[發明專利]一種海洋鉆井平臺動力定位系統推力分配方法

無效

• 申請號: 201110346363.7
• 申請日: 2011-11-04
• 公開（公告）號: CN102508431A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 俞孟蕻;袁偉;劉鵬;陳紅衛;楊奕飛;李興友;李彥
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02;B63H21/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

1.一種海洋鉆井平臺動力定位系統推力分配方法，其特征在于包括以下步驟：

設定推力分配的輸入量：縱向合力、橫向合力和艏搖力矩為已知參數，設定每個推進器的推力幅值和方向為未知變量，即待優化解；對平臺受力進行分析即將各個推進器的推力分解在X、Y軸方向上，在三個自由度方向上所有推進器產生的合力和合力矩與推力分配的輸入指令相；根據海洋鉆井平臺推進器的布置，應用粒子群算法進行推力分配。

2.根據權利要求1所述的一種海洋鉆井平臺動力定位系統推力分配方法，其特征在于應用粒子群算法進行推力分配的方法，包括以下步驟：

步驟1.海洋鉆井平臺推進器布置，建立動力定位系統的推力分配模型，令推力指令τ＝[F_x，F_y，M_z]，則

τ＝B(α)u

其中u＝[u₁，u₂，L，u₈]，B(αi)=cosαisinαi-lyicosαi+lxisinαi;]]>

F_x、F_y、M_z分別為對抗平臺外力的縱向、橫向力和回轉力矩，τ為合力的推力矢量；u為八個推進器的推力矢量；α_i為第i個推進器的X軸與推進器和平臺旋轉中心之間的夾角，l_xi，l_yi為第i個推進器的位置，B(α)為對應的矩陣。

步驟2.初始化算法參數：粒子群優化算法的參數包括種群的規模M，代表有多少個初始的分配方案；迭代次數表示在眾多的分配方案空間中搜索的次數N；粒子的維數D，表示在分配方案中優化解的數目；

步驟3.將步驟1和步驟2中所述的信息讀入粒子群算法中；

步驟4.根據推進器配置編碼：編碼即粒子位置的表示方法，編碼方式采用基于實數向量的編碼方式，對控制量編碼是根據鉆井平臺配備的推進器的數目，得到所需要分配的控制量，每個推進器包含兩個控制量，包括推力幅值和方向；

步驟5.計算適應度：根據粒子的狀態計算優化分配的目標函數，目標函數是粒子的適應度，推力分配優化的目標函數是最小化燃油的消耗和減小推力誤差，同時引入松弛因子用于懲罰指令推力和產生的廣義推力之間的誤差，通過目標整合，將多個目標整合為一個綜合目標，對每個目標均賦予一個相應的權值；目標函數為：

J＝p₁S_x²+p₂S_y²+p₃S_z²+p₄W

滿足如下的約束條件：

s.t.S＝τ-B(α)T

T_min≤T≤T_max，α_min≤α≤α_max，

ΔT_min≤ΔT≤ΔT_max，Δα_min≤Δα≤Δα_max

(α-αl+αu2)2-(αu-αl2)2≥0]]>

約束條件中第一項用于懲罰推力誤差，其中S＝[S_x，S_y，S_z]分別為三個方向上的推力誤差；第二項限制推進器的推力大小范圍和方位角的大小范圍，T_min為最小推力，T_max為最大推力，α_min為最小方位角，α_max為最大方位角；第三項約束推進器的推力和方位角變化率，ΔT為當前采樣時刻的推力變化值，ΔT_min為當前采樣時刻推力變化的最小變化值，ΔT_max為當前采樣時刻推力變化的最大變化值，Δα為當前采樣時刻的方位角變化值，Δα_min為當前采樣時刻的方位角變化的最小變化值，Δα_max為當前采樣時刻的方位角變化的最大變化值；第四項避免推進器方位角陷入推力禁區；

步驟6.比較粒子的適應度：找到種群中適應度最高的粒子保存，同時每個粒子和自身之前的計算的適應度比較，保存自身最好的適應度；

步驟7.根據粒子的速度和位置更新公式進行粒子狀態的更新，包括粒子的位置和速度更新，粒子的速度和位置更新公式為：

vi,j(t+1)=ωvi,j(t)+c1r1(pi,j-xi,j(t))+c2r2(pg,j-xi,j(t))xi,j(t+1)=xi,j(t)+vi,j(t+1),j=1,L,D]]>

上式中，x_i＝(x_i1，x_i2，L，x_iD)表示第i個粒子的狀態，每個粒子表示D維空間的一個解，v_i＝(v_i1，v_i2，L，v_iD)表示每個粒子的速度向量，且v_i滿足：v_i≤最大速度v_max；P_i表示每個粒子經歷過的最優狀態；P_g表示群體經歷過的最優狀態，ω為慣性權重，c₁，c₂為加速度常數，r₁，r₂為兩個取值介于[0，1]之間的隨機數；

步驟8.重復步驟(5)到步驟(7)的過程，即對可能的優化分配方案進行搜索，達到預定的最大迭代次數或兩次迭代中對應的種群最優值小于設定的閾值時，結束算法；

步驟9.輸出粒子群算法尋找到的最優分配方案，即每個推進器產生的推力幅值和方向；

步驟10.優化分配結果逆映射：根據推進器自身的特性，得到推進器的控制信號，即推進器的轉速和方位角，以產生推力分配方法中所需推進器在特定方向的推力。