混合推力優(yōu)化分配研究

宋 楊，劉 微

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混合推力優(yōu)化分配研究

宋 楊1，劉 微2

（1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司，北京 100097；2. 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100048 )

單一的推力分配策略在海況多變的情況下往往難以滿足推力分配的要求，從而導(dǎo)致船舶失位甚至定位失敗。本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用的需求，對(duì)推力分配模式的類型進(jìn)行分類，并利用合適的算法及策略，制定平滑有效的混合推力分配切換機(jī)制，滿足多海況下推力分配的要求。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自適應(yīng)切換推力分配模塊的合理性和有效性。

動(dòng)力定位 推力分配 切換策略

0 引言

DPS不同運(yùn)行模式包括定點(diǎn)定位、低速遷移、中高速的遷移等，定點(diǎn)定位主要應(yīng)用于動(dòng)力定位作業(yè)的船舶與海洋平臺(tái)上，低速遷移和中高速的遷航在平臺(tái)供給運(yùn)輸類船舶中較為常見。隨著現(xiàn)代水面航行器與海上平臺(tái)的用途多樣化，工作區(qū)域也在不斷擴(kuò)大，動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)現(xiàn)在也具備高速遷移的能力[1]。

設(shè)計(jì)推力分配模塊時(shí)，需要同時(shí)保證船舶的動(dòng)力定位性能和推進(jìn)器的穩(wěn)定性。根據(jù)不同的推進(jìn)器類型，制定不同的海況及工況下相應(yīng)的分配算法和分配策略，建立合理的切換機(jī)制使得這些模式間能夠有效的切換是必要的。切換機(jī)制的建立考慮兩個(gè)要求：在保證切換的必要性和不增加切換機(jī)制復(fù)雜度的前提下，確定“何時(shí)”及“如何”進(jìn)行切換；保證切換過(guò)程中推進(jìn)器系統(tǒng)的平滑過(guò)渡，即保證推進(jìn)器在切換過(guò)程中的狀態(tài)穩(wěn)定，避免突變引起船舶的安全性能降低。本章結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用的需求，對(duì)推力分配模式的類型進(jìn)行分類，并利用合適的算法及策略，制定平滑有效的混合推力分配切換機(jī)制。

1 環(huán)境力

配備動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶和平臺(tái)根據(jù)作業(yè)區(qū)域的不同，所處的外界的海況狀況多變。海況的不同對(duì)定位能力的影響較大。通常對(duì)于風(fēng)浪來(lái)說(shuō)，按照波高可將風(fēng)浪分為不同級(jí)別。為了保證控制系統(tǒng)在各類海況下有良好的定位性能，Nguyen[2]中提出建立有關(guān)環(huán)境，操縱，速度的三維數(shù)學(xué)關(guān)系模型，在Ruth[3]和Swanson[4]中則直接在推力分配過(guò)程中將海況分為了平靜海況和劇烈海況。

在各類工況和海況下，最終作用在船舶或平臺(tái)上的力可統(tǒng)稱為外界環(huán)境力，若將風(fēng)、海浪、海流的作用分開考慮，可能出現(xiàn)多種情況，直接采用綜合環(huán)境力作為控制目標(biāo)更為直接方便。針對(duì)推力分配的需求，本文中將綜合環(huán)境力分為三類：

1) 外界環(huán)境力較小，方向經(jīng)常改變；

2) 外界環(huán)境力較大，但方向不經(jīng)常改變；

3) 外界環(huán)境里大小和方向變化都比較平緩。

2 分配模式制定

2.1 固定角度分配模式

外界環(huán)境力平穩(wěn)時(shí)，控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力較小，但方向易變，此時(shí)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器若采用可變角度分配模式工作，推進(jìn)器可能由于控制力方向的頻繁變化出現(xiàn)來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，這會(huì)嚴(yán)重增加推進(jìn)器的磨損。此時(shí)系統(tǒng)可選擇固定全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的角度進(jìn)行推力優(yōu)化分配；采用固定角度分配模式時(shí)，角度要事先依據(jù)大致的環(huán)境力方向選取，同時(shí)也需避開推力禁區(qū)。

圖1 固定角度分配模式角度

2.2 可變角度分配模式

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器需要考慮角度變化率，推力變化率，水動(dòng)力干擾等一系列約束問(wèn)題，一般采用迭代算法予以求解?？勺兘嵌确峙淠Ｊ降膬?yōu)點(diǎn)在于計(jì)算結(jié)果總是以能耗最小為基準(zhǔn)，同時(shí)滿足約束條件，得到最優(yōu)結(jié)果?？勺兘嵌确峙淠Ｊ降娜秉c(diǎn)在于需要充分考慮干擾引起的推力損失和推進(jìn)器方向連續(xù)改變引起推進(jìn)器的磨損，同時(shí)角度變化率的限制常常導(dǎo)致推進(jìn)器反應(yīng)滯后于控制力的變化。

2.3 限制角度分配模式

當(dāng)船舶上全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器配備較少時(shí)，用限制角度分配模式來(lái)彌補(bǔ)固定角度中不能較好地進(jìn)行推力分配的情況?？刂屏土剌^小且方向易變的時(shí)候，配備全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器較少的船舶在固定角度模式下常常出現(xiàn)響應(yīng)滯后。當(dāng)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器不允許發(fā)負(fù)力時(shí)，限制角度分配模式能較好地應(yīng)對(duì)控制力方向頻繁地變化。

2.4 環(huán)境力固定分配模式

環(huán)境力固定模式可應(yīng)用在外界環(huán)境力大小和方向變化平緩時(shí)，此時(shí)如采用可變角度模式，推進(jìn)器出現(xiàn)來(lái)回旋轉(zhuǎn)會(huì)增加磨損，而且在角度變化較小時(shí)，能耗并不會(huì)有效的減少，選用環(huán)境力固定分配模式更為有效。環(huán)境力固定分配模式中推進(jìn)器的角度選擇應(yīng)充分考慮可能出現(xiàn)的環(huán)境力方向，同時(shí)也應(yīng)避免水動(dòng)力干擾區(qū)域。

圖2 環(huán)境力固定模式下推進(jìn)器角度示意圖

3 模式切換

3.1 切換機(jī)制

單一的算法、分配策略或推力分配模式都難以保證不同工況及海況下動(dòng)力定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位能力。本文中以兩種算法為基礎(chǔ)算法，形成以四種不同分配模式構(gòu)成的自適應(yīng)推力優(yōu)化分配模塊，完成合理的推進(jìn)器推力分配。四種分配模式的切換原則包含有：任意模式間都能做到平滑的切換；切換過(guò)程中推進(jìn)器在滿足約束條件的基礎(chǔ)上盡可能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)；避免不必要的頻繁切換。

3.2 切換邏輯及指標(biāo)

環(huán)境力的變化對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位能力有較大影響，環(huán)境力并非直接作用在推力分配模塊上，而是由上層控制模塊按定位要求輸出控制力到推力分配模塊，此時(shí)以控制力大小作為切換目標(biāo)則更為合理。同時(shí)，推進(jìn)器的分配模式主要是由X和Y方向的控制力變化情況所決定，可建立如下標(biāo)準(zhǔn)：

在控制力平穩(wěn)且能耗變化較小的情況下，推進(jìn)器分配趨于平緩，此時(shí)推進(jìn)器容易出現(xiàn)小角度的來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，這會(huì)極大地增加磨損，此時(shí)可引入能耗差值項(xiàng)和控制力差值項(xiàng)：

此外根據(jù)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的配置個(gè)數(shù)和推進(jìn)器能力建立判斷標(biāo)準(zhǔn)，以便在控制力較小且方向易變時(shí)保證動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位能力。

式(3) 中分級(jí)控制切換指標(biāo)分別指向可變角度分配模式、環(huán)境力固定分配模式、固定角度分配模式及限制角度分配模式。在第一級(jí)判斷中，依據(jù)控制力的大小和第一級(jí)遲滯時(shí)間作為判斷指標(biāo)分為兩種情況。第一種情況，當(dāng)控制力較大時(shí)，進(jìn)入第二級(jí)判斷，依據(jù)控制力變化情況和能耗變化情況在可變角度分配和環(huán)境力固定分配模式間進(jìn)行選擇；第二種情況，當(dāng)控制力較小時(shí)，進(jìn)入第二級(jí)判斷，依據(jù)推進(jìn)器配置在限制角度分配和固定角度分配模式間進(jìn)行選擇。

4 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本章中提出的混合推力分配模式切換機(jī)制的有效性，在船舶模型上進(jìn)行仿真定位實(shí)驗(yàn)。推進(jìn)器布置見圖3。

圖3 推進(jìn)器布置

為模擬船舶受到真實(shí)的環(huán)境力影響的情況，仿真中使用PID控制器，在不同的階段改變外界環(huán)境力參數(shù)以模擬真實(shí)環(huán)境力，其中分別在階段1和2和階段加入較小方差的高斯白噪聲，階段4中加較大方差的高斯白噪聲，環(huán)境力參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 各階段環(huán)境力參數(shù)

參數(shù)風(fēng)速均值(m/s)風(fēng)向均值(°)海流速度(m/s)海流方向(°) 階段1200.10 25100.2-20 37300.2-45 44600.1-70 51900.01-90

推力分配計(jì)算過(guò)程中，不同分配模式對(duì)應(yīng)的模式指標(biāo)值見表2。

仿真結(jié)果如下：

從圖4到10可以看出，推力分配的結(jié)果滿足控制力和力矩的要求，推進(jìn)器的推力及角度變化滿足各類約束條件。

第1階段中，環(huán)境力較小，且方向反復(fù)發(fā)生變化。從圖10中可知，起始分配模式為可變角度分配模式，經(jīng)過(guò)5個(gè)周期判斷其經(jīng)過(guò)臨時(shí)固定角度分配后，推力分配模式由可變角度分配模式切換至限制角度分配模式，分配過(guò)程中推進(jìn)器角度變化平緩。

表2 切換模式指標(biāo)值

圖4 縱向控制力分配結(jié)果

在第2階段，環(huán)境力逐漸增大，第100周期時(shí)，環(huán)境力超過(guò)控制力切換的上限，在第105個(gè)周期時(shí)切換至可變角度模式。第2階段內(nèi)的環(huán)境力由于加入了方差較小的高斯白噪聲，在圖中可以看到，在140周期左右，分配模式切換至環(huán)境力固定分配模式。由于控制力合力方向在第2象限，推進(jìn)器1和推進(jìn)器2根據(jù)預(yù)先的設(shè)定，分別轉(zhuǎn)到180°和90°。而到170周期，由于出現(xiàn)較大的環(huán)境力擾動(dòng)，而重新轉(zhuǎn)至可變角度分配模式。

圖6 控制力矩分配結(jié)果

圖7 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器推力分配結(jié)果

圖8 槽道推進(jìn)器推力分配結(jié)果

到第3階段，環(huán)境力比較平穩(wěn)，推進(jìn)器的狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，能耗波動(dòng)較小，此時(shí)分配模式再次切換至環(huán)境力固定分配模式，控制合力在第2象限，推進(jìn)器1和推進(jìn)器2分別轉(zhuǎn)到180°和90°。

圖9 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器角度分配結(jié)果

圖10 切換指標(biāo)值分配結(jié)果-

第4階段，環(huán)境力中加入方差較大的高斯白噪聲，產(chǎn)生了較大的波動(dòng)，分配模式切換到可變角度分配模式，保證分配結(jié)果能耗最優(yōu)。

第5階段，環(huán)境力發(fā)生突變降至0附近，本章中選用船舶模型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器個(gè)數(shù)為2且設(shè)置不能反轉(zhuǎn)，分配模式在410周期時(shí)切換至臨時(shí)固定角度分配后經(jīng)過(guò)10個(gè)周期最終達(dá)到限制角度分配模式的邊界上，分配模式切換到限制角度分配模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)動(dòng)力定位船舶或平臺(tái)工作狀況和所處海況的多樣性，結(jié)合推進(jìn)器狀態(tài)及推進(jìn)器配置等參考指標(biāo)，建立合理有效的推力分配切換機(jī)制。利用控制器與混合推力分配模塊進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了自適應(yīng)切換推力分配模塊的合理性和有效性。

[1] 王芳. 過(guò)驅(qū)動(dòng)水面航行器的控制分配技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[2] Nguyen. Design of Hybrid Marine Control Systems for Dynamic Positioning[D]. NUS, 2005.

[3] Ruth. Propulsion control and thrust allocation on marine vessels[D]. Norwegian University of Science and Technology, 2008.

[4] Swanson. A generalized propulsion control logic[J]. IEEE, 1982: 723-727.

Research on Hybrid Thrust Optimization Distribution

Song Yang1, Liu Wei2

(1. China Shipbuilding Industry Co. LTD. Beijing 100097, China; 2. China State Shipbuilding Co. LTD. Beijing 100048, China)

TP391.9

A

1003-4862(2018) 10-0056-05

2018-05-21

宋楊（1986-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail：15902791474@163.com