海洋工程船推力分配策略

祝慶慶，俞孟蕻，盧佳佳，韋 華

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

海洋工程船推力分配策略

祝慶慶，俞孟蕻，盧佳佳，韋 華

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

闡述一種處理全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器之間水動力干擾問題的方法。推力分配策略以能量消耗低、首向最優(yōu)、推力誤差小、最小化推進(jìn)器最大推等為目標(biāo)建立優(yōu)化函數(shù)，綜合考慮到推進(jìn)器物理?xiàng)l件限制而設(shè)置動態(tài)推力區(qū)域，考慮到全回轉(zhuǎn)推進(jìn)之間水動力干擾而采用在推力禁區(qū)內(nèi)限制推進(jìn)器最大推力的方法。最后使用序列二次規(guī)劃解決以上問題。仿真結(jié)果表明，限制推進(jìn)器禁區(qū)內(nèi)最大推力的方法降低了能量消耗，減少了推進(jìn)器機(jī)械磨損，對于推力分配策略選取是一種合理有效的選擇。

推力分配;水動力干擾;序列二次規(guī)劃;推力禁區(qū)

0 引言

推力分配是動力定位系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其通過某種分配邏輯來控制自身推進(jìn)器產(chǎn)生的力和力矩，來抗衡作用于船上的外界干擾力和干擾力矩，使船舶保持航行或定位且滿足首向、航速、航跡及精度等要求。推力分配策略研究一般分為以下2個(gè)部分:

1）建立合適的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件，此過程中應(yīng)滿足船舶定位精度、首向最優(yōu)、能耗低等要求，同時(shí)要找到解決推進(jìn)器物理?xiàng)l件限制、避免奇異結(jié)構(gòu)等問題的方法，并找出一個(gè)合適的優(yōu)化算法解決上述問題［1］;

2）考慮推進(jìn)器與船體之間及推進(jìn)器之間的水動力干擾問題。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器之間的水動力干擾是難以避免的，水動力干擾造成了較大的能量損失，針對此問題Johansen，Christiaan 和吳顯法等［2～4］提出設(shè)置推力禁區(qū)的方法以降低能耗，其中吳顯法以接受推力衰減、設(shè)置推進(jìn)禁區(qū)及推進(jìn)器在禁區(qū)出現(xiàn)時(shí)，控制系統(tǒng)將其控制在禁區(qū)外面，并產(chǎn)生推力這3種方法優(yōu)劣加以詳細(xì)對比［5］。本文在此基礎(chǔ)上提出另外一種方法即在推力禁區(qū)內(nèi)限制推進(jìn)器最大推力并和設(shè)置推力禁區(qū)方法進(jìn)行比較。

1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件

根據(jù)海洋工程船舶定位要求，推力分配的目標(biāo)

函數(shù)及約束條件有以下幾點(diǎn)要求:① 能源消耗少;②首向最優(yōu);③設(shè)置動態(tài)推力區(qū)域，減少推進(jìn)器機(jī)械磨損;④最小化推進(jìn)器最大推力，避免2個(gè)主推進(jìn)器的推力值相差過大。由以上幾點(diǎn)得到推力分配優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中的第1項(xiàng)用于計(jì)算推進(jìn)器能量消耗，其權(quán)值取值取決于推力和功率之間的關(guān)系;第2項(xiàng)中引入松弛變量s= [ sx，sy，sMz]Τ，即在縱蕩、橫蕩、首搖3個(gè)自由度上的誤差，主要保證分配算法不能滿足控制器輸入推力指令的情況下，也能得到1組最優(yōu)解，其可行解中s的期望值為0，所以權(quán)值矩陣Q＞0，其值選取要足夠大，以保證無論何時(shí)都滿足s≈0，以使推力分配輸出誤差較小;第3項(xiàng)及約束式中第2項(xiàng)是設(shè)置動態(tài)推力區(qū)域，M矩陣是推進(jìn)器在X方向產(chǎn)生推力的權(quán)值矩陣，YK，0是上一時(shí)刻推力分配在Y方向輸出值，通過改變系數(shù)ε來限制下一時(shí)刻在Y方向取值;第4項(xiàng)最小化推進(jìn)器最大推力，同時(shí)避免推進(jìn)器之間的推力值相差過大。約束條件中第1項(xiàng)τ=［Fx，F(xiàn)y，Mz］Τ是控制器輸入指令，第3項(xiàng)為推進(jìn)器推力特性區(qū)域限制。上述參數(shù)數(shù)值選取應(yīng)根據(jù)工程船不同定位要求及側(cè)重選取。

2 數(shù)值算例

2.1 坐標(biāo)系設(shè)定

本文以某布纜船為模型算例，以其常規(guī)定位作業(yè)要求建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件。其船舶坐標(biāo)系及推進(jìn)器布置如圖1所示。

圖1 某布纜船坐標(biāo)系及推進(jìn)器布置Fig.1 The coordinate system and actuator layout of a cable laying ship

表1 推進(jìn)器坐標(biāo)值及參數(shù)Tab.1 Thruster coordinates and parameters

2.2 推力禁區(qū)處理

對于推力分配問題，推進(jìn)器之間的水動力干擾是必須考慮的，干擾直接因素來源于螺旋槳產(chǎn)生的尾流。螺旋槳尾流的影響大多存在于2個(gè)螺旋槳前后布置時(shí)的情況。此時(shí)，上游螺旋槳的尾流會使下游螺旋槳入流速度增大，造成下游螺旋槳推力減小，螺旋槳的尾流在平板下會貼著平板迅速擴(kuò)散，尾流中心偏向平板方向，偏離了槳軸中心，當(dāng)附近的平板出現(xiàn)曲面時(shí)，尾流方向就會變得沿著曲面，產(chǎn)生的壓力與推力反向，這就是所謂柯安達(dá)效應(yīng) (Coanda effect）。本文提出以下2種方法來避免推力損失過大并增加船舶動力定位能力:

方法一:設(shè)置推力禁區(qū)。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推力禁區(qū)是將圓形推力特性區(qū)域除去一部分，在推力分配尋優(yōu)的過程中推力可行域內(nèi)不包括推力禁區(qū)，這樣就可以限制推力分配的最優(yōu)解進(jìn)入推力禁區(qū)，從而避免推進(jìn)器之間的水動力干擾［6］。推力禁區(qū)數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

式中α1和α2按照坐標(biāo)系順時(shí)針方向，如圖2(b）所示，圖中白色區(qū)域表示推進(jìn)器推力特性區(qū)域中除去的推力禁區(qū)部分。

推力禁區(qū)范圍一般來說是通過推進(jìn)器衰減系數(shù)圖以確定的，若無相關(guān)資料，推力禁區(qū)界限角可以通過下式確定:

式中:α為推力禁區(qū)界限，(°）;L為2個(gè)推進(jìn)器之間距離，m;D為上游推進(jìn)器直徑。

此種方法適用于兩推進(jìn)容器距離較近情況。

方法二:限制推進(jìn)器禁區(qū)內(nèi)最大推力。

尾流是造成推力減額主要因素，當(dāng)在推力禁區(qū)內(nèi)限制推進(jìn)器最大推力時(shí)，可以減小尾流流速，若尾流對下游推進(jìn)器影響可以忽略時(shí)，可避免設(shè)置推力禁區(qū)，如圖2(c）所示。通過限制推進(jìn)器最大推力以增強(qiáng)動力定位能力，其限制推力特性區(qū)域數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

式中:T＜Tmax，Tmax為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器產(chǎn)生的最大推力。

此種方法對于2個(gè)推進(jìn)器之間距離較遠(yuǎn)的情況時(shí)效果最為明顯。

圖2 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器推力禁區(qū)及其成因示意圖Fig.2 Thrust forbidden zone of an azimuth thruster and schematic of its cause

3 數(shù)值仿真

3.1 參數(shù)選取

仿真實(shí)驗(yàn)針對上述2種方法分別進(jìn)行，仿真參數(shù)選取如下:

3.2 仿真結(jié)果

1）方法一:設(shè)置推力禁區(qū)

圖3 設(shè)置推力禁區(qū)時(shí)在3個(gè)自由度上控制器輸出與優(yōu)化分配輸出指令曲線Fig.3 Controller and optimal thrust allocation output in three degrees of freedom when set the thrust forbidden zone

圖4 設(shè)置推力禁區(qū)時(shí)推進(jìn)器推力分配優(yōu)化輸出指令Fig.4 Optimal thrust allocation output of the thruster when set the thrust forbidden zone

2）方法二:限制推進(jìn)器在禁區(qū)內(nèi)最大推力

圖5 限制最大推力時(shí)在3個(gè)自由度上控制器輸出與優(yōu)化分配輸出指令曲線Fig.5 Controller and optimal thrust allocation output in three degrees of freedom when limit themaximum thrust

圖6 限制最大推力時(shí)推進(jìn)器推力分配優(yōu)化輸出指令Fig.6 Optimal thrust allocation output of the thruster when limit themaximum thrust

由圖3和圖5可以看出，2種方法都在推力分配優(yōu)化輸出和控制器輸入數(shù)值在縱蕩、橫蕩和首搖方向基本吻合，誤差較小，滿足了控制器輸入要求。

由圖4和圖6對比可以看出，采用方法一時(shí)，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器避開了推力禁區(qū)，但1#全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器方位角變化波動較大;采用方法二時(shí)，1#全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在時(shí)間為130 s和425 s左右通過了推力禁區(qū)，其產(chǎn)生最大推力T≤50 kN，且其推力輸出指令、方位角變化平緩，減少了推進(jìn)器機(jī)械磨損。

圖7 2種方法消耗功率對比Fig.7 The power consumption comparison between twomethods

由圖7可以看出，2種方法消耗總功率相差不大，但方法二在一定程度上降低了能源損耗。

4 結(jié)語

由仿真結(jié)果可以看出，在解決全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器之間水動力干擾問題上，采用在推力禁區(qū)內(nèi)限制推進(jìn)器最大推力這種方法，使得推進(jìn)器方位角變化更平緩，功率消耗更低，對于推力分配策略選取是一種更加合理有效選擇。

［1］YANGShi-zhi，WANG Lei，ZHANGShen.Optimal thrustallocation based on fuel-efficiency for dynamic positioning system［J］.Journal of Ship Mechanics.2011，15(3）:217-226.

［2］S?RDALEN O J.Optimal thrust allocation formarine vessels［J］.Control Engineering Practice，1997，5(9）:1223-1231.

［3］JOHANSEN T A，F(xiàn)UGLSETH T P，T?NDEL P，et al.Optimal constrained control allocation in marine surface vessels with rudders［J］.Control Engineering Practice，2008(6）:444-464.

［4］JOHANSEN T A，F(xiàn)OSSEN T I，BERGE S P.Constrained nonlinear control allocation with singularity avoidance using sequential quadratic programming［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2004(12）:211-216.

［5］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）:92-216.

WU Xian-fa，WANG Yan-ying.Design of the thrust allocation for the dynamic positioning system［J］.Ship ＆Ocean Engineering，2008，37(3）:92-216.

［6］CHRISTIAAN D W.Optimal thrust allocation methods for dynamic positioning of ships［D］.Delft University of Technology，2009.

Research on thrust allocation strategy for ocean engineering vehicles

ZHU Qing-qing，YU Meng-hong，LU Jia-jia，WEIHua
(School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

This paper described how to deal with the hydrodynamic interactions between azimuth thrusters.The objective of the optimal thrust allocation is less energy consumption，heading keeping，less thrust error，minimize largest thrust force，etc.Taking into account the physical conditions of the thruster set up the dynamic thrust region，the hydrodynamic interactions between azimuth thrusters are also taking into account and proposed to limit the max thrust in the forbidden zone.Finally，using the sequential quadratic programming method to solve above problems.The simulation results show that:this approach reduces energy consumption and themechanicalwear of the thruster.it's a reasonable and effective choice for the thrust allocation strategy.

thrust allocation;hydrodynamic interaction;sequential quadratic programming(SQP）;thrust forbidden zone

U674.92

A

1672-7649(2013）05-0021-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2013.05.005

2012-08-22;

2012-09-10

江蘇省科技廳科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(BE2011149）

祝慶慶(1984-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)閯恿Ｑ蠊こ檀瑒恿Χㄎ幌到y(tǒng)推力分配及控位能力。