動力定位船舶推力優(yōu)化分配研究

劉 凱，文 武，夏 義

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動力定位船舶推力優(yōu)化分配研究

劉 凱，文 武，夏 義

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對動力定位船舶處于環(huán)境力較小而方向頻繁變化的特殊海洋環(huán)境中定位作業(yè)的推力分配問題，采用組合偏置策略進行推力優(yōu)化分配，研究了偏置量大小對組合偏置效果的影響規(guī)律，并針對組合偏置后存在能量消耗過大的問題，提出了基于能耗最優(yōu)的二次推力分配方法。仿真結果揭示了偏置量不同對組合偏置效果的影響規(guī)律，驗證了二次推力分配方法對降低推進系統(tǒng)組合偏置后能量消耗的有效性。

動力定位 組合偏置 能耗最優(yōu) 二次推力分配

0 引言

在復雜多變的海洋環(huán)境中定位作業(yè)的船舶可能會由于單個或多個推進器的故障而失去預定位置，這種位置的喪失將導致嚴重的后果。因此，DP船舶的推進系統(tǒng)通常設計為過驅(qū)動系統(tǒng)，以滿足DP船舶在任何情況下水平面上不同方向推力和力矩的需求[1]。關于推力分配優(yōu)化問 題的建模與求解，有關學者已經(jīng)做了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果[2,3]。

當船舶處于環(huán)境力較小而方向頻繁變化的特殊海洋環(huán)境中定位作業(yè)時，采用常規(guī)的推力分配方法將會導致推進器的方位角也頻繁地變化，但由于推進器本身的物理特性，方位角轉動速度有限，很可能出現(xiàn)方位角的滯后現(xiàn)象而影響船舶的定位精度，同時也會加速推進器的磨損。針對這類問題，Kongsberg[4]提出了偏置的思想，即對DP船舶的推進器進行分組，允許推進器之間推力相互抵消。這種方法雖然額外消耗了部分功率，但避免了因推進器頻繁轉向而降低定位精度及加速推進器磨損等問題，在實際工程中有重要應用價值。Veksler[5]采用組合偏置算法以減少DP船舶在復雜工況下船舶電站的功率大幅度波動。國內(nèi)學者施小成、魏玉石等人針對組合偏置算法提出了自適應組合偏置策略[6]，仿真結果表明自適應組合偏置策略能有效地提高船舶的動態(tài)性能，但是沒有系統(tǒng)研究偏置量的大小對偏置效果的影響，而且在組合偏置后存在推進系統(tǒng)能量消耗過大的問題。

為揭示偏置量的大小對偏置效果的影響規(guī)律，解決組合偏置后存在推進系統(tǒng)能量消耗過大的問題，本文以一艘DP船舶為研究對象，將系統(tǒng)研究偏置量對偏置效果的影響，并提出二次推力分配算法以降低組合偏置后推進系統(tǒng)的能量消耗。

1 推力分配數(shù)學模型

1.1 目標函數(shù)

為了滿足DP船舶的作業(yè)精度和燃油消耗率最小的要求，本文以船舶電站的能耗最小和推力偏差最小為目標函數(shù)：

1.2 約束條件

1.2.1等式約束

1.2.2不等式約束

在推力分配過程中，需要考慮各推進器的最大推力限制、推力變化率限制、全回轉推進器最大角度限制及其轉動變化率限制，則不等式約束可表示為：

2 推進系統(tǒng)組合偏置算法

在船舶定位過程中，當外界環(huán)境力較小而方向頻繁大角度變化時，采用推進器組合偏置的策略可以有效地解決全回轉推進器方位角頻繁大角度變化而導致方位角滯后的問題，從而提高船舶的定位精度，降低推進器的磨損。

2.1 組合偏置原理

組合偏置是指對DP船舶上的推進器進行分組，允許推進器之間的推力相互抵消，其中推力相互抵消量稱為偏置量[8]?？梢詫⑵梅譃榻M內(nèi)偏置和組間偏置，組內(nèi)偏置是指允許組內(nèi)全回轉推進器之間的推力相互抵消；組間偏置是指將各個組內(nèi)的全回轉推進器等效成一個推進器，允許等效后推進器組之間的推力相互抵消。向外偏置是指兩全回轉推進器抵消力的方向背離兩推進器連線的中點；向內(nèi)偏置是指兩全回轉推進器抵消力的方向指向兩推進器連線的中點。

2.2 組合偏置推力分配算法

圖1 推進器布置示意圖

將推進器1和2等效為一個推進器，則它們在X軸和Y軸方向的分力以及其產(chǎn)生的力矩可以表示為公式（5）。

式中，為偏置量系數(shù)。

則自適應偏置量可以表示為：

2.3 二次推力分配方法

應用組合偏置推力分配算法得到的推進器角度變化是比較平穩(wěn)的，但推進器推力大小相對于偏置前會大幅度增加，從而導致動力系統(tǒng)燃油消耗增加。針對推進系統(tǒng)能量消耗過大問題，本文提出二次推力分配方法，它的主要思路是在應用組合偏置法得到各推進器角度的基礎上，以能量最優(yōu)為目標，重新計算當前角度下的最優(yōu)推力，避免推進器的方位角的突變，減小推進器的磨損，及燃油消耗。

二次推力分配方法的計算流程為：

1）通過優(yōu)化算法求解推力分配問題，得到各推進器的最優(yōu)推力和角度；

2）應用組合偏置將推進器分成不同等級的組，計算偏置量，得到偏置后的推力和角度；

3）通過二次推力分配方法計算當前角度的最優(yōu)推力，得到推進器所需發(fā)出的推力以及偏轉的角度。

3 仿真結果與分析

為了驗證上述方法的有效性，本文以一艘DP船舶為對象進行計算機仿真研究。仿真中模仿DP船舶的定位過程，待分配力和力矩如圖2所示。推進器的布置如圖3所示，技術參數(shù)如表1所示，其中1號、2號、3號、4號全回轉推進器的推力最大變化率為10 N ?s-1，最大角度變化率為10 deg ?s-1；5號和6號推進器的推力最大變化率為5 N ?s-1。

圖2 待分配的控制力和力矩

圖3 推進器布置圖

表1 推進器有關參數(shù)

推進器編號技術參數(shù) 安裝坐標(m)最大推力(N) 推進器1（-1.680，0.175）49.050 推進器2（-1.680，-0.175）49.050 推進器3（0.500，0.175）49.050 推進器4（0.500，-0.175）49.050 推進器5（1.365，0.000）14.715 推進器6（1.245，0.000）14.715

圖4 推進器1推力變化

圖5 推進器1方位角變化

圖4和圖5分別表示推進器1進行組合偏置后取不同偏置量時推力和方位角的變化曲線，圖9表示推進系統(tǒng)進行組合偏置后取不同偏置量時能量消耗的變化曲線。從圖5和圖6表明隨著偏置量的增大，推進器發(fā)出的推力也增大，而推進器方位角的變化越平穩(wěn)，推進器的磨損也越??；比較當ε=0.2和ε=0.3時，推進器的角度變化相近，其中推進器1和推進器2的角度分別保持在40°和-40°附近，這樣可以有效地減小兩個推進器之間的水動力干擾，降低推進器的推力損失，但ε=0.3時推進器發(fā)出的推力比ε=0.2時發(fā)出的推力有較大幅度的增加，表明當偏值量處于某一臨界值時繼續(xù)增加偏值量對推力分配效果的改善很小，而船舶動力系統(tǒng)的能量消耗因推進器抵消的推力增大而大幅度增加，從而造成不必要的能量浪費，如圖6所示。故偏值量的設定并非越大越好，應結合實際工況合理選取。

圖6 推進系統(tǒng)能量消耗對比

圖7 推進器1推力變化

圖8 推進器1方位角變化

為了檢驗組合偏置后進行二次推力分配方法的有效性，取偏置量系數(shù)ε=0.2時計算得到的組合偏置后各推進器的方位角，并采用二次推力分配方法計算當前方位角下各推進器的最優(yōu)推力。圖7和圖8表示推進器1在不同分配策略下推力和方位角的變化曲線，圖9表示推進系統(tǒng)在不同分配策略下能量消耗的變化曲線。從圖7可以看出，二次推力分配后的推力比二次推力分配前的推力有較大幅度的減小。從圖9可以看出，二次推力分配后推進系統(tǒng)的能量消耗比二次推力分配前有大幅度的降低。因此，在組合偏置后采用二次推力分配方法不僅可以保留組合偏置的優(yōu)點，使推進器方位角的變化趨于平穩(wěn)，減小推進器之間的水動力干擾，而且有效地降低了組合偏置后推進器的能量消耗，避免了不必要的能量浪費。

圖9 推進系統(tǒng)能量消耗對比

4 結論

組合偏置策略在DP船舶作業(yè)中有重要的工程應用價值。本文以一艘DP船舶為仿真實驗對象，系統(tǒng)研究了組合偏置中偏置量大小對偏置效果的影響規(guī)律，并以減小組合偏置后動力系統(tǒng)能耗為目的，提出了二次推力分配方法。仿真結果表明，隨著偏置量的增大，推進器發(fā)出的推力也增大，而推進器方位角的變化越平穩(wěn)，但當偏值量增加到某一臨界值時繼續(xù)增加偏值量對推力分配效果影響很小，卻會因推進器抵消的推力增大而大幅度增加推進系統(tǒng)的能量消耗，從而造成大量的能量浪費；組合偏置后采用二次推力分配方法不僅可以使推進器方位角的變化趨于平穩(wěn)，減小推進器之間的水動力干擾，而且能有效地降低組合偏置后動力系統(tǒng)的燃油消耗，減少大氣排放。

[1] 邊信黔, 付明玉, 王元慧. 船舶動力定位系統(tǒng)[M]. 科學出版社, 2011.

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[7] 王芳, 潘再生, 萬磊等. 深水鉆井平臺動力定位的推力分配研究[J]. 船舶力學, 2013, 17(1-2): 19-28.

[8] 徐海祥, 文武, 馮輝. 自適應組合偏置推力分配算法[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2016, 40(4): 569-570.

Research on Optimal Thrust Distribution of Dynamic Positioning Ship

Liu Kai, Wen Wu, Xia Yi

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

TP273

A

1003-4862（2018）09-0039-05

2018-4-19

文武（1993-），男，碩士。研究方向：船舶動力定位系統(tǒng)。Email: ww199305058@163.com