一种双泵喷水推进船舶矢量控制推力分配优化方法

技术领域

本发明涉及一种双泵喷水推进船舶矢量控制推力分配方法，属于喷水推进船舶矢量控制技术领域。

背景技术

本专利所述的喷水推进船舶在船尾装有两台左右对称的喷水推进器，基于矢量控制操纵方式可完成原地回转、横移停靠、斜移等特殊航行任务。推力分配是实现双泵喷水推进船舶矢量控制的关键所在，可提高综合控制性能，减少船舶推进设备的磨损，提高能源利用效率，兼顾喷水推进舰船航行过程中的操控性、经济性和安全性要求。目前船舶推力分配问题的研究主要集中在具有多回转推进器和螺旋桨推进器的船舶动力定位系统中，对于配备操舵倒航装置的双泵喷水推进船舶并未涉及。

经过对现有技术检索后发现，中国专利申请号CN201310559925.5，公开日2014-02-19，提出了一种船舶动力定位控制方法，通过推力分配模块将纵荡、横荡和艏摇三个方向上的力和力矩施加到船舶动态运动模型上，实现船舶动力定位，该专利主要贡献在于提出了一种具有多步预测、滚动优化的控制方法，并未涉及具体推力分配方法，其算法有效性有待进一步考察。此外，目前现有专利并未发现涉及喷水推进船舶推力分配问题，这一空缺有待填补。

经过对现有文献检索后发现，谢笑颖、郝芳等在《船舶与海洋工程》(2017年第33卷第2期：46-52)发表了“基于喷水推进器的单手柄操纵系统推力分配策略”，对喷水推进器的单手柄操纵系统推力分配策略进行研究，提出了一种改进广义逆推力分配算法，然而该文所述算法在约束条件中未考虑推进器最大转动速率和推进器能提供的最大推力，所使用推力指令由虚拟正弦波合成，并未考虑矢量控制任务所需实际推力指令。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术主要是基于喷水推进器的单手柄操纵系统推力分配策略，是一种改进广义逆推力分配算法，然而此算法在约束条件中未考虑推进器最大转动速率和推进器能提供的最大推力，所使用推力指令由虚拟正弦波合成，并未考虑矢量控制任务所需实际推力指令。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种双泵喷水推进船舶矢量控制推力分配优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据选定的矢量控制横移或矢量控制斜移任务，解析得到航行任务指令；

步骤2、设计基于模糊PID的虚拟矢量控制器，闭环计算获得完成既定矢量控制航行任务所需合推力和合力矩；

步骤3、设计兼顾双泵喷水推进船舶稳定性、动态响应特性和稳态跟踪精度要求的推力分配目标函数，并根据实际物理限制对推力分配目标函数的各类约束的范围进行限定；

步骤4、采用序贯二次规划方法求解通过步骤3得到的推力分配优化问题，获得两台喷水推进器的主机转速、操舵角和倒航角设定值，即实时更新的喷水推进控制系统输出信号。

优选地，步骤1中，所述矢量控制横移或所述矢量控制斜移任务是指保持船舶艏向角不变，通过调节两台喷水推进器的操舵角、倒航角及主机转速，实现水平面内的横向航行或斜向航行。

优选地，步骤1中，解析得到航行任务指令为：如果速度跟踪回路能够跟踪上设计的包含位置误差信息的虚拟控制量，则可完成位置跟踪任务。

优选地，步骤1中，所述航行任务指令通过以下步骤解析得到：

选定所述矢量控制横移或所述矢量控制斜移任务航行轨迹(x

设计虚拟的轨迹跟踪控制律，即横向期望速度u

式(2)中，

则由式(2)得下式(3)：

式(3)中，ψ为船舶艏摇角；u为实际横向速度，v为实际纵向速度；

当实际速度能够跟踪上期望速度时，即u-u

选取Lyapunov函数V如下式(5)所示：

Lyapunov函数V的一阶导数

当时间趋向于无穷大时，位置误差(x

优选地，步骤2中，设计基于模糊PID的虚拟矢量控制器时，定义系统速度误差e(t)和误差变化率e

式(7)中，r(t)为系统设定值，

则所述基于模糊PID的虚拟矢量控制器的控制量输出如下式(8)所示：

式(8)中，τ

优选地，依据系统误差及误差变化率确定系统的不同运行状态，在选定基于模糊PID的虚拟矢量控制器的初始参数K

优选地，所述模糊参数调节系统采用以下方法获得所述输出量ΔK

利用模糊化因子k

优选地，所述模糊参数调节系统选取模糊化和解模糊的模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，选取的论域范围是[-3,3]，量化等级是{-3,-2,-1,0,1,2,3}，输入量和输出量的隶属度函数分别取高斯型和三角型，模糊规则库由下表所示的49条规则构成：

上表中，e即为所述速度误差e(t)，e

优选地，步骤3中，所述推力分配目标函数的约束条件分为获得期望合推力和合力矩的等式约束条件以及喷水推进器物理限制产生的约束条件，其中，对于获得期望合推力和合力矩的等式约束条件，有：

所述基于模糊PID的虚拟矢量控制器输出的合推力和合力矩τ

τ

式(10)及式(11)中，τ

由此，获得期望合推力和合力矩的等式约束条件表示为下式(12)：

B(α)F+s＝τ

式(12)中，s使得当两台喷水推进器产生的合推力和合力矩不能满足给定τ

对于喷水推进器物理限制产生的约束条件，有：

喷水推进器物理限制产生的约束条件包括：正航、倒航时喷水推进器产生的最大推力及最快推力变化速率，操舵、倒航机构最大转动角度及最快转动角度变化速率；

推力分配目标函数min描述如下式(13)：

式(13)中，n＝2，即有i＝1,2，表示左右两台喷泵序号；F

优选地，步骤4中，采用序贯二次规划方法求解通过步骤3得到的推力分配优化问题中，在每一迭代步通过求解一个二次规划子问题来确立一个下降方向并通过一维搜索求取步长，重复上述步骤直至求得原问题的最优解。

本发明提供的一种双泵喷水推进船舶矢量控制推力分配方法，可完成双泵喷水推进船舶矢量控制航行任务，实现控制精度和航行经济的协调优化。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明基于模糊PID控制计算得到推力分配所需推力和合力矩，具有一定鲁棒性且计算速度较快，采用序贯二次规划方法优化求解推力分配最优化问题，算法结构简单，易于实现；

2)本发明可以根据需要对推力分配问题的目标函数和约束条件进行调整，对实现矢量控制控制精度和经济性的协同优化具有重要意义。

附图说明

图1为虚拟模糊PID控制系统；

图2为虚拟模糊PID控制系统中模糊参数调节流程；

图3为序贯二次规划算法流程。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供了一种双泵喷水推进船舶矢量控制推力分配优化方法，包括以下步骤：

步骤1、根据选定的矢量控制横移或矢量控制斜移任务，解析得到航行任务指令。

矢量控制横移或矢量控制斜移任务是指保持船舶艏向角不变，通过调节两台喷水推进器的操舵角、倒航角及主机转速，实现水平面内的横向航行或斜向航行。

选定所述矢量控制横移或所述矢量控制斜移任务航行轨迹(x

为了将船舶位置误差考虑进跟踪系统，设计虚拟的轨迹跟踪控制律，即横向期望速度u

式(2)中，

则由式(2)得下式(3)：

式(3)中，ψ为艏摇角；u为实际横向速度，v为实际纵向速度；

当实际速度能够跟踪上期望速度时，即u-u

选取Lyapunov函数V如下式(5)所示：

Lyapunov函数V的一阶导数

当时间趋向于无穷大时，位置误差(x

步骤2、设计基于模糊PID的虚拟矢量控制器，闭环计算获得完成既定矢量控制航行任务所需合推力和合力矩。模糊PID为已有方法，参见《模糊控制系统及应用》，电子工业出版社，2012。

设计基于模糊PID的虚拟矢量控制器时，定义系统速度误差e(t)和误差变化率e

式(7)中，r(t)为系统设定值，

则基于模糊PID的虚拟矢量控制器的控制量输出如下式(8)所示：

式(8)中，τ

依据系统误差及误差变化率确定系统的不同运行状态，在选定基于模糊PID的虚拟矢量控制器的初始参数K

模糊参数调节系统采用以下方法获得所述输出量ΔK

利用模糊化因子k

模糊参数调节系统选取模糊化和解模糊的模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，选取的论域范围是[-3,3]，量化等级是{-3,-2,-1,0,1,2,3}，输入量和输出量的隶属度函数分别取高斯型和三角型，模糊规则库由下表所示的49条规则构成：

上表中，e即为所述速度误差e(t)，e

步骤3、设计兼顾双泵喷水推进船舶稳定性、动态响应特性和稳态跟踪精度要求的推力分配目标函数，并根据实际物理限制对推力分配目标函数的各类约束的范围进行限定。

所述推力分配目标函数的约束条件分为获得期望合推力和合力矩的等式约束条件以及喷水推进器物理限制产生的约束条件，其中，对于获得期望合推力和合力矩的等式约束条件，有：

所述基于模糊PID的虚拟矢量控制器输出的合推力和合力矩τ

τ

式(10)及式(11)中，τ

由此，获得期望合推力和合力矩的等式约束条件表示为下式(12)：

B(α)F+s＝τ

式(12)中，s使得当两台喷水推进器产生的合推力和合力矩不能满足给定τ

对于喷水推进器物理限制产生的约束条件，有：

喷水推进器物理限制产生的约束条件包括：正航、倒航时喷水推进器产生的最大推力及最快推力变化速率，操舵、倒航机构最大转动角度及最快转动角度变化速率；

推力分配目标函数minJ描述如下式(13)：

式(13)中，n＝2，即有i＝1,2，表示左右两台喷泵序号；F

步骤4、采用序贯二次规划方法求解通过步骤3得到的推力分配优化问题，获得两台喷水推进器的主机转速、操舵角和倒航角设定值，即实时更新的喷水推进控制系统输出信号。

采用序贯二次规划方法求解通过步骤3得到的推力分配优化问题中，在每一迭代步通过求解一个二次规划子问题来确立一个下降方向并通过一维搜索求取步长，重复上述步骤直至求得原问题的最优解。

考虑一般非线性最优化问题：

min f(x)

s.t. g

h

可将上述最优化问题转化为如下式(15)所示的二次规划问题：

式(14)及式(15)中，f(x)为目标函数；g

求解此二次规划问题所获得迭代方向，并在此迭代方向上进行一维搜索确定步长α，得到最优解x

则x

求解的结果为两台喷水推进器的操舵角、倒航角设定值，主机转速由所分配推力折算获得。

本发明基于模糊PID虚拟控制器闭环计算得到推力分配所需合推力和合力矩，具有一定鲁棒性且计算速度较快，采用序贯二次规划方法优化求解推力分配最优化问题，算法结构简单，易于实现；本发明可以根据需要对推力分配问题的目标函数和约束条件进行调整，对实现矢量控制控制精度和经济性的协同优化具有重要意义。