CN110077525B - 一种船舶的双桨推进性能辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶的双桨推进性能辨识方法,建立螺旋桨输出性能函数关系,得到双桨推进性能输出关系,建立转速与转向速度的拟合函数关系r=k·n,其中k为拟合系数,直观反映螺旋桨的输出性能,利用双桨性能测试的拟合函数表达式中的拟合系数k表达双桨推进性能输出关系。本发明的有益效果是:本发明提出一种船舶的双桨推进性能辨识方法,准确、有效地反映螺旋桨的输出性能,得到双桨的推进性能关系,为航行控制提供可靠的参数依据,优化船舶的航行性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶的双桨推进性能辨识方法,属于船舶技术领域。
背景技术
现今,随着现代造船业与航运事业的发展,船舶的运动性能研究备受关注,而作为其主要驱动机构的螺旋桨性能将直接影响到船舶的航行性能。特别是在双桨及多桨的情况下,由于加工、安装等因素导致每个桨的推进性能可能与设计标准不相一致,在之后的操纵控制等实际应用时若以设计标准为参考进行,将可能导致船舶的航行与预先设想不同,甚至可能出现震荡厉害等危险现象,影响对船舶的运动控制以及船舶自身的安全性。因此,了解船舶各个螺旋桨之间的推进性能输出关系是必要的。
目前人们对于螺旋桨的性能关注大多在于:采用螺旋桨的敞水试验进行单个螺旋桨的性能测定以及研究如桨距比、盘面直径等相关参数与螺旋桨推进性能之间的关系这两方面,对于桨与桨之间的性能关系研究较少。但对于实际已建造完成的船舶,其性能已基本确定,并且与预先设计研究的性能往往无法达到完全的一致,加工的误差等不可控原因都有可能影响到螺旋桨的推进性能。并且对于采用双桨形式的船舶,不仅单桨性能,两个桨的性能关系对人们进行船舶航行性能的预报有着很大影响,所以相较于单个螺旋桨的性能研究,双桨之间的推进性能辨识是目前尚待解决的问题。
发明内容
针对现有技术上存在的不足,本发明的目的在于提出一种船舶的双桨推进性能辨识方法,准确、有效地反映螺旋桨的输出性能,得到双桨的推进性能关系,为航行控制提供可靠的参数依据,优化船舶的航行性能。
为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:
一种船舶的双桨推进性能辨识方法,建立螺旋桨输出性能函数关系,得到双桨推进性能输出关系,具体为:
首先,根据船舶转艏向的操纵性方程其中A、B、C、D、E、F皆为船舶的水动力参数,为水动力常数,A为转向惯性系数,B为转向阻力系数,C为转向与前进的耦合阻力系数,D为转向与侧移的耦合阻力系数,E为前进与侧移耦合的转向系数,F为侧移的耦合转向系数,为转向加速度,r为转向速度,u、v为船舶轴向与横向速度,MT为转向力矩,得到转向力矩与转向速度的平方成一定比例;
其次,由于转向力矩与转速理论上的函数关系为Q=ρ·D5·n2·KQ、T=ρ·D4·n2·KT,其中Q为转向力矩,T为推力,ρ为螺旋桨材料密度,D为螺旋桨盘面半径,n为转速,KQ、KT分别为转矩系数和推力系数,因此推测转向速度与转速成正比关系;
再次,建立转速与转向速度的拟合函数关系r=k·n,其中k为拟合系数,直观反映螺旋桨的输出性能,利用双桨性能测试的拟合函数表达式中的拟合系数k表达双桨推进性能输出关系。
上述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,具体包括以下步骤:
步骤一:保持右螺旋桨静止,若干次调整左螺旋桨转速,通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤二:保持左螺旋桨静止,若干次调整右螺旋桨转速,通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤三:若干次同时调整左右螺旋桨至相同转速,通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤四:对所述步骤一至步骤三中得到的船舶转向速度数据进行滤波处理;
步骤五:将不同状态下的各组螺旋桨转速及所述步骤四中进行滤波处理后的对应的船舶转向速度进行线性关系拟合,并得到拟合优度作为下一步骤判断依据,所述不同状态包括左推正车、左推倒车、右推倒车、右推正车、左正右倒、左倒右正这6个状态;
步骤六:若满足|1-R2|≤ε,则将拟合的线性函数的系数k视为该状态下该螺旋桨的性能输出系数K;R2为拟合优度,R2通过线性拟合程序能够自动得到,用数学表达式表示为:回归平方和+残差平方和;ε为精度参数;
步骤七:若不满足|1-R2|≤ε,则进行判断原因;若由误差点引起则将其剔除后,返回步骤五;若整体数据分散,则返回前三个步骤中对应的试验阶段;
步骤八:将左右螺旋桨的单桨试验结果K左正、K左倒、K右正、K右倒分别与左右螺旋桨在双桨试验下的结果K左正右倒、K左倒右正、K左倒右正、K左正右倒进行平均得到双桨正车与倒车状态下的最终推进性能系数;其中,K左正为在仅左推转动,且左推为正车情况下得到的左桨的性能输出系数;K左倒为在仅左推转动,且左推为倒车情况下得到的左桨的性能输出系数;K右正为在仅右推转动,且右推为正车情况下得到的右桨的性能输出系数;K右倒为在仅右推转动,且右推为倒车情况下得到的右桨的性能输出系数;K左正右倒为在左右推都转动,且左推为正车右推为倒车情况下得到的性能输出系数;K左倒右正为在左右推都转动,且左推为倒车右推为正车情况下得到的性能输出系数;
步骤九:由双桨在正车与倒车状态下的最终推进性能系数得到单桨正车、倒车以及双桨之间的推进性能输出关系。
上述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,所述步骤一至三中得到的船舶转向速度是通过船舶上搭载的传感器GPS或罗盘得到的。
上述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,所述传感器为GPS传感器或罗盘。
上述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,所述步骤四中的滤波处理采用滑动平均滤波方法。
上述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,所述步骤五中线性关系拟合采用最小二乘法原则。
上述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,能够根据对辨识精度的要求调整所述精度参数ε值。
上述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,所述精度参数ε取值0.01。
本发明的有益效果为:
(1)本发明的双桨推进性能辨识方法为已建造完成的船舶的双桨推进性能与设计标准可能存在出入,且误差无法得知这一问题提供了有效的解决方法;在优化船舶运动控制方面上为运动参数的修正提供有效依据,且技术有效、可靠;
(2)本发明中的双桨推进系统输出性能辨识试验的结果为无人船的PID控制算法中控制权系数的修改提供了宝贵的参考,在实际航行控制中,其结果表明调整之后大大改善了原先存在的转向波动较大的问题,验证了本发明的辨识效果及可靠性;
(3)本发明直观简易,便于实现,具体表现为提供的辨识方法所需的数据来源于对三种状态下的船舶运动参数的数据记录,通过函数关系直观反映螺旋桨性能输出,并且后续的辨识只需简易的运算,操作简单,无需花费太多人力物力成本,且过程不存在误差,较容易实现;
(4)本发明能够推广至任一以螺旋桨为载体推进器的航行器及其他运输工具,也可为其它推进系统提供性能辨识的思路,应用广泛。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明:
图1为本发明中转向速度与转速的函数关系检验图;
图2为本发明中不同状态下转向速度与转速的拟合函数关系图;
图3为本发明辨别方法的流程图。
具体实施方式
为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,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
如图1至图3所示,本发明的双桨推进性能辨识方法,建立螺旋桨输出性能函数关系,得到双桨推进性能输出关系,一般而言,螺旋桨的推力、桨距比等均是研究其性能的重要参数,但在进行船舶运动控制时的控制量一般为双桨的转速,而船舶操纵稳定性的直观反馈是转向速度。因此,建立两者的函数关系可直观反映出螺旋桨的输出性能。
推进性能辨识采用在无其它外界环境干扰项存在的静水条件下仅给左推进器转速、仅给右推进器转速、左右推进器正车/倒车三种运动工况下转向速度达到稳定时的试验数据,此时转向加速度与船舶速度均为零,
首先,根据船舶转艏向的操纵性方程其中A、B、C、D、E、F皆为船舶的水动力参数,为水动力常数,A为转向惯性系数,B为转向阻力系数,C为转向与前进的耦合阻力系数,D为转向与侧移的耦合阻力系数,E为前进与侧移耦合的转向系数,F为侧移的耦合转向系数,为转向加速度,r为转向速度,u、v为船舶轴向与横向速度,MT为转向力矩,得到转向力矩即推力与转向速度的平方成一定比例;
其次,由于转向力矩与转速理论上的函数关系为Q=ρ·D5·n2·KQ、T=ρ·D4·n2·KT,其中Q为转向力矩,T为推力,ρ为螺旋桨材料密度,D为螺旋桨盘面半径,n为转速,KQ、KT分别为转矩系数和推力系数,因此推测转向速度与转速成正比关系;
再次,通过对无人船双桨进行试验得到数据绘制两者的关系图进行检验,发现基本符合正比例关系,拟合线性度接近于1,说明实际与理论吻合,检验结果图见图1;所以,能够建立转速与转向速度的拟合函数关系r=k·n,其中k为拟合系数,直观反映螺旋桨的输出性能,利用双桨性能测试的拟合函数表达式中的拟合系数k表达双桨推进性能输出关系。
本发明的推进性能辨识方法具体步骤如下:
步骤一:保持右螺旋桨静止,若干次调整左螺旋桨转速,通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤二:保持左螺旋桨静止,若干次调整右螺旋桨转速,通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤三:若干次同时调整左右螺旋桨(即双桨)至相同转速(此以双桨反转的情况为例,若为双桨同转则调整双桨至相反转速),通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤四:对进行辨识的转向速度数据进行滤波处理;
步骤五:将不同状态下的各组螺旋桨转速及初步处理后的对应的船舶转向速度进行线性关系拟合,并得到拟合优度作为下一步骤判断依据;
步骤六:若满足|1-R2|≤ε,则将拟合的线性函数的系数k视为该状态下该螺旋桨的性能输出系数K;其中,R2为拟合优度,ε为精度参数,R2通过线性拟合程序可自动得到,用数学表达式表示为:回归平方和+残差平方和;
步骤七:若不满足|1-R2|≤ε,则进行判断原因;若由误差点引起则将其剔除后,返回步骤五;若整体数据分散,则返回前三个步骤中对应的试验阶段;
步骤八:将左右螺旋桨的单桨试验结果K左正、K左倒、K右正、K右倒分别与左右螺旋桨在双桨试验下的结果K左正右倒、K左倒右正、K左倒右正、K左正右倒进行平均得到双桨正车与倒车状态下的最终推进性能系数;
步骤九:由双桨在正车与倒车状态下的最终推进性能系数得到单桨正车、倒车以及双桨之间的推进性能输出关系。
如图2所示,根据转向速度与转速成正比关系,假设两者拟合表达式为r=k*n,为拟合得到性能输出系数,通过试验获取多组数据其中m为数据组数,因此,根据最小二乘法原则可得到k的估计值当时,残差平方和函数S(k)=||n·k-r||2取最小值。
进一步地,步骤一至三中得到的船舶转向速度是通过船舶上搭载的传感器GPS或罗盘得到的;优选,传感器为GPS传感器或罗盘。
进一步地,步骤四中的滤波处理采用滑动平均滤波方法,对船舶转向控制时横摇现象的干扰有良好的抑制作用,平滑度高,易于得到稳定段转向速度。
进一步地,步骤五中线性关系拟合采用最小二乘法原则。
进一步地,能够根据对辨识精度的要求调整精度参数ε值,根据已验证试验取值0.01。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种船舶的双桨推进性能辨识方法,其特征在于:建立螺旋桨输出性能函数关系,得到双桨推进性能输出关系,具体为:
首先,根据船舶转艏向的操纵性方程其中A、B、C、D、E、F皆为船舶的水动力参数,为水动力常数,A为转向惯性系数,B为转向阻力系数,C为转向与前进的耦合阻力系数,D为转向与侧移的耦合阻力系数,E为前进与侧移耦合的转向系数,F为侧移的耦合转向系数,为转向加速度,r为转向速度,u、v为船舶轴向与横向速度,MT为转向力矩,得到转向力矩与转向速度的平方成一定比例;
其次,由于转向力矩与转速理论上的函数关系为Q=ρ·D5·n2·KQ、推力与转速理论上的函数关系为T=ρ·D4·n2·KT,其中Q为转向力矩,T为推力,ρ为螺旋桨材料密度,D为螺旋桨盘面半径,n为转速,KQ、KT分别为转矩系数和推力系数,因此推测转向速度与转速成正比关系;
再次,建立转速与转向速度的拟合函数关系r=k·n,其中k为拟合系数,反映螺旋桨的输出性能,利用双桨性能测试的拟合函数表达式中的拟合系数k表达双桨推进性能输出关系。
2.根据权利要求1所述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤一:保持右螺旋桨静止,若干次调整左螺旋桨转速,通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤二:保持左螺旋桨静止,若干次调整右螺旋桨转速,通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤三:若干次同时调整左右螺旋桨至相同转速,通过主控电脑程序得到每次转速对应的船舶转向速度;
步骤四:对所述步骤一至步骤三中得到的船舶转向速度数据进行滤波处理;
步骤五:将不同状态下的各组螺旋桨转速及所述步骤四中进行滤波处理后的对应的船舶转向速度进行线性关系拟合,并得到拟合优度作为下一步骤判断依据,所述不同状态包括左推正车、左推倒车、右推倒车、右推正车、左正右倒、左倒右正这6个状态;
步骤六:若满足|1-R2|≤ε,则将拟合的线性函数的系数k视为该状态下该螺旋桨的性能输出系数K;R2为拟合优度,ε为精度参数;
步骤七:若不满足|1-R2|≤ε,则进行判断原因;若由误差点引起则将其剔除后,返回步骤五;若整体数据分散,则返回前三个步骤中对应的试验阶段;
步骤八:将左右螺旋桨的单桨试验结果K左正、K左倒、K右正、K右倒分别与左右螺旋桨在双桨试验下的结果K左正右倒、K左倒右正、K左倒右正、K左正右倒进行平均得到双桨正车与倒车状态下的最终推进性能系数;其中,K左正为在仅左推转动,且左推为正车情况下得到的左螺旋桨的性能输出系数;K左倒为在仅左推转动,且左推为倒车情况下得到的左螺旋桨的性能输出系数;K右正为在仅右推转动,且右推为正车情况下得到的右螺旋桨的性能输出系数;K右倒为在仅右推转动,且右推为倒车情况下得到的右螺旋桨的性能输出系数;K左正右倒为在左右推都转动,且左推为正车右推为倒车情况下得到的性能输出系数;K左倒右正为在左右推都转动,且左推为倒车右推为正车情况下得到的性能输出系数;
步骤九:由双桨在正车与倒车状态下的最终推进性能系数得到单桨正车、倒车以及双桨之间的推进性能输出关系。
3.根据权利要求2所述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,其特征在于:所述步骤一至三中得到的船舶转向速度是通过船舶上搭载的传感器得到的,所述传感器为GPS传感器或罗盘。
4.根据权利要求2所述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,其特征在于:所述步骤四中的滤波处理采用滑动平均滤波方法。
5.根据权利要求2所述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,其特征在于:所述步骤五中线性关系拟合采用最小二乘法原则。
6.根据权利要求2所述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,其特征在于:能够根据对辨识精度的要求调整所述精度参数ε值。
7.根据权利要求6所述的一种船舶的双桨推进性能辨识方法,其特征在于:所述精度参数ε取值0.01。
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