CN103129729A - 一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法。本发明属于精确疏浚技术领域。一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法，其特点是：动力定位系统控制的是纵荡、横荡和艏摇三个自由度运动，寻优过程：1）建立动力定位系统推力分配的模型；2）建立目标函数和限制条件；求解非线性方程组的最优化，即在约束条件下从期望控制量到各个执行机构控制指令的非线性映射过程；3）推进器的正向扇形推力区域，再分子域，在每一个子域里寻找解；4）应用上述的推力分配控制策略，比较哪一种情况其目标函数最小，即为推力分配的最优方案，求出桨舵组合和侧推的扩展推力。本发明具有精度高，机动性强，方法简便，实用性好，应用范围广等优点。

Description

一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法

技术领域

本发明属于精确疏浚技术领域，特别是涉及一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法。

背景技术

目前，耙吸挖泥船的作业，在各个工况下有不同的定位要求，尤其是在挖泥等工况下，要求很高的定位精度以保证耙吸挖泥船的正常工作。动力定位系统有很高的定位精度，能保证耙吸挖泥船在作业时的精度要求。通常对“船用DP动力定位系统（Marine DynamicPositioning System）”的定义中，动力定位船舶系指仅用推力器的推力保持其自身位置（固定的位置或预先确定的轨迹）的船舶。动力定位系统系指使动力定位船舶实现动力定位所必需的一整套系统，包括下列分系统：动力系统、推进器系统、动力定位系统和测量系统。本发明涉及的推进器系统的推力分配问题，推力分配(Control Allocation,CA)是一个动态的非线性优化问题，通常是多约束、多目标的，它是在约束条件下从期望控制量到各个执行机构控制指令的非线性映射过程。

推力分配策略适应于低速运行或者定点定位的船舶，它们的推进器系统包含很多种推进器，包括全回转推进器、可调距螺旋桨、导管推进器、喷水推进器等。传统的耙吸挖泥船都是在船艉安装一个主推进器，再配备其它辅助推进器，例如导管式侧向推进器、全回转推进器、舵等。针对配备主推和舵联合作用的耙吸挖泥船的推力分配还没有完善的技术方案。

申请号为200610024587.5、名称为“一种船舶动力定位方法”的发明专利，提供了一种船舶动力定位方法，使船舶能够实现定点定位、自动艏向、自动循迹航行、自动跟踪水下目标等。但是，执行定位的机构仅仅笼统给出是主推进器、舵机或者辅推进器，并未提供具体的构造和实现方法。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法。

本发明的目的是提供了一种解决配备有主推和舵联合作用的耙吸挖泥船的动力定位系统推力分配问题的策略，具有方法简便，实用性强，应用范围广等特点的挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法。

本发明旨在提出一种对主推和舵产生的非凸的推力区域的处理方法。本发明针对的对象是一具体的耙吸挖泥船，该船推力系统船艏配备一个导管型侧向推进器，船艉配备有两个主推进器和两个舵机。

本发明的重点就是对舵桨产生的推力区域的处理，将主推和桨看作一个整体来处理。舵在X轴方向产生的力叫做升力(Lift)，在Y轴方向产生的力叫做阻力(Drag)。当主推进器正车即产生正向的力时，推进器和舵联合作用，X轴和Y轴都产生作用，推力范围是一个关于X轴对称的扇形；当螺旋桨倒车即产生负向的力时，舵不产生作用，只有Y轴的阻力，故推力范围就是一条沿X轴的直线。因为在负的纵荡力方向没有横荡力作用，所以推进器自身可达到的推力范围就是非凸的。根据实验测得推进器和舵的在不同的舵角下升力、阻力与系泊状态下推力的百分比曲线。

由耙吸挖泥船的工作特性及其工作环境得知，其一般处于定点定位或者低速运行状态，所以动力定位系统控制的主要是三个自由度运动，即只考虑纵荡、横荡和艏摇运动。控制器根据计算每个采样时刻的位置和艏向偏差，得到推力分配问题的输入量，即水平方向上推力指令和艏摇力矩指令。

本发明挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法所采取的技术方案是：

一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法，其特征是：动力定位系统推力分配的寻优时，动力定位系统控制的是纵荡、横荡和艏摇三个自由度运动，控制器根据计算每个采样时刻的位置和艏向偏差，得到推力分配的输入量，即水平方向上推力指令和艏摇力矩指令；动力定位系统推力分配的寻优过程，包括以下步骤：

1）建立动力定位系统推力分配的模型，令推力指令τ=[X,Y,N]^T∈□³，则τ=Bu

其中，u=[X₁,Y₁,X₂,Y₂,Y₃]^T

$B=\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1& 1\\ -l_{1,y}& l_{1,x}& -l_{2,y}& l_{2,x}& l_{3,x}\end{array}\right].$

X、Y、N分别为耙吸挖泥船受到的纵向、横向、艏摇方向的力和力矩，τ为推力，X₁ 1组桨舵联合产生的纵向力、Y₁ 1组桨舵联合产生的横向力、X₂ 2组桨舵联合产生的纵向力、Y₂ 2组桨舵联合产生的横向力、Y₃为侧推产生的横向力；

2）建立目标函数和限制条件；求解非线性方程组的最优化，即在约束条件下从期望控制量到各个执行机构控制指令的非线性映射过程；推力分配的目标是找到一个控制策略u，这个推力矢量u需要满足它必须是在推力范围内的，并且在可行解范围内是目标函数的最优解，同时要满足每个推进器的限制条件：

J(u,s)=u^THu+s^TQs+(u-u₀)^TM(u-u₀)

其中Q>>W>0.约束条件为

s.t.Bu=τ+s,

-εX_K≤Y_K-Y_K,0≤εX_K  ifX_K>0

-∞<s<+∞.

3）推进器的正向扇形推力区域近似看成无限多个小扇形组成，推力区域再分子域，在每一个子域里寻找解；

4）应用上述的推力分配控制策略，比较哪一种情况其目标函数最小，即为推力分配的最优方案，求出桨舵组合和侧推的扩展推力。

本发明挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法还可以采用如下技术方案：

所述的挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法，其特点是：推力区域再分子域时，耙吸挖泥船配备2对主推和舵的组合，其推力区域分为4个子域，即将它们分为所有的正、负方向的纵荡力组合，在每一个子域里包含的推力区域都是凸集；应用序列二次规划算法，分别在上述四种情况下分别在解的空间内得到推力分配的最优解；最后求得最优解后，得到两个桨舵组合和侧推的扩展推力。

本发明具有的优点和积极效果是：

挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明提供了一种解决配备有主推和舵联合作用的耙吸挖泥船的动力定位系统推力分配问题的策略，本发明重点是对舵桨产生的推力区域的处理，将主推和桨看作一个整体来处理，很好地解决了桨舵组合在动力定位系统中推力分配优化问题；具有精度高，机动性强，方法简便，实用性好，应用范围广等优点。

附图说明

图1是本发明动力定位推力系统的俯视平面示意图；

图2是主推进器/舵在X轴和Y轴产生的推力分析；

图3是一组主推进器/舵的推力区域；

图4是扇形推力区域的处理方法；

图5是约束型推力分配策略流程图；

图6（图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f）是在给定三个自由度上的力和力矩，优化后得到的两个桨舵组合和侧推的扩展推力。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1

一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法，动力定位系统控制的是纵荡、横荡和艏摇三个自由度运动，控制器根据计算每个采样时刻的位置和艏向偏差，得到推力分配的输入量，即水平方向上推力指令和艏摇力矩指令。动力定位系统推力分配的寻优过程，详细描述如下：

参阅附图1至图6。

图1为耙吸挖泥船推进器布置的俯视平面示意图。动力定位推力系统包括船艏的导管型侧向推进器1和船艉的主推进器2、3，舵机4、5。侧向推进器产生的推力为T₁，其只在Y轴方向有作用力，主推进器2和舵机4产生的推力为T₂，主推进器3和舵机5产生的推力为T₃。T₂、T₃的推力区域如图3所示，在X轴的正方向是一个关于X轴对称的扇形区域，而在X轴的负方向是一条沿X轴的直线。

步骤1.按照图1中耙吸挖泥船推进器布置，建立动力定位系统推力分配模型，令推力指令τ=[X,Y,N]^T∈□³，则

τ=Bu

其中，u=[X₁,Y₁，X₂,Y₂,Y₃]^T

$B=\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1& 1\\ -l_{1,y}& l_{1,x}& -l_{2,y}& l_{2,x}& l_{3,x}\end{array}\right].$

X₁,Y₁,X₂,Y₂,Y₃为待求解，推力τ为已知量，

[-l_1，yl_1,x-l_2,yl_2,xl_3,x]=[5.2-72-5.2-7264]

步骤2.建立目标函数和限制条件。

J(u,s)=u^THus^TQs+(u-u₀)^TM(u-u₀)

其中Q>>W>0.约束条件为

s.t.Bu=τ+s,

-εX_K≤Y_K-Y_K,0≤εX_K  ifX_K>0

-∞<s<+.

其中目标函数中的常量矩阵为

M=diag(10,0,10,0,10),

H=diag(1,1,1,1,5),

Q=diag(10³,10³,10⁴).

舵角的限制范围为±35°，转速的限制范围为[-26,35],[0,18]。

步骤3.推进器的正向扇形推力区域近似看成无限多个小扇形组成，如图4所示的推力区域，将其分为2²=4个子域，在每一个子域里寻找解。

步骤4.如图5所示，应用上述的推力分配策略，比较四种情况下哪一种情况其目标函数最小，即为推力分配的最优方案，求出两个桨舵组合和侧推的扩展推力。

Claims (2)

1.一种挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法，其特征是：动力定位系统推力分配的寻优时，动力定位系统控制的是纵荡、横荡和艏摇三个自由度运动，控制器根据计算每个采样时刻的位置和艏向偏差，得到推力分配的输入量，即水平方向上推力指令和艏摇力矩指令；动力定位系统推力分配的寻优过程，包括以下步骤：

1）建立动力定位系统推力分配的模型，令推力指令τ=[X,Y,N]^l∈□³，则τ=Bu

其中，u=[X₁,Y₁,X₂,Y₂,Y₃]^T

$B=\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1& 1\\ -l_{1,y}& l_{1,x}& -l_{2,y}& l_{2,x}& l_{3,x}\end{array}\right].$

X、Y、N分别为耙吸挖泥船受到的纵向、横向、艏摇方向的力和力矩，τ为推力，X₁ 1组桨舵联合产生的纵向力、Y₁ 1组桨舵联合产生的横向力、X₂ 2组桨舵联合产生的纵向力、Y₂ 2组桨舵联合产生的横向力、Y₃为侧推产生的横向力；

2）建立目标函数和限制条件；求解非线性方程组的最优化，即在约束条件下从期望控制量到各个执行机构控制指令的非线性映射过程；推力分配的目标是找到一个控制策略u，这个推力矢量u需要满足它必须是在推力范围内的，并且在可行解范围内是目标函数的最优解，同时要满足每个推进器的限制条件：

J(u,s)=u^THu+s^TQs+(u-u₀)^TM(u-u₀)

其中Q>>W>0.约束条件为

s.t.Bu=τ+s,

-εX_K≤Yx-Y_K,0≤εX_K  ifX_K>0

-∞<s<+∞.

3）推进器的正向扇形推力区域近似看成无限多个小扇形组成，推力区域再分子域，在每一个子域里寻找解；

4）应用上述的推力分配控制策略，比较哪一种情况其目标函数最小，即为推力分配的最优方案，求出桨舵组合和侧推的扩展推力。

2.根据权利要求1所述的挖泥船动力定位系统推力分配的寻优方法，其特征是：推力区域再分子域时，耙吸挖泥船配备2对主推和舵的组合，其推力区域分为4个子域，即将它们分为所有的正、负方向的纵荡力组合，在每一个子域里包含的推力区域都是凸集；应用序列二次规划算法，分别在上述四种情况下分别在解的空间内得到推力分配的最优解；最后求得最优解后，得到两个桨舵组合和侧推的扩展推力。

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