CN108333926B - 动力定位船舶的固定角度推力分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，它包括：步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速。本发明能减小推进器磨损。

Description

动力定位船舶的固定角度推力分配方法

技术领域

本发明涉及船舶推力分配技术领域，具体涉及一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法。

背景技术

随着人类对海洋开发探索的深入，能源的巨大需求迫使海洋开发进入深水区作业，随之而来的是更恶劣的海洋环境，在深水区作业的平台供应船、钻井平台和钻探船等对定位作业精度和设备操纵条件要求较高，而传统的锚泊***受水深和机动性限制，实现高精度定点定位的动力定位技术是进行海洋开发的关键技术之一。

动力定位船舶是由控制***、传感器测量***和推进***组成。动力定位技术是通过位置传感器获得位置偏差数据，由控制器计算出克服风、浪、流等环境载荷所需的推力和力矩，经过推进***实现船舶保持在预定位置。推力分配***作为动力定位船舶的重要技术环节，主要根据上层控制器所要求的待分配力和力矩给出各个推进器的推力，使船舶到达预定位置和方向的控制***，以推进器本身推力大小和推进器之间的水动力干扰等约束为前提条件，寻找推进***能量消耗最小的推力分配组合优化问题。

推力分配必须考虑推进器的物理限制，以降低能耗和减少推进器磨损为目标，与时刻变化推进器角度的可变角度推力分配相比，固定角度模式下的推力分配已然成为解决该问题的较好方法，现有的方法是固定角度和可变角度模式，固定角度模式只是给出一组推进器固定角度，并不能适用于多种推力分配情况，这种情况下的推力分配效果并不是很好；而可变角度模式则是时刻根据目标推力时刻变化推进器角度，但是这种方式对推进器磨损太大，降低推进器的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，该方法能解决动力定位船舶Joystick模式下定向移动控制力分配的问题，以达到减小推进器磨损的目的。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定由上层控制器给定的使船舶运动的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；

步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；

步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；

步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速。

本发明提供一种固定角度下的推力分配策略，实现根据控制力选择对应固定角度进行推力分配(推力分配必须考虑推进器的物理限制，以降低能耗和减少推进器磨损为目标，与时刻变化推进器角度的可变角度推力分配相比，固定角度模式下的推力分配已然成为解决该问题的较好方法)，降低推进磨损和延长推进器寿命。

另外，与现有的推力分配的可变角度模式相比较，本发明根据目标推力设计了8个推力象限以实现8种推力情况下的固定角度推力分配，采用此方法可以提高推进效率，有效减低推进器磨损。相比于可变角度模式，该方法可以实现当目标推力属于同一象限时，保持推进器角度不变，因在一定程度上避免了因全回转推进器时刻变化角度导致的推力损失，因此提高了动力定位船舶在定向移动时的推进效率。因在实际船舶运动过程中，如果推进器频繁变化角度，容易导致驱动电机损坏，所以大多数动力定位船舶尝试采用固定角度模式，但由于所实验的动力定位船舶为全驱推进***，使推力分配优化算法无法实现采用一组固定角度来解决多种情况的目标推力问题，故本发明提出的方法可以实现全驱推进***下的固定角度推力分配问题，在降低推进器磨损的同时又能保证推进效率和推进***所需的推力精度。

附图说明

图1为动力定位船舶的推进器布置图；

图2为动力定位船舶固定角度推力分配程序框图；

图3为Y向移动下推力分配结果；

图4为Y向移动下各个推进器的推力变化情况；

图5为Y向移动下各个推进器的角度变化情况；

图6为定点定位的推力分配结果；

图7为定点定位的推进器推力变化情况；

图8为定点定位的推进器角度变化情况；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明的动力定位船舶的固定角度推力分配方法，如图1所示，它包括如下步骤：

步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；

步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；

步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；

步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速。

上述技术方案的步骤1中，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限的具体方法为：

根据动力定位船舶的运动模式，目标推力中纵向推力、横向推力和艏向推力正负，以及合推力方向角度来确定对应目标推力所在象限，所述动力定位船舶的运动模式包括定向移动模式和定点旋转模式，所述纵向推力和横向推力组合后为合推力，其方向为合推力方向角，一共划分为8个象限，如下式：

定向移动模式：

定点旋转模式：

其中，Quadrant为象限值；T_x、T_y、T_z分别为纵向推力值、横向推力值和艏向推力值，α和β分别为第7、8象限对应的象限角度，符号&表示并且关系。

上述技术方案的步骤1中，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度的具体方法见如下公式1.3：

其中，Angle为固定推进角度。

上述技术方案的步骤2中，根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型的具体方法为：

针对固定角度分配模式建立固定角度分配模式下的推力分配模型，推力分配模型由目标函数和约束函数组成，其中：

目标函数为：

约束函数为：

s.t B·u＝τ (1.5)

式中，J为目标函数；s.t表示受约束；n为推进器个数；u为推进器的实际推力；θ为推进器的角度；u_i为表示第i个推进器的实际推力；θ_i为第i个推进器推进的角度；B为用于推进器推力计算的配置矩阵；τ为目标推力。

上述技术方案的步骤2中，约束函数包括等式约束和不等式约束，其中，

根据式(1.5)建立等式约束，得到推进器和目标推力之间的关系如下：

式中，θ₁为第一个推进器的推进角度，θ₂为第二个推进器的推进角度，θ₃为第三个推进器的推进角度，l_x1为第一个推进器在纵向的坐标，l_x2为第二个推进器在纵向的坐标，l_x3为第三个推进器在纵向的坐标，l_y1为第一个推进器在横向的坐标，l_y2为第二个推进器在横向的坐标，l_y3为第三个推进器在横向的坐标；T_x、T_y、T_z分别为纵向推力值、横向推力值和艏向推力值；

根据式(1.5)建立不等式约束，考虑到推进器***的物理约束，如推力上下限和推力变化率，其不等式约束可表示如下：

式中，u_i为表示第i个推进器的实际推力，ΔT表示各个推进器在时间上的推力变化率；T₀为各个推进器在上一周期的推力；T_imax、T_imin为推进***的第i个推进器在推力变化率限制下实际能发出的最大推力和最小推力；T_iMAX、T_iMIN为推进***的第i个推进器物理限制下所能发出的最大推力和最小推力；

建立等式约束与不等式约束后的推力分配优化模型表达为：

式中，minJ(u,θ)表示目标函数J(u,θ)的最小值，equ.表示等式约束，inequ.表示表示不等式约束；

该等式约束与不等式约束后的推力分配优化模型即为固定角度分配模式下的推力分配模型。

上述技术方案的步骤3中，利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值的具体过程为：

步骤301：根据等式约束和不等式约束的个数以及所要达到的算法精度，确定增广拉格朗日乘子算法的初始值，所述初始值包括循环迭代时的推力初始值u₀，等式约束的乘子向量μ，不等式约束的乘子向量λ，惩罚参数σ₁，惩罚参数的系数η，增广拉格朗日乘子算法的算法精度ε，下降标准系数

和迭代次数k，其中，

η＞1，k＝1；

步骤302：以u_k-1为初始点，k为迭代次数，u是各个推进器推力，求解minJ(u,θ)的极小点u_k；

步骤303：如果终止规则的输出值β_k≤ε,β为增广拉格朗日乘子算法中的终止规则函数，则终止计算，输出u_k，u_k为各个推进器的实际推力值，否则进入步骤304；

步骤304：更新惩罚参数σ₁，若

令σ_k+1＝ησ_k，否则，σ_k+1＝σ_k，k均为迭代次数，β_k表示第k次迭代的增广拉格朗日乘子算法中的终止规则函数，β_k-1表示第k-1次迭代的增广拉格朗日乘子算法中的终止规则函数，σ_k+1表示第k+1次迭代的惩罚参数；

步骤3.5：按如下公式更新乘子量：

μ_k+1＝μ_k+σh(u_k) (2.1)

λ_k+1＝max{0,λ_k-g(u_k)} (2.2)

式中，μ_k为第k次迭代的等式约束的乘子向量值，μ_k+1为第k+1次迭代的等式约束的乘子向量值，λ_k为第k次迭代的不等式约束的乘子向量值，λ_k+1为第k+1次迭代的不等式约束的乘子向量值，h(u_k)为上述等式约束值，g(u_k)为上述不等式约束的值。

表1动力定位船舶的推进器参数

推进器	最大推力(N)	推力变化率(N/s)	推进器位置(m)
				1号全回转	6.62	3	(-0.69,0.185)
2号全回转	11.71	3	(-0.7,-0.18)
				3号全回转	12.88	3	(0.89,0)

下面给出本发明所做的实验，实验配置如表2所示。

表2动力定位船舶的推力分配实验配置

采用C语言对本发明提出的方法进行验证，通过本发明所采用的方法，将力和力矩有效的分配到3个推进器，实验结果如图3～8所示。图3～5为进行Joystick模式下Y向移动的推力分配实验结果，图3可以看出反馈的X,Y,Z三个方向上的推力与控制***要求的推力基本吻合。图4为推进器的实际推力变化情况，在固定角度模式下进行推力分配计算，各推进器的推力均在可行范围内。图5为推进器角度实际变化情况，可以看出推进器方向变化较慢，实现了根据控制力的情况确定推进器角度。图6～8为船舶定点定位实验的推力分配结果，由图6分析得到反馈的X,Y,Z三个方向上的推力基本达到目标推力，图7为3个推进器的实际推力变化情况，图8为推进器角度实际变化情况，因定位所需控制力变化较为频繁，推进器固定角度随之变化，但基本保持稳定。以上实验验证了本发明提出方法的有效性，避免了推进器角度的频繁变化，减少了推进器磨损。

本发明提出了针对动力定位船舶，以解决定向控制力的推力分配问题的，一种固定角度模式下的推力分配***。从实验结果来看，本发明所采用的方法能够高效的将纵荡、横荡和艏摇力矩分配给各个推进器，推进器的角度基本保持平稳，避免了推进器角度的频繁变化，提高了推力执行效率，有效提高了动力定位船舶的响应速度。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；

步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；

步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；

步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速；

所述步骤3中，利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值的具体过程为：

步骤301：根据等式约束和不等式约束的个数以及所要达到的算法精度，确定增广拉格朗日乘子算法的初始值，所述初始值包括循环迭代时的推力初始值u₀，等式约束的乘子向量μ，不等式约束的乘子向量λ，惩罚参数σ₁，惩罚参数的系数η，增广拉格朗日乘子算法的算法精度ε，下降标准系数

和迭代次数k，其中，

η＞1，k＝1；

步骤302：以u_k-1为初始点，k为迭代次数，u是各个推进器推力，求解minJ(u,θ)的极小点u_k；

步骤303：如果终止规则的输出值β_k≤ε,β为增广拉格朗日乘子算法中的终止规则函数，则终止计算，输出u_k，u_k为各个推进器的实际推力值，否则进入步骤304；

步骤304：更新惩罚参数σ₁，若

令σ_k+1＝ησ_k，否则，σ_k+1＝σ_k，k均为迭代次数，β_k表示第k次迭代的增广拉格朗日乘子算法中的终止规则函数，β_k-1表示第k-1次迭代的增广拉格朗日乘子算法中的终止规则函数，σ_k+1表示第k+1次迭代的惩罚参数；

步骤305：按如下公式更新乘子量：

μ_k+1＝μ_k+σh(u_k)

λ_k+1＝max{0,λ_k-g(u_k)}

式中，μ_k为第k次迭代的等式约束的乘子向量值，μ_k+1为第k+1次迭代的等式约束的乘子向量值，λ_k为第k次迭代的不等式约束的乘子向量值，λ_k+1为第k+1次迭代的不等式约束的乘子向量值，h(u_k)为上述等式约束值，g(u_k)为上述不等式约束的值；

所述步骤1中，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度的具体方法见如下公式：

其中，Angle为在不同推力状态下的3个推进器对应的固定推进角度，Quadrant为象限值。

Images