本發(fā)明屬于船舶螺旋槳的推力控制領(lǐng)域,尤其涉及一種船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法。

背景技術(shù)：

作為綜合全電力推進船舶的執(zhí)行機構(gòu)，螺旋槳推進器系統(tǒng)工作性能的好壞直接影響到船舶航速/航向控制系統(tǒng)的精度，甚至整船的安全性和可靠性。為此，綜合全電力推進船舶和動力定位船舶往往比常規(guī)船舶配備更多種類和數(shù)量的螺旋槳推進裝置，成為過驅(qū)動系統(tǒng)以保證船舶的全天候航行安全及遠洋能力，提高船舶的航行性能和機動性。

船上螺旋槳推進器數(shù)量的增多與新型推進設(shè)備的應(yīng)用無疑增加了船舶的可操縱性，但同時控制輸入的數(shù)量冗余、功能耦合也給電力推進船舶的控制分配帶來了新的課題。螺旋槳推力控制分配的結(jié)果直接關(guān)系著控制系統(tǒng)能否產(chǎn)生船舶運動控制器所期望的控制效果。而在現(xiàn)有的文獻和資料中,并沒有公開的電力推進船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠與船舶運動控制器分層設(shè)計的船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法，包括如下步驟：首先通過操控臺人機交互輸入船舶航速/航向期望值，然后與GPS/平臺羅經(jīng)測量的船舶航速/航向?qū)崪y值進行比較得到航速/航向偏差狀態(tài)量，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性原理根據(jù)航速/航向偏差狀態(tài)設(shè)計船舶運動控制器，并輸出期望的縱向、橫向合力與艏向力矩給控制分配器，控制分配器根據(jù)上層監(jiān)督控制器輸入的系統(tǒng)運行模式、海洋環(huán)境變化以及螺旋槳故障信息因素實時調(diào)整螺旋槳推力控制分配策略，將運動控制器輸出的期望合力/力矩分配給多個螺旋槳推進裝置以產(chǎn)生推力推進船舶運動，實現(xiàn)船舶的多槳協(xié)調(diào)控制。

所述的監(jiān)督控制器的輸入包括系統(tǒng)運行模式、人工輸入、外界環(huán)境變化和螺旋槳故障檢測信息，通過切換邏輯調(diào)整控制分配模式。

所述的下層控制分配器建立固定方向角模式、可變方向角模式和故障運行模式控制分配模式。

本發(fā)明的有益效果在于：該控制分配方法易于實現(xiàn),效率較高,可以方便的和高層運動控制器進行模塊化集成,共同實現(xiàn)對船舶多螺旋槳的協(xié)調(diào)控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖2為螺旋槳推進器多模切換控制分配的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖3為螺旋槳推進器監(jiān)督控制器的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖4為船舶四螺旋槳配置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法，首先通過上位機設(shè)定船舶航行的航速/航向期望值，并分別與GPS、平臺羅經(jīng)返回的船舶實際航速/航向值進行比較得到航速/航向偏差；運動控制器根據(jù)航速/航向偏差計算得到縱向、橫向合力與轉(zhuǎn)艏力矩，并發(fā)送給螺旋槳推力控制分配器，控制分配器根據(jù)上層監(jiān)督控制器輸入的系統(tǒng)運行模式、海洋環(huán)境變化以及螺旋槳故障信息等因素實時調(diào)整控制分配策略，將運動控制器輸出的期望合力/力矩分配給多個螺旋槳推進裝置以實現(xiàn)船舶的多槳協(xié)調(diào)控制。

所述的船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法采用軟件模塊化設(shè)計思想，將高層運動控制器與控制分配器進行分離設(shè)計，具體如下：

1、高層運動控制器設(shè)計

對船舶航速/航向偏差狀態(tài)控制律進行設(shè)計的控制方法包括PID控制方法、動態(tài)逆控制方法、反步法、H∞控制、LQR控制、特征配置控制方法、自抗擾方法等，其具體步驟如下：

步驟一：確定船舶的運動學(xué)方程和動力學(xué)方程；

步驟二：給定期望的船舶航速/航向跟蹤值，包括縱向速度和艏向角度/角速度值；

步驟三：計算船舶當(dāng)前航速/航向狀態(tài)與期望狀態(tài)的控制偏差值；

步驟四：利用李雅普諾夫穩(wěn)定性原理求得航速/航向偏差狀態(tài)控制律。

2、控制分配器設(shè)計

冗余螺旋槳推力控制分配器可以采用直接分配法、串接鏈法、廣義逆法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法等動態(tài)控制分配算法進行設(shè)計,其具體步驟如下：

步驟六：計算期望控制指令，包括縱向、橫向合力和艏向力矩期望值；

步驟七：考慮實際推進裝置所面臨的物理、機械和功率等約束條件，建立螺旋槳推進器的可行域；

步驟八：建立螺旋槳固定方向角模式、可變方向角模式和故障運行模式等多模式切換控制分配策略；

步驟九：將控制分配問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，確定優(yōu)化目標(biāo)、決策變量和權(quán)值矩陣；

步驟十：對上述目標(biāo)函數(shù)求解得到螺旋槳控制指令，以產(chǎn)生推力推進船舶運動。

本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明提供的船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法采用高層運動控制器與控制分配器模塊化設(shè)計思想，當(dāng)船上螺旋槳推進器的配置有所改變或者發(fā)生故障時，可以利用控制分配器進行控制重分配，而不需要重新設(shè)計運動控制器，這將大大降低船舶運動控制律的設(shè)計難度。

本發(fā)明提供的船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法基于多模切換理論建立上層監(jiān)督控制器，負責(zé)控制分配模式間的自動切換。監(jiān)督控制器的輸入包括系統(tǒng)運行模式、人工輸入、外界環(huán)境變化和螺旋槳故障檢測信息等。監(jiān)督器基于以上信息決定哪種控制分配模式最適合當(dāng)前系統(tǒng)的運行情況，然后通過切換邏輯調(diào)整控制分配模式。

本發(fā)明提供的船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法綜合考慮控制分配算法、系統(tǒng)運行模式、海洋環(huán)境條件以及螺旋槳推進器故障，下層控制分配器建立了固定方向角模式、可變方向角模式和故障運行模式等多種控制分配模式，有利于提高控制分配的靈活性和適應(yīng)性，滿足不同運行模式下的控制目標(biāo)，有效地改善了控制性能。

本發(fā)明提供的船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法原理簡單,操作方便,可靠性高，易于實現(xiàn)。

本發(fā)明提供一種船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法,其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先根據(jù)船舶實際航行和作業(yè)過程通過操控臺人機交互輸入船舶航速/航向期望值，然后與GPS/平臺羅經(jīng)測量的船舶航速/航向?qū)崪y值進行比較得到航速/航向偏差狀態(tài)量，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性原理根據(jù)航速/航向偏差狀態(tài)設(shè)計船舶運動控制器，并輸出期望的縱向、橫向合力與艏向力矩給控制分配器，控制分配器根據(jù)上層監(jiān)督控制器輸入的系統(tǒng)運行模式、海洋環(huán)境變化以及螺旋槳故障信息等因素實時調(diào)整控制分配策略，將運動控制器輸出的期望合力/力矩分配給多個螺旋槳推進裝置以產(chǎn)生推力推進船舶運動，實現(xiàn)船舶的多槳協(xié)調(diào)控制。

螺旋槳推力控制分配器采用基于監(jiān)督切換的多模式控制分配方法，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于監(jiān)督器的多模切換理論，建立了基于監(jiān)督器的螺旋槳推力控制分配切換結(jié)構(gòu)，上層的監(jiān)督控制器綜合考慮系統(tǒng)當(dāng)前的運行模式、外界風(fēng)、浪、流環(huán)境變化以及螺旋槳推進器的故障情況等因素進行控制分配器間的自動切換，考慮不同航速下系統(tǒng)運行模式與抵抗不同的海洋環(huán)境擾動對螺旋槳推進器性能有不同的需求，下層控制分配器建立了固定方向角模式、可變方向角模式和螺旋槳故障運行模式等多種控制分配策略，使帶有全回轉(zhuǎn)螺旋槳的推進器系統(tǒng)可以根據(jù)外界海況的變化和系統(tǒng)運行模式的改變靈活調(diào)整分配模式，提高推進器系統(tǒng)的應(yīng)用效率和設(shè)備運行域。

固定方向角分配模式要求所有全回轉(zhuǎn)推進器按某一固定的方向角工作，每個全回轉(zhuǎn)推進器的固定方向角預(yù)先進行設(shè)定。固定方向角螺旋槳控制分配的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，T為多個螺旋槳協(xié)調(diào)分配的輸出作用力；s為松弛變量，表示運動控制器輸出的期望合力/力矩與多螺旋槳推進系統(tǒng)實際所產(chǎn)生的合力/力矩的差值；ΔT為當(dāng)前推力指令與上一個采樣時刻推力的差值；J(T,s)為船舶多槳控制分配最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)；H、M、Q為對應(yīng)的非負權(quán)值矩陣；B表示冗余螺旋槳推進器系統(tǒng)的配置矩陣，為常數(shù)矩陣；τ_d為船舶運動控制器輸出的縱向、橫向合力與艏向力矩期望值；A為不等式約束矩陣；b為不等式約束向量；優(yōu)化目標(biāo)中第一項表示螺旋槳輸出的作用力要盡量小，即能量消耗最?。坏诙棻硎韭菪龢敵鐾屏Φ淖兓M量小，即執(zhí)行機構(gòu)的磨損指標(biāo)最??；第三項表示松弛變量要盡量小，即多槳協(xié)調(diào)控制分配的誤差要??；等式約束表示期望合力/力矩與螺旋槳實際輸出推力的關(guān)系，定義了控制變量的解空間；不等式約束表示螺旋槳輸出作用力的可行域，體現(xiàn)了對推進系統(tǒng)的位置和速率約束。

可變方向角分配模式下全回轉(zhuǎn)螺旋槳推進器自動改變推力方向角以產(chǎn)生期望的控制力和控制力矩，可以使螺旋槳推進器處于最佳工作效率，有效降低系統(tǒng)燃油消耗，節(jié)約成本。可變方向角螺旋槳控制分配的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，T_x,T_y分別為多個螺旋槳協(xié)調(diào)分配的縱向/橫向輸出作用力；ΔT_x，ΔT_y分別為當(dāng)前縱向/橫向推力指令與上一個采樣時刻對應(yīng)推力的差值；J(T_x,T_y,s)為船舶多槳控制分配最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)；H、M、Q為對應(yīng)的非負權(quán)值矩陣；B_c為冗余螺旋槳推進器系統(tǒng)的配置矩陣；τ_d為船舶運動控制器輸出的縱向、橫向合力與艏向力矩期望值；s為運動控制器輸出的期望合力/力矩與多螺旋槳推進系統(tǒng)實際所產(chǎn)生的合力/力矩的差值；A_c為不等式約束矩陣；b_c為不等式約束向量。

故障運行分配模式根據(jù)船舶運動控制器所產(chǎn)生的期望控制指令與螺旋槳推進器系統(tǒng)故障檢測與診斷所產(chǎn)生的推進器狀態(tài)信息來對剩余正常工作的螺旋槳推進器重新分配所期望的控制力與控制力矩，根據(jù)不同的故障模式以及故障的不同程度采用不同的故障容錯策略。其主要步驟如下：

1.當(dāng)某個螺旋槳推進器出現(xiàn)故障導(dǎo)致功能部分失效或完全失效時，可在當(dāng)前權(quán)值基礎(chǔ)上對故障螺旋槳的權(quán)系數(shù)施加相應(yīng)的懲罰作用，通過增大權(quán)系數(shù)來降低該故障螺旋槳的優(yōu)先使用等級，以限制故障螺旋槳的推力效用；

2.當(dāng)故障螺旋槳部分失效或完全失效時，可將螺旋槳系統(tǒng)配置矩陣中該故障螺旋槳對應(yīng)的列向量置零，使得失效的螺旋槳推進器不參與控制分配；對于全回轉(zhuǎn)螺旋槳，如果只是由于機械故障而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)機構(gòu)失效，可通過修改螺旋槳配置矩陣中對應(yīng)的列向量，將其視為固定方向角螺旋槳，在其故障方向角上繼續(xù)進行分配，有效提高了全回轉(zhuǎn)螺旋槳推進器的運用效率；

3.當(dāng)螺旋槳推進器被檢測出故障后，應(yīng)根據(jù)推進裝置的失效程度對該故障螺旋槳調(diào)整相應(yīng)的物理約束和機械約束限制，以避免故障螺旋槳的輸出推力超過執(zhí)行機構(gòu)的位置或速率界限。

本發(fā)明船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法的切換監(jiān)督器主要由估計器、切換指標(biāo)函數(shù)和切換邏輯三部分組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本發(fā)明采用基于性能評估的估計器，無需對過程模型進行估計，直接根據(jù)船舶的輸入輸出信號對切換指標(biāo)函數(shù)所需的信號進行估計，然后對每個候選控制分配模式的潛在性能進行評估，在線計算表征備選控制分配模式性能的函數(shù)，最終監(jiān)督器根據(jù)切換指標(biāo)選擇出潛在性能最好的策略進行切換。估計器一般由多個組成，其輸入包括船舶的輸入信號和輸出信號。

監(jiān)督器的切換指標(biāo)函數(shù)用于評價備選控制分配模式的性能優(yōu)劣，需要根據(jù)系統(tǒng)的實際運行需求而定。本發(fā)明采用綜合考慮系統(tǒng)的能量消耗、控制分配誤差、螺旋槳推進器磨損以及響應(yīng)時間等性能指標(biāo)同時進行實時計算并評估，進而決定性能指標(biāo)最優(yōu)的控制分配器。切換指標(biāo)函數(shù)的具體表達式如下所示：

式中，T為系統(tǒng)運行的時間。

切換邏輯決定什么時刻發(fā)生哪種切換動作，其輸入信號是切換指標(biāo)函數(shù)，輸出信號決定控制分配模式。為充分發(fā)揮固定方向角模式和可變方向角模式的不同優(yōu)勢，選定一個限值來衡量所需螺旋槳操縱力的大小，當(dāng)在線運行的單個螺旋槳能量消耗小于所設(shè)定的限值時，系統(tǒng)采用固定方向角分配模式，否則采用可變方向角分配模式；當(dāng)所需螺旋槳操縱力幅值較小但方向持續(xù)變化時，采用固定方向角分配模式；當(dāng)所需螺旋槳操縱力逐漸增大時，可由固定方向角模式切換到可變方向角模式。此外，當(dāng)螺旋槳故障診斷與容錯模塊檢測出某螺旋槳推進器發(fā)生部分失效或者完全失效時，立即轉(zhuǎn)入故障運行分配模式。

本發(fā)明公開了一種船舶多螺旋槳協(xié)調(diào)控制分配方法，可應(yīng)用于電力推進船舶多槳協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域。本發(fā)明首先通過上位機設(shè)定船舶航行的航速/航向期望值，并分別與GPS、平臺羅經(jīng)返回的船舶實際航速/航向值進行比較得到航速/航向偏差；運動控制器根據(jù)航速/航向偏差計算得到縱向、橫向合力與轉(zhuǎn)艏力矩，并發(fā)送給螺旋槳推力控制分配器，控制分配器根據(jù)上層監(jiān)督控制器輸入的系統(tǒng)運行模式、海洋環(huán)境變化以及螺旋槳故障信息等因素實時調(diào)整控制分配策略，將運動控制器輸出的期望合力/力矩分配給多個螺旋槳推進裝置以實現(xiàn)船舶的多槳協(xié)調(diào)控制。本發(fā)明提供的船舶多槳協(xié)調(diào)控制分配方法原理簡單,操作方便,可靠性高，易于實現(xiàn)。