CN102841970B - 采用动态禁止角的动力定位推力分配装置及其分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用动态禁止角的海洋结构物动力定位推力分配方法。推力分配方法为最优化问题中的二次规划问题，通过考虑前后两个全回转推进器的转速比，可以实时更新最优化问题中前推进器回转角的禁止角大小，即回转角的可行区域，随后求解二次规划问题，获得全回转推进器上的推力分配方案。通过引入动态禁止角的概念，本发明方法可以一方面避免前推进器尾流对于后推进器的干扰，另一方面也可以扩大前推进器回转角的可行区域，从而使二次规划问题能获得更为优化与合理的结果。

Description

采用动态禁止角的动力定位推力分配装置及其分配方法

技术领域

本发明涉及一种海洋结构物动力定位推力分配方法，特别是涉及一种采用动态禁止角的动力定位推力分配装置及其分配方法。

背景技术

随着人类的探索领域向广袤的大洋延伸，在深水区域作业的海洋结构物，如海洋平台，各类工作船等的定位问题变的日益突出。在浅水区域，海洋结构物的定位尚且可以通过锚泊方式解决，但随着水深的加大，锚泊定位的成本呈指数趋势升高，所以需要新型的定位方式解决海洋结构物定位的问题。动力定位便是在这一背景下出现并发展起来的。海洋结构物上配置的动力定位系统通过卫星或水声列阵获得结构物当前位置，控制器由其与目标位置的偏差值计算出结构物回复到目标位置所需推力和转矩，由于海洋结构物装配有若干个推进器提供推力和转矩，所以由推力分配方法将控制器提供的总推力和转矩分配到各个推进器上，最终实现了通过推进器的动力定位。

推力分配方法是动力定位系统中的重要部分之一，它不仅需要快捷地计算出将总推力和扭矩分配到各个推进器上的方法，同时还需使各个推进器上的总功率达到最小，所以推力分配本质上是一最优化为题。

推力分配中必须考虑螺旋桨推进器之间水动力干扰的问题。对于串联排列的全回转推进器，前推进器的尾流会使后推进器的推力出现较大的损失，所以必须为前推进器的回转角设置禁止区域，以避免其尾流对后推进器的干扰。在现有技术中，前推进器的禁止角会根据两推进器之间的距离进行设定，但一经设定便不会更改。这种处理方式没有考虑到前后推进器的螺旋桨转速比对于其水动力干扰程度的影响。很显然，若前后推进器的转速比较大，则前推进器尾流对后推进器的干扰程度也越大，那么必须增大前推进器回转角的禁止区域；反之亦然。

发明内容

本发明就是为了解决在推力分配中对前后推进器转速比造成的水动力干扰程度变化缺乏考虑的问题而提出的。其技术方案如下：

一种采用动态禁止角的动力定位推力分配装置，包括一台实时控制计算机和若干台分布在船体上的全回转推进器，其特点在于，各全回转推进器上分别安装有螺旋桨转速传感器和全回转角度传感器，所述的螺旋桨转速传感器和全回转角度传感器通过数据线分别与实时控制计算机相连。

所述的各全回转推进器分布在船体的艏部、艉部，以及船体的左右舷的前后部。

一种利用所述的采用动态禁止角的动力定位推力分配装置进行推力分配的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，在实时控制计算机中，下述推力分配问题转化为最优化理论中的二次规划问题。

$\min J(\mathrm{\Δ\α},\mathrm{\ΔT},s)={(T_0+\mathrm{\ΔT})}^{T}W(T_0+\mathrm{\ΔT})$

$+s^T\mathrm{Qs}+{\mathrm{\Δ\α}}^T\mathrm{\Ω\Δ\α}$

$+\frac{d}{\mathrm{d\α}}{\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ϵ}+\det \left(B\left(\mathrm{\α}\right)B^T\left(\mathrm{\α}\right)\right)}\right)}_{\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0}\mathrm{\Δ\α}$

s.t. $s+B\left({\mathrm{\α}}_0\right)T_0+B\left({\mathrm{\α}}_0\right)\mathrm{\ΔT}+\frac{\∂}{\∂\mathrm{\α}}{\left(B\left(\mathrm{\α}\right)T\right)}_{\underset{T=T_0}{\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0}}\mathrm{\Δ\α}=\mathrm{\τ}$

T_min≤T₀+ΔT≤T_max

ΔT_min≤ΔT≤ΔT_max

α_min≤α₀+Δα≤α_max

Δα_min≤Δα≤Δα_max

其中：α₀,T₀分别为每步全回转推进器回转角和推力的初始值，在实时控制计算机中根据上一个时间步长中由螺旋桨转速传感器与全回转角度传感器提供的数据计算得到；τ为实时控制计算机发出的总推力和转矩向量；T_min,T_max分别为全回转推进器所能发出推力大小的下限和上限，在实时控制计算机中设置得到；ΔT_min,ΔT_max分别为全回转推进器推力值变化速度的下限和上限，在实时控制计算机中设置得到；α_min，α_max分别为全回转推进器回转角的下限和上限，即排除禁止角区域的可行域，通过实时控制计算机的计算得到；Δα_min,Δα_max分别为全回转推进器回转角变化速度的下限和上限，为实时控制计算机中的设置值；W,Q,Ω为目标函数中的权重矩阵，ρ,ε为非零系数，均在实时控制计算机中设置；Δα,ΔT分别为每步计算的全回转推进器回转角和推力的变化向量，s为推力分配的松弛因子，它们在实时控制计算机中通过求解上述问题得到。

B(α)为全回转推进器的布置矩阵，其第i列为：

$B_i\left({\mathrm{\α}}_i\right)=\left(\begin{array}{c}{\cos \mathrm{\α}}_i\\ \sin {\mathrm{\α}}_i\\ {-l}_{\mathrm{yi}}\cos {\mathrm{\α}}_i+l_{\mathrm{xi}}\sin {\mathrm{\α}}_i\end{array}\right)$

其中α_i为第i个全回转推进器的回转角，(l_xi,l_yi)为第i个全回转推进器在随船坐标系下的水平面坐标值。

步骤2，选择距离最接近、且前推进器螺旋桨产生的尾流会对后推进器的螺旋桨有直接影响的前后两个全回转推进器，在每一步由螺旋桨转速传感器得到其此时转速，然后根据前推进器与后推进器的转速比，更新前推进器回转角的可行域上下限α_max,α_min。

步骤3，求解步骤1中提出并在步骤2中更新可行域的二次规划问题，在每步计算得到各个全回转推进器上的推力值和回转角，从而实现在多个全回转推进器上的推力分配。

采用动态禁止角的动力定位推力分配方法的步骤2中更新可行区域的具体方法为：

1)由螺旋桨转速传感器得到每步初始时刻处于串联布置的前后两个全回转推进器的转速n_f和n_a，然后由实时控制计算机计算转速比n_f/n_a。

2)在实时控制计算机中，由步骤1)中转速比n_f/n_a在转速比与前桨禁止角的关系曲线中查到前桨禁止角大小，转速比与前桨禁止角的关系曲线通过螺旋桨水动力干扰的模型试验获得。模型试验中，在不同的前后推进器螺旋桨的转速比下，逐渐改变前推进器的回转角度，使用动力仪测量后推进器螺旋桨上的推力大小，从而得到其受前推进器影响造成的推力损失，推力损失为1%时的前推进器回转角即为前桨禁止角大小，这样便可绘制不同转速比对应的前桨禁止角大小曲线。

3)在实时控制计算机中，由步骤2)所得前桨禁止角大小计算得到前推进器回转角的可行域上下限α_max,α_min。

与现有技术相比，本发明充分考虑前后推进器转速比对其水动力干扰程度的影响，实时对前桨禁止角进行调整。当转速比增大时可以扩大禁止区域，降低前推进器尾流对后推进器水动力性能的影响程度，提高动力定位系统的可靠性；而当转速比减小时可以缩小禁止区域，这样扩大了前推进器回转角的可行区域，为寻找到最优化问题的最优解提供了更大的选择区域，这样可以使推力分配方法获得更合理、高效的推力分配方法。

附图说明

图1为采用动态禁止角的动力定位推力分配装置的结构示意图。

图2为某型装备本发明的船舶示意图。

图3显示了部分推进器的回转角可行域的情况。

图4为前桨禁止角与两桨转速比的关系曲线示例。

具体实施方案

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。

图1为本发明采用动态禁止角的动力定位推力分配装置的结构示意图，如图所示，一种采用动态禁止角的动力定位推力分配装置，包括一台实时控制计算机1和若干台分布在船体上的全回转推进器4，各全回转推进器4上分别安装有螺旋桨转速传感器2和全回转角度传感器3，所述的螺旋桨转速传感器2和全回转角度传感器3通过数据线分别与实时控制计算机1相连。

图2为某型装备本发明的船舶示意图，船上配备六个全回转推进器。全回转推进器4分别分布在船体的艏部、艉部，以及船体的左右舷的前后部。

采用动态禁止角的动力定位推力分配方法需要将由控制计算机提供的总推力和转矩分配到这六个全回转推进器上，获得每个推进器上的推力和其回转角。

首先执行步骤1，实时控制计算机将推力分配问题转化为最优化理论中的二次规划问题，得到如下模型：

$\min J(\mathrm{\Δ\α},\mathrm{\ΔT},s)={(T_0+\mathrm{\ΔT})}^{T}W(T_0+\mathrm{\ΔT})$

$+s^T\mathrm{Qs}+{\mathrm{\Δ\α}}^T\mathrm{\Ω\Δ\α}$

$+\frac{d}{\mathrm{d\α}}{\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ϵ}+\det \left(B\left(\mathrm{\α}\right)B^T\left(\mathrm{\α}\right)\right)}\right)}_{\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0}\mathrm{\Δ\α}$

s.t. $s+B\left({\mathrm{\α}}_0\right)T_0+B\left({\mathrm{\α}}_0\right)\mathrm{\ΔT}+\frac{\∂}{\∂\mathrm{\α}}{\left(B\left(\mathrm{\α}\right)T\right)}_{\underset{T=T_0}{\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0}}\mathrm{\Δ\α}=\mathrm{\τ}$

T_min≤T₀+ΔT≤T_max

ΔT_min≤ΔT≤ΔT_max

α_min≤α₀+Δα≤α_max

Δα_min≤Δα≤Δα_max

其中：α₀,T₀分别为每步全回转推进器回转角和推力的初始值，在实时控制计算机中根据上一个时间步长中由螺旋桨转速传感器与全回转角度传感器提供的数据计算得到，例如在某一时间步长处α₀＝[-92;-72;-92;-81;-110;-59],T₀＝[260;230;180;170;195;185]；τ为实时控制计算机发出的总推力和转矩向量，如τ＝[1.5e5；-1e5；-2.5e6]；T_min,T_max分别为全回转推进器所能发出推力大小的下限和上限，在实时控制计算机中设置得到，如T_min＝0,T_max＝800；ΔT_min,ΔT_max分别为全回转推进器推力值变化速度的下限和上限，在实时控制计算机中设置得到，如ΔT_min＝-50,ΔT_max＝50；Δα_min，Δα_max分别为全回转推进器回转角变化速度的下限和上限，为实时控制计算机中的设置值，如Δα_min＝-1,Δα_max＝；W,Q,Ω为目标函数中的权重矩阵，ρ,ε为非零系数，均在实时控制计算机中设置，如W＝diag(1，1,1,，Q＝1e10*diag(1,1,1,1,1,1)，Ω＝10*diag(1,1,1,1,1,1)，ρ＝1000,ε＝1。

B(α)为全回转推进器的布置矩阵，其第i列为：

$B_i\left({\mathrm{\α}}_i\right)=\left(\begin{array}{c}{\cos \mathrm{\α}}_i\\ \sin {\mathrm{\α}}_i\\ {-l}_{\mathrm{yi}}\cos {\mathrm{\α}}_i+l_{\mathrm{xi}}\sin {\mathrm{\α}}_i\end{array}\right)$

其中α_i为第i个全回转推进器的回转角，(l_xi,l_yi)为第i个全回转推进器在随船坐标系下的水平面坐标值。在此时间步长中，

$B\left(\mathrm{\α}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}-0.6264& -0.9673& -0.6264& 0.7767& -0.9990& -0.7711\\ 0.7795& -0.2538& 0.7795& 0.6299& 0.0442& -0.6367\\ 59.2394& 8.1423& -35.9367& -47.8715& -28.9388& -62.7065\end{array}\right)$

图3显示了部分推进器的回转角可行域的情况，扇形区域为回转角的可行区域，其余部分为禁止区域，其边界即为禁止角。

步骤2，选择距离最接近、且前推进器螺旋桨产生的尾流会对后推进器的螺旋桨有直接影响的前后两个全回转推进器，如图3中的No.1和No.2，首先通过安装在全回转推进器上的螺旋桨转速传感器得到每步初始时刻处于串联布置的前后两个全回转推进器的转速n_f和n_a，然后计算转速比n_f/n_a。实时控制计算机会根据转速比n_f/n_a在转速比与前桨禁止角的关系曲线（图4）中查到前桨禁止角大小，图3中的转速比与前桨禁止角的关系曲线通过螺旋桨水动力干扰的模型试验获得。由所得新的前桨禁止角大小计算得到前推进器回转角的可行域上下限α_max,α_min，如α_min＝[-272;126;95;-92;-54;-85]，α_max＝[-88;445;414;92;272;234]。

最后步骤3，在实时控制计算机中求解步骤1中提出并在步骤2中更新可行域的二次规划问题，在每步计算得到各个全回转推进器上的推力值和回转角的变化值，如Δα＝[-1；1；-1；1；1;1]，ΔT＝[-50;-50;-50;33.3;-50;-50]，根据此结果对各个推进器的推力与回转角度进行调节，从而实现在每个时间步长上的多个全回转推进器上的推力分配。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述例子的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种采用动态禁止角的动力定位推力分配装置进行推力分配的方法，该动力定位推力分配装置，包括一台实时控制计算机(1)和若干台分布在船体上的全回转推进器(4)，其特征在于，各全回转推进器(4)上分别安装有螺旋桨转速传感器(2)和全回转角度传感器(3)，所述的螺旋桨转速传感器(2)和全回转角度传感器(3)通过数据线分别与实时控制计算机(1)相连，其特征在于，该方法包括如下步骤： 

步骤1，在实时控制计算机中，将推力分配问题转化为二次规划问题，得到如下模型： 

T_min≤T₀+ΔT≤T_max

ΔT_min≤ΔT≤ΔT_max

α_min≤α₀+Δα≤α_max

Δα_min≤Δα≤Δα_max

其中：α₀,T₀分别为每步全回转推进器回转角和推力的初始值，在实时控制计算机中根据上一个时间步长中由螺旋桨转速传感器与全回转角度传感器提供的数据计算得到；τ为实时控制计算机发出的总推力和转矩向量；T_min,T_max分别为全回转推进器所能发出推力大小的下限和上限，在实时控制计算机中设置得到；ΔT_min,ΔT_max分别为全回转 推进器推力值变化速度的下限和上限，在实时控制计算机中设置得到；α_min,α_max分别为全回转推进器回转角的下限和上限，即排除禁止角区域的可行域，通过实时控制计算机的计算得到；Δα_min,Δα_max分别为全回转推进器回转角变化速度的下限和上限，为实时控制计算机中的设置值；W,Q,Ω为目标函数中的权重矩阵，ρ,ε为非零系数，均在实时控制计算机中设置； 

B(α)为全回转推进器的布置矩阵，其第i列为： 

其中α_i为第i个全回转推进器的回转角，(l_xi,l_yi)为第i个全回转推进器在随船坐标系下的水平面坐标值； 

步骤2，选择距离最接近、且前推进器螺旋桨产生的尾流会对后推进器的螺旋桨有直接影响的前后两个全回转推进器，在每一步由螺旋桨转速传感器得到其此时转速，然后根据前全回转推进器与后全回转推进器的转速比，更新前全回转推进器回转角的可行域上下限α_max,α_min； 

步骤3，将步骤2中更新的前全回转推进器回转角的可行域上下限α_max,α_min代入步骤1的二次规划问题模型中，求解得到每步计算的推力分配的松弛因子s，它代表推力分配结果与目标值的误差；以及各全回转推进器回转角的变化量Δα和全回转推进器推力的变化向量ΔT，即各全回转推进器上的用于下一个时间步长的推力分配指令。 

2.根据权利要求1所述的进行推力分配的方法，其特征在于，该步 骤2中更新可行区域的具体方法为： 

1)计算前后两个全回转推进器的转速比：由螺旋桨转速传感器得到每步初始时刻处于距离最接近、且前推进器螺旋桨产生的尾流会对后推进器的螺旋桨有直接影响的前后两个全回转推进器的转速n_f和n_a，然后由实时控制计算机计算转速比n_f/n_a； 

2)计算前桨禁止角大小：根据1)中转速比n_f/n_a，在实时控制计算机中的转速比与前桨禁止角的关系曲线中查到前桨禁止角大小； 

3)计算前全回转推进器回转角的可行域上下限：根据步骤2)所得前桨禁止角大小，在实时控制计算机中计算得到前推进器回转角的可行域上下限α_max,α_min。