CN112947254A - 一种工程船的多推进器联合操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程船的多推进器联合操控方法，操作员根据当前船舶位置及航速，按照需求操纵摇杆，以摇杆作为模拟信号输入单元，发送横向推力或纵向推力或艏摇力矩指令到控制器；控制器对接收到的模拟信号进行转换处理，得到与推力及转矩要求对应的数值；控制器形成带有约束条件的最优控制问题，通过单片机进行优化算法计算，实现对最优控制问题的实时求解，控制器将求解结果转换为模拟信号，输出到各个推进器上，达到同步控制推进器方向和转速的目的。本发明利用优化算法在控制器上通过单片机求解优化控制问题，推进器执行控制器的指令，即可快速灵活的控制船舶的姿态，降低对操作员的要求，方便高效的同时控制各个推进器。

Description

一种工程船的多推进器联合操控方法

技术领域

本发明属于船舶推进器控制技术领域，特别是涉及一种工程船的多推进器联合操控方法。

背景技术

在传统的船舶上，通常配备固定螺旋桨(带舵)作为推进及操纵工具。

随着船舶作业工况日益丰富，对于船舶作业姿态及操纵性的要求越来越高。各种新型的推进器出现在船舶的推进配置中，如全回转推进器，吊舱推进器，以及横向布置的槽道推进器等。

推进器种类的增多意味着船舶驾驶操作员对各类推进器的工作方式有更深入的了解。

发明内容

同时，推进器的数量增多对各个推进器之间的协同操纵提出了更高的要求，单单依靠人的操控已难满足实际需求。

为了克服上述现有技术的不足，本发明专利提供了一种工程船的多推进器联合操控方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种工程船的多推进器联合操控方法，基于配置有一个三自由度摇杆、一个控制器和多个推进器的工程船，步骤为：

a)，操作员根据观察到的当前船舶位置及航速，按照需求操纵摇杆，以摇杆作为模拟信号输入单元，发送横向推力或纵向推力或艏摇力矩指令到控制器：摇杆横向增益代表船舶横荡方向推力要求，摇杆纵向增益代表船舶纵荡方向推力要求，摇杆旋钮增益代表船舶首向力矩要求；

b)，控制器对接收到的模拟信号进行相应的转换处理，得到与推力及转矩要求对应的数值；

c)，控制器基于考虑推进器的角度变化率、推力变化率、推力大小限制、推进器推力禁区等限制条件，以满足推进器系统最优能耗和推力及角度最佳分配为目标，形成带有约束条件的最优控制问题：

基于能量最优原则建立推力优化分配目标函数

min(u^TWu+s^TQs)，

其中u为推进器推力，s∈R^3×1代表了控制力和力矩与分配力和力矩之间的偏差，W、Q为配置矩阵，需满足如下约束条件：

s＝τ-Bu

Au＜b，

其中B为推进器角度形成的常数矩阵，A，b为不等式约束条件形成的常数矩阵；

d)，控制器将步骤b)的数值作为控制优化算法的输入通过单片机进行优化算法计算，保证求解的实时性，在控制器上实现优化算法对最优控制问题的求解；

e)，控制器将优化算法的求解结果通过控制器转换为模拟信号，合理分配推力及方向输出到各个推进器上，达到同步控制推进器方向和转速的目的。

其中所述步骤c)中的目标函数添加限制推进器旋转的速率的角度约束项和奇异矩阵避免项后得到如下函数：

其中α代表推进器的角度，对角度约束项和奇异矩阵避免项进行标准二次化处理得到如下标准二次函数：

从而将推力优化分配问题转换一个带有线性约束的标准二次优化问题，利用二次规划有效集法进行求解，设置推力变化率和角度变化率的最小值为起始迭代点开始迭代计算。

其中，所述的工程船为相同类型的多艘。或者不同类型的多艘。

本发明专利中为了综合考虑操纵性能和能耗问题，采用三自由度摇杆进行给定输入信号，经过优化控制算法处理，实时给各个推进器分配推力(转速)输出指令，最终达到使船舶能按预定姿态进行各类操纵运动的目的；达到的有益效果是：

1，操控系统操纵简单，对人员要求较低；

2，操控系统的实时响应性能较好，可在线实时调整操控要求；

3，基于最优控制算法建立的控制分配能够有效的分配推力，减少能耗，提高经济性能。

附图说明

图1为本发明操控对象工程船的系统结构图；

图2为本发明操控方法的流程图；

图3为本发明三自由度摇杆的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与解决问题的有效性易于理解，结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

参照图1、图2和图3所示，本发明公开的一种基于一个三自由度摇杆、一个控制器和多个推进器的工程船的联合操控方法，步骤为

a)，操作员根据观察到的当前船舶位置及航速，按照需求操纵摇杆，以摇杆作为模拟信号输入单元，发送横向推力或纵向推力或艏摇力矩指令到控制器：摇杆横向增益代表船舶横荡方向推力要求，摇杆纵向增益代表船舶纵荡方向推力要求，摇杆旋钮增益代表船舶首向力矩要求。

b)，控制器对接收到的模拟信号进行相应的转换处理，得到的数值即为推力及转矩的要求，作为控制器优化算法的输入。

c)，控制器考虑推进器的角度变化率、推力变化率、推力大小限制、推进器推力禁区等限制条件，以满足推进器系统最优能耗和推力及角度最佳分配为目标，形成带有约束条件的最优控制问题。选用合适的优化算法，保证求解的实时性。

利用二次规划有效集法解决可变角度模式下的推力分配问题，一般推力优化分配目标函数基于能量最优原则建立，其基本的形式如下：

min(u^TWu+s^TQs)，

其中u为推进器推力，s∈R^3×1代表了控制力和力矩与分配力和力矩之间的偏差，W、Q为配置矩阵。

需满足如下约束条件：

s＝τ-Bu

Au＜b，

其中B为推进器角度形成的常数矩阵，A，b为不等式约束条件形成的常数矩阵。

在推进器数目较多时，为了避免推进器磨损和奇异矩阵的出现。目标函数在基于能量最优的原则上添加两项，一项为限制推进器旋转的速率的角度约束项，另一项为奇异矩阵避免项，其基本形式如下所示：

其中α代表推进器的角度，

包含有限制角度约束项和奇异矩阵避免项的目标函数为非标准的二次函数，无法直接利用二次规划法求解，需要对目标函数做一定的近似处理。考虑到奇异矩阵避免项中存在关于角度的特殊函数。尝试将各项进行标准二次化处理，成为标准二次函数。

d)，控制器根据步骤b)的数值作为控制优化算法的输入进行优化算法计算，保证求解的实时性，在控制器上通过单片机实现优化算法对最优控制问题的求解。

e)，控制器将优化算法的求解结果通过控制器转换为模拟信号，合理分配推力及方向输出到各个推进器上，达到同步控制推进器方向和转速的目的。推进器执行控制器的指令，即可快速灵活的控制船舶的姿态。充分考虑推进器各类约束条件，并以推进器的最优能耗和推进器作为控制目标。

本发明采用三自由度的操纵杆控制，分别实现对推力大小、方向以及力矩大小、方向的控制输入；本发明考虑到船舶的能耗优化目标，结合操纵约束条件及推进器的各类物理限制条件，以推进器的最优能耗和推进器作为控制目标，形成优化控制数学模型；本发明采用优化控制算法，将输入的控制要求，转换为推进器的推力(转速)的输出；本发明在单片机上进行优控制问题求解，输出给到各个推进器的指令。

本方法可以同时对多艘相同或不同的工程船进行操控所述的工程船为相同类型的多艘。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种工程船的多推进器联合操控方法，基于配置有一个三自由度摇杆、一个控制器和多个推进器的工程船，其特征在于：包括如下步骤

a)，根据当前船舶位置及航速，操纵摇杆，以摇杆作为模拟信号输入，发送横向推力或纵向推力或艏摇力矩指令到控制器：横向增益代表船舶横荡方向推力要求，纵向增益代表船舶纵荡方向推力要求，旋钮增益代表船舶首向力矩要求；

b)，控制器对接收到的模拟信号进行转换处理，得到与推力及转矩要求对应的数值；

c)，控制器基于包括推进器的角度变化率、推力变化率、推力大小限制、推进器推力禁区在内的限制条件，以满足推进器系统最优能耗和推力及角度最佳分配为目标，形成带有约束条件的最优控制：

基于能量最优原则建立推力优化分配目标函数

min(u^TWu+s^TQs)，

其中u为推进器推力，s∈R^3×1代表了控制力和力矩与分配力和力矩之间的偏差，W、Q为配置矩阵，需满足如下约束条件：

s＝τ-Bu

Au＜b，

其中B为推进器角度形成的常数矩阵，A，b为不等式约束条件形成的常数矩阵；

d)，控制器将步骤b)的数值作为输入通过单片机进行优化算法计算，实现对最优控制问题的实时求解；

e)，控制器将求解结果转换为模拟信号，输出到各个推进器上，达到同步控制推进器方向和转速的目的。

2.根据权利要求1所述的一种工程船的多推进器联合操控方法，其特征在于，所述步骤c)中的目标函数添加限制推进器旋转的速率的角度约束项和奇异矩阵避免项后得到如下函数：

其中α代表推进器的角度，对角度约束项和奇异矩阵避免项进行标准二次化处理得到如下标准二次函数：

从而将推力优化分配问题转换一个带有线性约束的标准二次优化问题，利用二次规划有效集法进行求解，设置推力变化率和角度变化率的最小值为起始迭代点开始迭代计算。

3.根据权利要求1或2所述的一种工程船的多推进器联合操控方法，其特征在于，所述的工程船为相同类型的多艘。

4.根据权利要求1或2所述的一种工程船的多推进器联合操控方法，其特征在于，所述的工程船为不同类型的多艘。

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