海洋石油支持船動力定位模塊推力分配策略

林文錦，張亞東，安志辰

(1.中海油服船舶事業(yè)部，天津 300452；2.中海油服船舶事業(yè)部船舶技術(shù)所,天津 300452；3中海油服船舶事業(yè)部船員培訓(xùn)中心，天津 300452)

0 引言

我國在海洋資源開發(fā)領(lǐng)域越來越多地采用具有動力定位(dynamic positioning，DP)系統(tǒng)的船舶[1-5]，包括科學(xué)考察船、海監(jiān)船、起重鋪管船、海洋鉆井平臺、起重打撈船、半潛船、救生船、平臺供應(yīng)船、布纜船、航標(biāo)船、水合物調(diào)查船、多功能海工船等。相較于傳統(tǒng)定位系統(tǒng)，動力定位系統(tǒng)能夠更好地滿足深海浮式結(jié)構(gòu)位姿保持以及航跡跟蹤等作業(yè)要求。積極開展船舶動力定位技術(shù)相關(guān)研究，對推動我國海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)與戰(zhàn)略意義。

推力分配在動力定位過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它是連接控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)的紐帶，直接決定了船舶上各個(gè)推進(jìn)器將要產(chǎn)生的推力大小和方向。推力分配方法有許多，如：基于廣義逆的推力分配方法[2,6]；采用序列二次規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)推力分配策略[4]；基于零空間法的推力分配策略[6]；基于組合偏置方法的推力分配策略[7]；基于遺傳算法的推力分配方法[8]和基于粒子群算法的推力分配策略[9]等。上述推力分配方法中文獻(xiàn)[8-9]是基于群體智能的方法，由于結(jié)果具有一定的隨機(jī)性，因此不便于工程應(yīng)用。文獻(xiàn)[4,7-12]涉及序列二次規(guī)劃、零空間法和組合偏置方法，計(jì)算較為復(fù)雜。本文的研究重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)動力定位模塊中的推力分配子功能，希望選取一種簡單高效的實(shí)現(xiàn)方法，因此，本文選取廣義逆方法作為推力分配方法。

動力定位模擬器子功能模塊設(shè)計(jì)與集成，已有多位學(xué)者對此展開研究并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[6]以Visual Studio 2010 為開發(fā)平臺，使用 Direct2D 圖形技術(shù)，對 Kongsberg 公司的 K-Pos 動力定位系統(tǒng)的自動定位功能進(jìn)行仿真；文獻(xiàn)[10]采用C#中WPF技術(shù)完成DP推力分配仿真子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[11]采用VB與MATLAB混合編程方式進(jìn)行動力定位模擬器仿真界面的搭建。

上述研究成果往往依賴特定的軟件函數(shù)庫或直接將算法寫在后臺程序之中，這對功能模塊代碼拓展性及復(fù)用性會產(chǎn)生一定影響。因此，本文依托動態(tài)鏈接庫技術(shù)，通過Matlab仿真+代碼轉(zhuǎn)化，配合QT界面設(shè)計(jì)，完成推力分配子功能模塊的集成。

1 動力定位模塊的組成及原理

船舶動力定位是指船舶利用自身的推力裝置產(chǎn)生推力和推力矩，抵消外界風(fēng)、流、浪等作用在船體上的力和力矩，使該船舶維持在某給定的期望位姿。動力定位系統(tǒng)主要由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等部分組成，主要工作是測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得船舶的實(shí)際位置和艏向，并將信息反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)計(jì)算得到偏差量，結(jié)合風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境干擾，實(shí)時(shí)計(jì)算出驅(qū)動船舶移動到期望位姿所需的力和力矩，而后推進(jìn)系統(tǒng)通過推力分配策略將所需的力和力矩分配到船舶上的各個(gè)推進(jìn)器，并控制推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力，從而完成船舶的控制要求[1]。工作原理圖如圖1所示。

從圖1可以看到，動力定位模塊包括動力定位相關(guān)的高層控制策略、推力分配策略、底層推進(jìn)器控制策略、信號處理等關(guān)鍵技術(shù)，本文主要針對其中的推力分配策略進(jìn)行研究。

2 推力分配方法

推力分配算法是動力定位推進(jìn)系統(tǒng)的核心，動力定位船舶的數(shù)學(xué)模型由船舶運(yùn)動學(xué)模型和船舶動力學(xué)模型共同組成。對于動力定位船舶而言，由于船速較小，在建立船舶運(yùn)動方程的時(shí)候，通常情況下只考慮其中的3個(gè)自由度，即，縱蕩、橫蕩和艏搖，它們隨船坐標(biāo)系和固定坐標(biāo)系的速度轉(zhuǎn)換公式為：

η=R(ψ)v。

(1)

式中：η=[x,y,ψ]T是船舶位置矢量，x,y,ψ分別為船舶在固定坐標(biāo)系下的位置和艏向角;R為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；v=[u,v,r]T是船舶速度矢量，u,v,r分別代表隨船坐標(biāo)系下的船舶縱蕩、橫蕩和艏搖速度。

在隨船坐標(biāo)系下，水面上的動力定位船舶三自由度(縱蕩、橫蕩和艏搖)動力學(xué)方程為：

Mv+Dv=τ+RT(ψ)e

(2)

式中：M和D分別表示附加質(zhì)量的慣性矩陣和阻尼矩陣;τ=[τx,τy,τψ]是控制輸入量；偏差e表示未建模的環(huán)境力和力矩。

動力定位控制器通過狀態(tài)反饋η和υ計(jì)算船舶所需的三個(gè)自由度推力τc，推力分配單元負(fù)責(zé)將τc轉(zhuǎn)化為各個(gè)推進(jìn)器的控制輸入α和u，滿足如下條件[2]：

τc=T(α)f,f=Ku。

(3)

式中:f表示推進(jìn)器的推力；T(α)為推進(jìn)器布置矩陣；K為推力系數(shù)。

作為推力分配的等式約束，通常將推力分配問題轉(zhuǎn)化為如下非線性最優(yōu)化問題。

(4)

其中：W為正定對角陣，表示各推力的權(quán)值系數(shù)。

從式(4)可以看出，優(yōu)化目標(biāo)為求推力f最小值，約束條件為合力滿足要求。

為了避免復(fù)雜的非線性，引入擴(kuò)展推力向量的概念，對于水面船舶的全方位推進(jìn)器，其推力可分解為船體坐標(biāo)系下X方向和Y方向的兩個(gè)分力，序號為i的全方位推進(jìn)器的擴(kuò)展推力向量可表示為：

(5)

此時(shí)，式(3)可線性表示為：τe=Tefe,f=Ku。

其中：Te為推進(jìn)器布置矩陣誤差。此時(shí)，推力分配也由非線性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為帶有線性等式約束的二次最小化問題

(6)

從式(6)中可以看出,此時(shí)優(yōu)化目標(biāo)為求推力fe最小，約束條件同樣為此時(shí)總的合力。應(yīng)用拉格朗日乘數(shù)法可以得到最小化問題的廣義逆解為

在選定船舶類型之后，通過建立船舶的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)高層控制策略，獲得船舶運(yùn)動需要的合力和合力矩，發(fā)送給推力分配策略，按照上述流程完成推力分配過程。

3 推力分配功能實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果

本文將Matlab模塊仿真與代碼轉(zhuǎn)化相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)功能。Matlab提供Matlab Coder命令允許用戶將特定功能函數(shù)文件轉(zhuǎn)化為C/C++代碼形式文件。該命令僅針對函數(shù)文件，將偽逆法命名為www.m,并用于代碼生成。利用該函數(shù)的測試代碼文件自動獲取該函數(shù)形參數(shù)據(jù)類型，排查文件中語法及鏈接錯(cuò)誤，編譯通過后會生成該函數(shù).h文件及.cpp文件，形成轉(zhuǎn)化結(jié)果報(bào)告，如圖2所示。通過動態(tài)鏈接庫技術(shù)將該函數(shù)進(jìn)行封裝,并用于軟件功能模塊設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目以Visual Studio 2015為開發(fā)平臺，通過Matlab代碼轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，并利用C++應(yīng)用程序開發(fā)框架QT設(shè)計(jì)仿真界面。引入QML做界面設(shè)計(jì)，界面顯示和代碼將更好的得到分離，通過編寫后臺代碼的方式使控件響應(yīng)不同功能。

完成上述步驟之后，需要將推力分配功能集成。首先根據(jù)特定船舶推進(jìn)器配置及定位需求在Matlab環(huán)境中完成動力定位船舶推力分配策略的仿真計(jì)算，并將用于計(jì)算的分配策略以函數(shù).m文件形式留存；然后利用Matlab Coder工具箱將推力分配策略函數(shù).m文件轉(zhuǎn)化為.h以及.cpp文件，并通過動態(tài)鏈接庫技術(shù)，設(shè)置相應(yīng)API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口)，將程序執(zhí)行.cpp文件編譯生成二進(jìn)制文件.dll。在QT界面設(shè)計(jì)語言中，導(dǎo)入相應(yīng)的頭文件及dll，動態(tài)加載函數(shù)庫，調(diào)用預(yù)先設(shè)定的API函數(shù)，通過計(jì)算得到推力分配結(jié)果數(shù)據(jù)，并在界面上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。推力分配功能模塊集成過程大體如圖3所示。

本文以中海油擁有數(shù)量最多的海洋石油641型船為對象進(jìn)行推力分配可視化研究，其推進(jìn)器布置如圖4所示。其中：X、Y分別代表船舶縱軸與橫軸方向；#1、#2為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器；#3、#4為槽道式推進(jìn)器，4個(gè)推進(jìn)器布置位置和推力限制如表1所示。

表1 推進(jìn)器配置參數(shù)

需要說明的是，動力定位操作員設(shè)置船舶的期望位置，船舶所需的力和力矩基于公式(2)和所設(shè)計(jì)的控制策略算出，之后發(fā)送給推力模塊進(jìn)行推力分配。現(xiàn)有文獻(xiàn)大多將控制器計(jì)算得出的力和力矩以時(shí)序展現(xiàn)，推力分配結(jié)果也按照時(shí)序展現(xiàn)，如文獻(xiàn)[12-13]。然而，在實(shí)際的動力定位模擬器中，控制器所計(jì)算得出的力和力矩是隱含在軟件中的，推力分配結(jié)果也是顯示某一時(shí)刻的,因此，本文的結(jié)果以圖5和圖6體現(xiàn)。

圖5是動力定位模塊操縱軟件實(shí)現(xiàn)某定位功能時(shí)的運(yùn)行效果圖，包括船舶速度變化、艏向顯示以及能源消耗等結(jié)果顯示。

推力分配結(jié)果如圖6所示。圖6左下角為某時(shí)刻的推力分配結(jié)果展示，左上角為推進(jìn)器的推力與最大推力之比，以百分比形式呈現(xiàn)，右上角和右下角均為風(fēng)速風(fēng)向信息。通過可視化結(jié)果可以看到，本文提出的功能實(shí)現(xiàn)方案具有可視化界面友好，且算法易于修改的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的推力分配功能能夠?qū)⑼屏娃D(zhuǎn)矩分配到各個(gè)推進(jìn)器，該功能能夠服務(wù)于動力定位模塊，最終實(shí)現(xiàn)航海模擬器的升級。

4 結(jié)語

開發(fā)動力定位模塊需要多類功能子模塊相互配合，每個(gè)功能子模塊的開發(fā)均需進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而確?？尚行?。本文依托動態(tài)鏈接庫技術(shù)，采用Matlab仿真代碼轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，并通過QT完成界面設(shè)計(jì)，完成動力定位推力分配功能子模塊開發(fā)。在動力定位模塊完成定位作業(yè)模擬時(shí)，對控制力向量進(jìn)行實(shí)時(shí)推力分配計(jì)算，并做界面顯示，同時(shí)作為子功能模塊集成于現(xiàn)有的航海模擬器之中進(jìn)行功能測試。

通過仿真的數(shù)據(jù)及集成效果展示，在完成定位作業(yè)模擬過程中，本文使用的推力分配算法可以有效地實(shí)現(xiàn)控制力向量的分解，同時(shí)該模塊在整個(gè)船舶動力定位模擬器中能完成預(yù)設(shè)的功能而對現(xiàn)有航海模擬器不會產(chǎn)生不良影響。本文提出的推力分配方法，有助于推進(jìn)DP模擬器研究，提高DP模擬器運(yùn)行的穩(wěn)定性。