进器都参与动力定位工作，其分组结果和方位角活动范围如表2所示。

表2.推进器分组及方位角范围设置

将每个推进器的推力区域都近似为正八边形，确定方位角活动范围内推力区域对应多边形的顶点坐标，线性化其最大推力约束不等式，确定不等式方程系数A和b，建立不等式约束方程。

根据推进器布置，确定扩展布置矩阵B，建立等式约束方程。

权值系数选取为：

$W=I^{14\×14},Q=\left[\begin{array}{ccc}100& & \\ & 100& \\ & & 200000\end{array}\right],\mathrm{\γ}=1$

根据动力定位船推力分配算法流程图，编制推力分配仿真程序，在DP控制系统中仿真验证该推力分配方法，仿真过程中某动力定位船的初始位置在(0，0)，初始艏向角为0°；目标位置为(5m，5m)，目标艏向角10°。船舶的运动响应如图5所示，推进器的推力变化如图6所示。

Claims (1)

1.一种基于推力分配管理的动力定位船推力分配方法，其特征是： 

（1）选取参与工作的推进器，并设定对应的方位角活动范围； 

（2）对参与工作的推进器进行分组；具体方法为：设定几台相邻的推进器为一个推进器组，在推力分配过程中将一组推进器作为一个独立的推进器； 

（3）对全方位推进器组设置相应的偏置量；具体方法为：在一组全方位推进器之间引入相互作用的推力，这些推力相互抵消，其对外部的合力为零； 

（4）用二次规划法对推力分配，二次规划法的具体实现步骤如下： 

1)线性化全方位推进器的最大推力约束方程； 

2)建立二次规划最优推力分配模型； 

3)应用光滑牛顿法求解推力分配最优解； 

所述线性化全方位推进器的最大推力约束方程的具体实现方法如下： 

a)将全方位推进器的推力范围，表示为以最大推力f_max为半径的圆形区域； 

b)在误差允许的范围内，将这个圆形区域近似为一个凸多边形； 

c)由凸多边形的各顶点坐标，构造全方位推进器的最大推力线性约束不等式，其数学描述为： 

a_k1=(y_k+1-y_k) 

a_k2=(x_k-x_k+1) 

b_k=x_ky_k+1-x_k+1y_k

其中，u_i=[u_i,x,u_i,y]^T表示序号为i的推进器的推力向量， A和b是最大推力约束不等式方程的系数，(x_k,y_k)为凸多边形的第k个顶点坐标，N为凸多边形的顶点个数； 

所述二次规划最优推力分配模型的数学表达为： 

其中，J为目标函数值，u=[u₁ …u _m]^T为各推进器沿船舶纵向和横向产生分力所组成的向量，s为松弛变量表示推进器的实际输出合力与控制器指令之间的误差，表示u中所有元素的最大值，权值系数γ≥0，权值系数矩阵W和Q为正定对角阵，且有 

B=[B₁ … B_m]为推进器扩展布置矩阵，由推进器的布置位置和方位角确定，系数矩阵 

b=[b₁ … b_m]^T，由推进器的最大推力方程确定。 

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