周 興

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推力分配干擾區(qū)域處理策略研究

周 興

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

動力定位系統(tǒng)船舶的多推進(jìn)器配置通常存在推進(jìn)器間水動力干擾的問題，本文從推力優(yōu)化分配中的權(quán)值矩陣考慮，提出一種權(quán)值矩陣修正的策略，在不設(shè)置推力禁區(qū)的條件下，依然可以使推進(jìn)器避免落在推進(jìn)器干擾區(qū)域內(nèi)。

動力定位 推力分配 干擾區(qū)域 權(quán)值矩陣

0 引言

在配備推進(jìn)器較多的電力推進(jìn)系統(tǒng)平臺或者動力定位船舶上(圖1），隨著推進(jìn)器數(shù)目的增多，禁區(qū)角的區(qū)域也會相應(yīng)的發(fā)生變化[1,2]。一個推進(jìn)器上可能出現(xiàn)兩個甚至更多的干擾區(qū)。

如果上游推進(jìn)器都處于工作狀態(tài)時，則需考慮相應(yīng)的水動力干擾問題，此時如果直接設(shè)定推力禁區(qū)角，禁止推進(jìn)器進(jìn)入干擾區(qū)[3,4]，則會極大的縮減推力可行域，造成定位能力的下降[5]。

本文著重從權(quán)值矩陣，最小推力等方面解決關(guān)于此類情況下的水干擾區(qū)域處理方法。

1 權(quán)值矩陣對分配結(jié)果的影響分析

為充分考慮各方面因素對權(quán)值矩陣作用的影響，本節(jié)中選用船舶模型如圖2。

在船舶模型中包含有四個全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，兩個槽道推進(jìn)器。推進(jìn)器布置如圖1所示，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 動力定位系統(tǒng)圖

選一組典型控制力[1, 8, 0]，對權(quán)值矩陣中X和Y方向權(quán)值分別進(jìn)行加重處理，進(jìn)行推力優(yōu)化分配仿真，研究權(quán)值矩陣對分配結(jié)果的影響。

從圖3仿真結(jié)果可知，推進(jìn)器在經(jīng)過推力優(yōu)化分配計算后的角度方向與控制力方向有密切聯(lián)系。由圖3中角度分配結(jié)果可以看出，當(dāng)X方向的控制力與Y方向的控制力的比例遠(yuǎn)小于1時，受控制力的影響，推進(jìn)器可容易進(jìn)入到干擾區(qū)內(nèi)。

當(dāng)改變權(quán)值矩陣內(nèi)各個推進(jìn)器Y方向分力對應(yīng)的權(quán)值系數(shù)時，對分配結(jié)果有較大的影響。選取另一組典型控制力[1, 8, 0]，對X方向權(quán)值加重進(jìn)行仿真實(shí)驗。

圖3 改變Y方向權(quán)值全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器角度示意圖

圖4 改變X方向權(quán)值全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器角度示意圖

仿真結(jié)果圖4表明，在改變權(quán)值矩陣，即對X方向權(quán)值系數(shù)進(jìn)行加重處理后，分配結(jié)果中推進(jìn)器角度基本不發(fā)生改變，推進(jìn)器落在了推力禁區(qū)之內(nèi)。這表明此時權(quán)值矩陣的改變并不能較大的影響分配結(jié)果。

對仿真數(shù)據(jù)分析可知，權(quán)值系數(shù)比例改變，主要影響了由推進(jìn)器X和Y方向發(fā)出推力產(chǎn)生的力矩。當(dāng)Y方向的正向控制力遠(yuǎn)大于X方向時，推進(jìn)器更易朝著正Y方向發(fā)力，也更容易使推進(jìn)器落入禁區(qū)內(nèi)，此時增大權(quán)值矩陣中Y方向分力變量對應(yīng)的權(quán)值系數(shù)，使得各個推進(jìn)器在Y方向的發(fā)力產(chǎn)生變化，推力的變化導(dǎo)致Y方向產(chǎn)生推力的力矩發(fā)生變化，為保證整體力矩輸出的定值，X方向的推力產(chǎn)生的力矩相應(yīng)改變以滿足整體力矩的準(zhǔn)確輸出，相應(yīng)的X方向的推力發(fā)生變化，從而達(dá)到改變推進(jìn)器發(fā)力角度以避免推力禁區(qū)。

2 權(quán)值矩陣處理策略

控制力的合力方向?qū)ν七M(jìn)器的角度分配有較大的影響，因此考慮當(dāng)控制合力方向偏向向坐標(biāo)軸方向時，通過改變權(quán)值系數(shù)影響角度分配結(jié)果?；谕七M(jìn)器布置的對稱性考慮，改變推進(jìn)器的最小推力以達(dá)到避免落入干擾區(qū)域的目的，其基本原理如下:

根據(jù)以上思想，建立避免干擾區(qū)域的策略：

1）判斷當(dāng)前控制周期內(nèi)推進(jìn)器角度是否滿足不落在禁區(qū)且離禁區(qū)邊界10度（單位周期內(nèi)推進(jìn)器能變化達(dá)到的最大角度）外的地方，如若滿足，則無須處理，輸出結(jié)果；若推進(jìn)器角度落在禁區(qū)或者靠近干擾區(qū)10度內(nèi)時，進(jìn)行下面計算：

判斷當(dāng)前控制力的合力方向：

2）計算分別由所有推進(jìn)器X方向和Y方向分力產(chǎn)生的力矩大?。?/p>

a）若滿足

權(quán)值系數(shù)的加重需設(shè)上限，如果權(quán)值系數(shù)任意增加，將影響控制力偏差懲罰項的作用，導(dǎo)致分配結(jié)果不準(zhǔn)確。修正權(quán)值后重新利用二次規(guī)劃算法進(jìn)行推力優(yōu)化分配求解。

4）若計算結(jié)果力矩大小滿足要求，則停止更新權(quán)值系數(shù)，輸出結(jié)果。

若判斷配置矩陣在X（Y）方向?qū)ΨQ，且則改變推進(jìn)器的最小推力，將目標(biāo)函數(shù)中的能耗項權(quán)值矩陣初始化為單位矩陣，并結(jié)合當(dāng)前對稱推進(jìn)器個數(shù)重設(shè)優(yōu)化分配模型中推力下限：

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證權(quán)值矩陣和最小推力改變對分配結(jié)果影響的有效性，利用船舶模型在一組緩變控制力和力矩的要求下進(jìn)行未處理和處理權(quán)值矩陣（最小推力）的推力分配仿真實(shí)驗，初始權(quán)值矩陣選用單位矩陣，推進(jìn)器的干擾區(qū)角度見表2。

仿真結(jié)果及分析如下：

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

圖5 未處理推力分配分配結(jié)果

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

由圖5和6中a和b可以看出，未處理前和處理后分配結(jié)果都滿足控制力和力矩的要求。由圖5和6中c可知，經(jīng)過權(quán)值矩陣改變和最小推力處理后的分配結(jié)果與未經(jīng)處理的推進(jìn)器角度分配結(jié)果相比，推進(jìn)器的角度對比未處理之前，發(fā)生了較大的改變。在0-100周期內(nèi)，未處理分配結(jié)果中推進(jìn)器1和推進(jìn)器2所處的發(fā)力角度會對推進(jìn)器5和推進(jìn)器6造成干擾，而在處理后，推進(jìn)器1和2都有效的避開了發(fā)力干擾區(qū)；在400～500個周期內(nèi)也可看到相較處理前，推進(jìn)器2和6避開了發(fā)力干擾區(qū)。在0-100個周期內(nèi)，X方向和Y方向的力矩沒有發(fā)生變化，此時再X方向推進(jìn)器布置對稱，改變推力的下限值對推進(jìn)器的角度產(chǎn)生了影響；在400～500周期內(nèi)，X方向和Y方向的力矩發(fā)生了較大的變化，控制力的方向變化導(dǎo)致了Y方向權(quán)值因子的加重，推進(jìn)器都未落在干擾區(qū)內(nèi)，說明了經(jīng)過權(quán)值矩陣加重處理對避免干擾區(qū)域的有效性。

4 結(jié)束語

本文研究了當(dāng)一個推進(jìn)器上存在多個干擾區(qū)時改變權(quán)值矩陣及最小推力對分配結(jié)果的影響，提出了使推進(jìn)器盡可能避免落在干擾的處理策略。仿真結(jié)果說明了避免干擾區(qū)的處理方法的有效性。

[1] Millan. Thrust allocation techniques for dynamically positioned vessels[R]. 2008.

[2] 祝慶慶. 海洋工程船推力分配策略[J]. 船舶科學(xué)技術(shù), 2013, 35(5): 21-24.

[3] 邊信黔, 付明玉, 王元慧. 船舶動力定位[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2011.

[4] 吳顯法, 王言英. 動力定位系統(tǒng)的推力分配策略研究[J]. 船海工程, 2008, 37(3): 92-96.

[5] 許林凱. 動力定位推力分配混合策略研究[D]. 武漢理工大學(xué), 2015.

Research on Handling Strategy of Thrust Allocation Interference Region

Zhou Xing

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

U664.3

A

1003-4862（2018）01-0043-05

2017-11-15

周興（1991-），男，碩士。研究方向：船舶推進(jìn)系統(tǒng)。