CN111452933A - 船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法 - Google Patents

船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法 Download PDF

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林孝工
郭非
马丽莉
王楠珺
王亭
邵希胜
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Abstract

本发明提供的是一种船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法。主要包括：1、基于不同的故障程度分为部分故障和完全故障，并将该故障类型应用于推力分配之中。2、基于推进器最大推力故障系数的方法，建立故障模式下优化模型。3、确定动力定位***推进器推力重分配的方法。选择遗传算法作为本控制***的优化求解方法，确定求解优化控制分配的准则。本发明针对不同的故障类型和程度建立了恰当的故障模型。为了保证船舶在推进器故障情况下继续安全作业，分析了推进器的不同故障类型并对推进***的控制分配参数进行了重构。

Description

船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法
技术领域
本发明涉及的是一种船舶动力定位船推进器的推力重分配方法，具体地说是一种船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法。
背景技术
动力定位船舶控制***的执行装置是推进***，推进***由各种形式的推进器组成，控制***出现故障大多数原因是由于推进器故障导致的。因此动力定位控制***在推进器出现故障情况下的控制策略决定了船舶航行与作业的安全性。如果推进***中出现了故障，此时控制***没有对此做出及时的处理，将会影响到作业中船舶的稳定性，甚至将会出现严重的事故。国内外学者对动力定位船舶的故障情况下推进***控制分配重构有很多的研究成果，但选取合适的智能优化算法对控制分配参数在线自适应调整的研究还不是很成熟，仍存在着许多问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在线自适应对推力进行重分配的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法。
本发明的目的是这样实现的：
步骤一、状态监测与诊断单元实时检测推进***的状态信息，对故障状态进行分类；
步骤二、利用推进器最大推力故障系数的方法，建立故障模式下优化模型；
步骤三、利用遗传算法确定动力定位***推进器推力重分配。
本发明的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法还可以包括：
1.步骤一具体包括：根据故障程度将故障分为部分故障与完全故障，设定螺旋桨最大推力的损失系数si，当螺旋桨没有故障运行时si＝1；当螺旋桨出现部分故障时，0＜si＜1；当螺旋桨出现完全故障时，si＝0。
2.步骤二和三具体包括：采用优先权值调整法在螺旋桨出现故障的情况下计算螺旋桨的优先使用等级，在故障模式下进行角度重分配，利用遗传算法对重构控制分配参数进行优化，优化分配的表达式为：
Figure BDA0002440041580000011
表达式满足的约束条件为：
Figure BDA0002440041580000021
其中，Wu为推进器***的加权矩阵，为正定的对角阵，在推进***没有故障的情况下，该加权矩阵为单位阵E；τd为期望的控制合力和合力矩；Tmax为推进器额定推力值。
3.所述的采用优先权值调整法在螺旋桨出现故障的情况下计算螺旋桨的优先使用等级中，推进器的权值矩阵为对角阵：
Figure BDA0002440041580000022
采用的加权系数调整策略为：
Figure BDA0002440041580000023
式中：λ为常数，
故障模式下推力重分配策略为：
Ti'＝wiTi
其中，Ti'为故障之后的推力大小。
4.故障模式下进行角度重分配的重分配策略为：
αi'＝αi
αi'为故障之后的全回转推进器方位角，
故障模式下优化模型重构为：
Figure BDA0002440041580000024
5.利用遗传算法对重构控制分配参数进行优化中，适应度函数为：
minf(T,α)＝p1||BT-τd||2+p2||WuT||2
Figure BDA0002440041580000025
其中，B(α)为描述推进器配置的控制矩阵，是螺旋桨输出角度α的函数；T为推进***的推力矩阵；τd为控制***期望的控制合作用力和力矩；Wu为推进器的优先使用权值矩阵；Tmin和Tmax为推进器推力值的下限和上限；δ为推进器推力禁区角；p1和p2为对应的权值。
本发明针对不同的故障类型和程度建立恰当的故障模型，对推进***的控制分配参数进行重构。在故障模式下对推力分配优化模型进行重构，并选用合适的算法对推力重分配优化求解。
本发明的技术方案中主要包含了：故障状态分类；故障模式下优化模型重构；控制分配重构方法的选取；优化求解控制分配的准则。
本发明的特点和有益效果体现为：
1.本发明完成了故障状态分类，当动力定位船舶在小范围内航行或者在固定位置作业的时候，螺旋桨比较容易发生故障。螺旋桨故障可分为两个主要的类别：内部故障和外部故障；
2.本发明完成了故障模式下优化模型重构，包括推力重分配策略选取和角度重分配策略选取；
3.本发明完成了控制分配重构方法的选取；
4.本发明制定了优化求解控制分配的准则，采用推进***输出合力和合力矩矩阵与期望控制合力和合力矩矩阵偏差最小，添加推进器权值矩阵之后的输出力和力矩最小，作为推力分配控制算法的优化目标。并采用矩阵的二范数作为度量来满足控制分配优化准则。适应度函数的权值p1是控制输出的合作用力与力矩和期望的合作用力与力矩差值的比例，权值p2是调节控制器的核心，该参数决定适应度函数是否能达到推力重分配。
附图说明
图1是标准遗传算法流程图；
图2是p2权值不同时合力和艏向力矩；
图3是p2权值不同时推进器推力输出对比图；
图4是p2权值不同时推进器回转角度对比图；
图5是本发明的原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合图1至图4和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，其中，图1是标准遗传算法流程图；图2是p2权值不同时合力和艏向力矩；图3是p2权值不同时推进器推力输出对比图；图4是p2权值不同时推进器回转角度对比图。
本发明的目的按以下步骤实现：
1.故障状态分类
当动力定位船舶在小范围内航行或者在固定位置作业的时候，螺旋桨比较容易发生故障，而且故障的类型不可预测。分为两个主要的类别：内部故障和外部故障。
内部故障产生的原因主要有：给螺旋桨提供动力的电动机内部绕组温度超过了电动机所限定的最高温度；变速箱控制单元与核心处理器的通讯中断，变速箱控制单元收不到主处理器的控制指令或者核心处理器收不到变速箱控制单元的反馈信息；总线电压的下降，总电源输出电压不稳定，造成总线电压的下降，驱动能力达不到指定要求等。
外部故障产生的原因主要有：螺旋桨卡死，比如被海洋中的某些带状或者絮状物缠绕导致螺旋桨运动停止；螺旋桨损坏，船舶在自动驾驶的过程中碰到礁石或者冰山之类的致使主推进器出现桨叶损坏等。
2.故障模式下优化模型重构
当故障诊断单元检测出故障时，依据不同的故障类型以及故障程度，设定螺旋桨最大推力的故障系数si，当螺旋桨没有故障运行时si＝1；当螺旋桨出现部分故障时，0＜si＜1；当螺旋桨出现完全故障时，si＝0。使用不等式表示为：
Figure BDA0002440041580000041
式中，si为螺旋桨故障最大推力损失系数。
(1)推力重分配策略选取
优先权值调整法在螺旋桨出现故障的情况下，计算螺旋桨的优先使用等级，增大故障螺旋桨的权值，从而降低故障螺旋桨的优先使用等级，达到推力重分配的目的。对故障推进器进行加权处理，既能满足推进器出现完全故障的情况，又能对推进器出现部分故障进行有效的调节。
该方法优化的目标为获取最小的目标函数值，螺旋桨推进器的加权越大，相应的就会分配到较少的推力分量。通过增加有故障螺旋桨的推力分配加权值，达到降低故障螺旋桨在推力分配中承担工作量的目的，从而防止出现故障的推进器故障程度进一步恶化，因此可以保证动力定位***的可靠性与安全性。推进器的权值矩阵Wu为一个对角阵：
Figure BDA0002440041580000051
采用的加权系数wi调整策略为：
Figure BDA0002440041580000052
式中：λ为常数，为了防止当si为零时wi为无穷值。
故障模式下推力重分配策略为：
Ti'＝wiTi
其中，Ti和Ti'分别为故障前后的推力大小。
(2)角度重分配策略选取
本发明研究的动力定位船舶具有全回转推进器，当由于某些原因导致全回转推进器回转失效时，比如说回转机构出现卡死故障，可以将全回转推进器视为固定方位角的推进器，其方位角为推进器发生故障前一刻的推力角度。全回转推进器在此基础上继续参与推力重分配。
因此，故障模式下角度重分配策略为：
αi'＝αi
其中，αi和αi'分别为故障前后的全回转推进器方位角。
故障模式下优化模型重构为：
Figure BDA0002440041580000053
3.控制分配重构方法的选取
如图1所示，遗传算法在进行推进***控制律重构优化方面就有很强的鲁棒性，对含有全回转推进器的推进***这种具有非线性、多目标函数优化问题，使用遗传算法具有较大的优势。本发明选择遗传算法作为优化方法，使遗传算法适用于动力定位船舶螺旋桨故障下重构控制分配参数的优化。初始化标准遗传算法：采用二进制编码，种群个体数目为40个，变量的精度为20位，每个染色体包含6个变量，代沟选为0.9，基因交叉率为0.7，基因交叉方式为单点交叉，基因变异率为0.7/20＝0.035，基因变异采用基本位变异，选择方法为轮盘赌算子，子代基于适应度选择对父代淘汰，从而组成新的种群，进化代数为200代，λ＝0.001。
适应度函数既需要满足求解推力重分配的要求，又需要优化推进***的推力分配性能，因此对两者分配权值，生成优化求解的目标函数。适应度函数f(T,α)为：
minf(T,α)＝p1||BT-τd||2+p2||WuT||2
Figure BDA0002440041580000061
其中，B为描述推进器配置的控制矩阵，是螺旋桨输出角度α的函数；T为推进***的推力矩阵；τd为控制***期望的控制合作用力和力矩；Wu为推进器的优先使用权值矩阵；Tmin和Tmax为推进器推力值的下限和上限；δ为推进器推力禁区角；p1和p2为对应的权值，根据目标函数的优化需求可以进行调节。P2权值不同时的仿真结果如图2、3、4所示。
4.优化求解控制分配的准则
在推进器出现故障的情况下，对于动力定位船舶最主要考虑的是推进***推力输出合力与合力矩跟期望的合力与合力矩之间的误差。具有推进器冗余的动力定位船舶推力分配控制是在螺旋桨出现故障的情况下，利用故障螺旋桨的剩余推力性能与其他螺旋桨的矢量力来弥补故障螺旋桨的推力损失，最主要的目的是保持动力定位船舶维持原有的控制性能，并能保持船舶继续作业。推力分配的第一个准则是降低在推进***出现故障的情况下推进器输出的合外力与力矩跟期望的合外力与力矩之间的偏差。推力分配的第二个准则是尽量减少推力输出矩阵与推进器权值矩阵内积的二范数。通过推进器权值矩阵，增大故障推进器优先使用权值，降低故障螺旋桨的推力分配等级，使得故障螺旋桨输出的推力减少，增大其他推进器推力输出，对故障推进器的推力损失进行弥补，保证优化分配之后的船舶的合力和合力矩能达到期望的指标。降低推进***不必要的推力损失，避免两个全回转推进器产生推力大小相等方向相反的奇异状态，间接的减少了燃油消耗。
优化分配问题用数学表达式描述为：
Figure BDA0002440041580000062
使得表达式满足以下约束条件：
Figure BDA0002440041580000063
式中，Wu为推进器***的加权矩阵，为正定的对角阵，在推进***没有故障的情况下，该加权矩阵为单位阵E；
Figure BDA0002440041580000071
为推进器推力禁区角；τd为期望的控制合力和合力矩；Tmax为推进器额定推力值。

Claims (9)

1.一种船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是：
步骤一、状态监测与诊断单元实时检测推进***的状态信息，对故障状态进行分类；
步骤二、利用推进器最大推力故障系数的方法，建立故障模式下优化模型；
步骤三、利用遗传算法确定动力定位***推进器推力重分配。
2.根据权利要求1所述的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是所述的步骤一具体包括：根据故障程度将故障分为部分故障与完全故障，设定螺旋桨最大推力的损失系数si，当螺旋桨没有故障运行时si＝1；当螺旋桨出现部分故障时，0＜si＜1；当螺旋桨出现完全故障时，si＝0。
3.根据权利要求1或2所述的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是所述的步骤二和三具体包括：采用优先权值调整法在螺旋桨出现故障的情况下计算螺旋桨的优先使用等级，在故障模式下进行角度重分配，利用遗传算法对重构控制分配参数进行优化，优化分配的表达式为：
Figure FDA0002440041570000011
表达式满足的约束条件为：
Figure FDA0002440041570000012
其中，Wu为推进器***的加权矩阵，为正定的对角阵，在推进***没有故障的情况下，该加权矩阵为单位阵E；τd为期望的控制合力和合力矩；Tmax为推进器额定推力值。
4.根据权利要求3所述的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是：所述的采用优先权值调整法在螺旋桨出现故障的情况下计算螺旋桨的优先使用等级中，推进器的权值矩阵为对角阵：
Figure FDA0002440041570000013
采用的加权系数调整策略为：
Figure FDA0002440041570000021
式中：λ为常数，
故障模式下推力重分配策略为：
Ti'＝wiTi
其中，Ti'为故障之后的推力大小。
5.根据权利要求3所述的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是故障模式下进行角度重分配的重分配策略为：
αi'＝αi
αi'为故障之后的全回转推进器方位角，
故障模式下优化模型重构为：
Figure FDA0002440041570000022
6.根据权利要求4所述的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是故障模式下进行角度重分配的重分配策略为：
αi'＝αi
αi'为故障之后的全回转推进器方位角，
故障模式下优化模型重构为：
Figure FDA0002440041570000023
7.根据权利要求3所述的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是：利用遗传算法对重构控制分配参数进行优化中，适应度函数为：
min f(T,α)＝p1||BT-τd||2+p2||WuT||2
Figure FDA0002440041570000024
其中，B(α)为描述推进器配置的控制矩阵，是螺旋桨输出角度α的函数；T为推进***的推力矩阵；τd为控制***期望的控制合作用力和力矩；Wu为推进器的优先使用权值矩阵；Tmin和Tmax为推进器推力值的下限和上限；δ为推进器推力禁区角；p1和p2为对应的权值。
8.根据权利要求4所述的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是：利用遗传算法对重构控制分配参数进行优化中，适应度函数为：
min f(T,α)＝p1||BT-τd||2+p2||WuT||2
Figure FDA0002440041570000031
其中，B(α)为描述推进器配置的控制矩阵，是螺旋桨输出角度α的函数；T为推进***的推力矩阵；τd为控制***期望的控制合作用力和力矩；Wu为推进器的优先使用权值矩阵；Tmin和Tmax为推进器推力值的下限和上限；δ为推进器推力禁区角；p1和p2为对应的权值。
9.根据权利要求5所述的船舶动力定位船推进器故障情况下的推力重分配方法，其特征是：利用遗传算法对重构控制分配参数进行优化中，适应度函数为：
min f(T,α)＝p1||BT-τd||2+p2||WuT||2
Figure FDA0002440041570000032
其中，B(α)为描述推进器配置的控制矩阵，是螺旋桨输出角度α的函数；T为推进***的推力矩阵；τd为控制***期望的控制合作用力和力矩；Wu为推进器的优先使用权值矩阵；Tmin和Tmax为推进器推力值的下限和上限；δ为推进器推力禁区角；p1和p2为对应的权值。
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