一種船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法。包括如下步驟：步驟一：推進器推進角的確定；步驟二：求取結(jié)構(gòu)矩陣；步驟三：偽逆算法求推力分配；步驟四：推力限幅確定。本發(fā)明實現(xiàn)了船舶及石油平臺動力定位推力分配的快速性，穩(wěn)定性，高效性，是一種方便實用的船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法。
【專利說明】一種船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法，特別是一種水面船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的多螺旋槳推力分配方法，屬于船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法的創(chuàng)新技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]針對船舶/石油平臺平面定位的需要，采用多組螺旋槳推力以消除船舶/石油平臺上受到的海風、海浪、海流的影響，使船舶/石油平臺等按預定的位置、航向、軌跡、速度保持姿態(tài)。船舶/石油平臺動力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，它是通過推進器提供的推力，使海洋結(jié)構(gòu)物在海上保持一定的位置和艏向角的一種先進的定位系統(tǒng)。它的基本原理是通過獲得海洋結(jié)構(gòu)物的位置誤差數(shù)據(jù)，由控制器計算出抗拒環(huán)境干擾所需的推力和轉(zhuǎn)矩，并通過推力系統(tǒng)的實現(xiàn)，以此達到消除位置誤差的目的。此動力定位系統(tǒng)一般由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和推力系統(tǒng)組成。推力系統(tǒng)是船舶動力定位系統(tǒng)的一個重要組成部分，作為船舶動力定位系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其作用是提供控制系統(tǒng)所需要的推力和力矩，用來滿足定位的需要，推力系統(tǒng)主要由發(fā)電機組、輸電設(shè)備、推進器等組成。推進器一般來說是指螺旋槳，應(yīng)用比較廣泛的是槽道式推進器，全回轉(zhuǎn)推進器和吊艙推進器。
[0003]偽逆算法是動力定位工程應(yīng)用中普遍采用的方法，這種算法無需多次進行迭代計算，方法簡單，但無法解決推進角及禁區(qū)角問題?，F(xiàn)有的技術(shù)當中，有利用蟻群算法、遺傳算法、二次序列規(guī)劃算法等來解決推力分配最優(yōu)解問題，但這些算法需要多次迭代，計算時間長，不易用于船舶/石油平臺的實時操作控制中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種實現(xiàn)了船舶及石油平臺動力定位推力分配的快速性，穩(wěn)定性，高效性的船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明的船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法，包括如下步驟:步驟一:推進器推進角的確定；步驟二:求取結(jié)構(gòu)矩陣；步驟三:偽逆算法求推力分配；步驟四:推力限幅確定。
[0006]本發(fā)明針對可調(diào)節(jié)的帶方向角約束的多螺旋槳的推進角度計算問題和各螺旋槳的推力分配問題，即帶約束的多參數(shù)的快速最優(yōu)解的求解問題，本發(fā)明提出先分配到推進角方法，實現(xiàn)推力方向角的快速跟蹤和推力的高效性；再分配到推力的方法，采用偽逆算法實現(xiàn)不同推進能力的螺旋槳的協(xié)調(diào)工作，有效的避免了相鄰近的推進器之間推力干擾引起的推力衰減問題，解決了其他算法中的多奇異值問題，多次迭代計算問題，克服了收斂時間長的缺點，實現(xiàn)了船舶/石油平臺動力定位推力分配計算的快速性，穩(wěn)定性，高效性，易于在船舶、石油平臺上實現(xiàn)。本發(fā)明是一種方便實用的船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為船舶/石油平臺推進器分布與推進角度示意圖；
[0008]圖2為船舶/石油平臺推進器間距與偏差角關(guān)系圖；
[0009]圖3為船舶/石油平臺動力定位系統(tǒng)推力分配程序框圖；
[0010]圖4為推力分配結(jié)果對比仿真圖；
[0011]圖5為各螺旋槳推力分配結(jié)果仿真圖。

【具體實施方式】
[0012]實施例:
[0013]本發(fā)明船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法，包括如下步驟:
[0014]步驟一:推進器推進角的確定；
[0015]步驟二:求取結(jié)構(gòu)矩陣；
[0016]步驟三:偽逆算法求推力分配；
[0017]步驟四:推力限幅確定。
[0018]上述步驟一推進器推進角的確定方法如下:
[0019]I)計算全回轉(zhuǎn)推進器的期望推進方向的方向角α
[0020]取船舶所受合力的方向角作為全回轉(zhuǎn)推進器期望推進方向的方向角α，以下稱推進器推進角，則全回轉(zhuǎn)推進器推進角α為:

【權(quán)利要求】
1.一種船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一:推進器推進角的確定； 步驟二:求取結(jié)構(gòu)矩陣； 步驟三:偽逆算法求推力分配； 步驟四:推力限幅確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法，其特征在于上述步驟一推進器推進角的確定方法如下: 1)計算全回轉(zhuǎn)推進器的期望推進方向的方向角α 取船舶所受合力的方向角作為全回轉(zhuǎn)推進器期望推進方向的方向角α，以下稱推進器推進角，則全回轉(zhuǎn)推進器推進角α為:
定義τ = [FU，F(xiàn)V，NZ]T，F(xiàn)U，F(xiàn)V，NZ分別為船舶在縱蕩、橫蕩和艏搖三個方向上的所受合力(矩)，α以船頭正前方為零度，順時針增加，一周為360° ；FU, Fv, Nz的正方向分別為船頭正前方，船體正右側(cè)，順時針方向； 2)全回轉(zhuǎn)推進器推進角α的優(yōu)化 本發(fā)明中的推進器推進角度的計算方法和偽逆算法，能實現(xiàn)對連續(xù)變化的給定信號的快速跟蹤，如果期望推進器推進角α和當前時刻α’之差滿足下式:
代替α ； 3)確定兩個相鄰的全回轉(zhuǎn)推進器推進角 如果兩個相鄰的全回轉(zhuǎn)推進器i和j不滿足合理間距屯」>2 (D.+Dj)，引入推進器偏差角Δ a u，用于解決兩個相近的全回轉(zhuǎn)螺旋槳之間產(chǎn)生的推力干擾問題，Di^Dj分別為第1、第j個推進器的直徑，則推進器推進角滿足:
其中α 1、α j分別為第1、第j個推進器的推進角；推進器偏差角Λ a 滿足:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法，其特征在于上述步驟二求取結(jié)構(gòu)矩陣的方法是: 定義τ = Α(α )f，f = [fp…，fp, ，…，表示第i個推進器的推力；A為結(jié)構(gòu)矩陣，由推進器的類型、位置分布以及推進器角度得到:
其中，Lix, Liy分別代表第i個推進器在縱蕩方向和橫蕩方向的力臂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法，其特征在于上述步驟三偽逆算法求推力分配的方法是:根據(jù)優(yōu)化的目標函數(shù):mjnw = n|n.m ?以及約束條件:S.t.τ =Α(α).?.，求解推力f，其中W為權(quán)重矩陣，定義推力的拉格朗日函數(shù)為:
L (f, λ ) = fTfff + λ T ( τ -A ( a ) f) (1.6) 推力的拉格朗日函數(shù)對變量f求導:
由局部最優(yōu)定理可知: f = (ff+ffT) -1A ( a )Τ λ (1.9) (W+WT)T>0時，u取最小值，其中W+WT為奇異矩陣，且Wn>0 (i = 1...η)，由邊界條件可知:
τ = A(a )f = A(a ) (ff+ffT) -1A ( a )Τ λ
(2.0) 從而得到:
λ = (A(a) (ff+ffT)^A(a)T)_1 τ
(2.1) 代入上式，可得推力:
f = (ff+ffT) ^1A ( a )T (A ( a ) (ff+ffT) ^1A ( a )T) -1 τ
(2.2) 如果Α(α 存在，由式(2.2)，得
f = (ff+ffT)_1A(a )T(A(a )T)^ (ff+ffT)A(a )^1 τ = A ( a ) τ
(2.3) 即，當Α(α)奇異矩陣時，(2.2)式可實現(xiàn)推力的逆分配，然而結(jié)構(gòu)矩陣AU) —般為非奇異矩陣，因此我們利用W+WT實現(xiàn)推力的偽逆分配； 當W古I (I為單位矩陣)，(2.2)式為帶權(quán)重的偽逆推力分配算法；當W = I，為等價或者無權(quán)重的偽逆推力分配算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶及石油平臺動力定位系統(tǒng)的推力分配方法，其特征在于上述步驟四推力限幅的確定方法是:判斷推進器推力f是否超過邊界值，如果有推進器推力超出此推進器推力的邊界值，則取此邊界值作為此推進器的輸出，實現(xiàn)推力分配。
【文檔編號】G05B13/04GK104133374SQ201410348488
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】王欽若, 羅巖, 班勃, 陳哲川, 葉寶玉 申請人:廣東工業(yè)大學