[發(fā)明專利]一種基于模型預(yù)測(cè)控制的船舶推進(jìn)系統(tǒng)燃油控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110078455.5
• 申請(qǐng)日: 2021-01-20
• 公開（公告）號(hào): CN112925201B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊瑩;王嘉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

本發(fā)明公布了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的船舶推進(jìn)系統(tǒng)燃油控制方法，包括離線過程和在線過程，離線過程包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)辨識(shí)及模型預(yù)測(cè)控制器次優(yōu)程度的估算與量化；在線部分包括控制律的改進(jìn)；使用船舶推進(jìn)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)建立動(dòng)態(tài)辨識(shí)模型，構(gòu)造船舶推進(jìn)系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制器，得到次優(yōu)解；再根據(jù)模型預(yù)測(cè)控制器的參數(shù)，得到對(duì)模型預(yù)測(cè)控制律的次優(yōu)程度的估計(jì)，并修正傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制律，使之逼近全局最優(yōu)控制律，從而實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)辨識(shí)改進(jìn)模型預(yù)測(cè)控制。采用本發(fā)明方法，能夠提升船舶推進(jìn)系統(tǒng)的燃油性能，減少燃油消耗，降低成本，由此提高船舶推進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于船舶推進(jìn)系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及船舶推進(jìn)系統(tǒng)燃油的控制的方法，具體涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)和模型預(yù)測(cè)控制的船舶系統(tǒng)燃油控制改進(jìn)方法，可以提升船舶推進(jìn)系統(tǒng)的燃油性能，減少燃油消耗，降低成本。

背景技術(shù)

推進(jìn)系統(tǒng)是船舶的重要組成部分，具體包括了推進(jìn)主軸和船用柴油機(jī)。船舶航運(yùn)的經(jīng)濟(jì)成本主要取決于船舶推進(jìn)系統(tǒng)的性能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在遠(yuǎn)洋航運(yùn)中燃油成本約占了總成本的75％，因此，針對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器以優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性能是有意義的。

現(xiàn)有的針對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性能控制器的方法主要是基于推進(jìn)系統(tǒng)的模型，尋找使燃油消耗達(dá)到極小值的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。現(xiàn)有的推進(jìn)系統(tǒng)的模型傳統(tǒng)上是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蠊こ處熡泻茇S富的工程經(jīng)驗(yàn)，并且會(huì)耗費(fèi)大量精力。近年來，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提升，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模方法得到了廣泛的關(guān)注，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等建模方法進(jìn)行船舶推進(jìn)系統(tǒng)燃油的控制，可以大大縮短建模所需的精力。但是，不管是現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法，通常都具有很強(qiáng)的非線性，這樣就導(dǎo)致在求解最小化燃油消耗問題時(shí)，往往只能使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)一個(gè)局部最優(yōu)值而非全局最優(yōu)，限制了運(yùn)行成本的進(jìn)一步降低。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的船舶推進(jìn)系統(tǒng)燃油控制方法，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的改進(jìn)的模型預(yù)測(cè)控制，減少燃油消耗，提升船舶推進(jìn)系統(tǒng)的燃油效率，降低成本。

本發(fā)明首先通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法辨識(shí)得到船舶推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)辨識(shí)模型，然后基于動(dòng)態(tài)辨識(shí)模型設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)控制器，并對(duì)模型預(yù)測(cè)控制律的次優(yōu)程度進(jìn)行估計(jì)，最后根據(jù)對(duì)次優(yōu)程度的估計(jì)修正模型預(yù)測(cè)控制律，以提升性能。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于估計(jì)了模型預(yù)測(cè)控制律的次優(yōu)程度，并對(duì)模型預(yù)測(cè)控制律次優(yōu)程度的估計(jì)改進(jìn)控制方法，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步逼近全局最優(yōu)值。現(xiàn)有的燃油控制技術(shù)是通過調(diào)整模型預(yù)測(cè)控制器，以達(dá)到更好的控制效果；而本發(fā)明考慮到模型預(yù)測(cè)控制器本身存在的控制次優(yōu)性，提出一種易于工程實(shí)現(xiàn)的次優(yōu)性估計(jì)方法，依據(jù)該次優(yōu)估計(jì)修正模型預(yù)測(cè)控制器的輸出，從而實(shí)現(xiàn)更高效的控制燃油效果。本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的燃油控制回路并不會(huì)構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楫?dāng)本發(fā)明提出的基于次優(yōu)程度估計(jì)的改進(jìn)的模型預(yù)測(cè)控制算法有解時(shí)，可以提升燃油效率；當(dāng)控制算法無解時(shí)，將傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制律作用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)，不會(huì)使推進(jìn)系統(tǒng)失穩(wěn)或性能衰退。

本發(fā)明提出的基于模型預(yù)測(cè)控制的船舶推進(jìn)系統(tǒng)燃油控制方法能夠達(dá)到性能提升技術(shù)效果，其原理為：因?yàn)閭鹘y(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器的預(yù)測(cè)步長(zhǎng)有限，無法在可行集中找到全局最優(yōu)解，而本發(fā)明估計(jì)了傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器的次優(yōu)程度，根據(jù)對(duì)次優(yōu)程度的估計(jì)將可行集收縮成由于中包含了最優(yōu)解，本發(fā)明方法通過縮小搜尋解的范圍，達(dá)到使最終控制律更優(yōu)的目的。這一過程是本發(fā)明的首創(chuàng)做法。本發(fā)明考慮了傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制器本質(zhì)上的次優(yōu)性，根據(jù)估計(jì)出的次優(yōu)性修正模型預(yù)測(cè)控制律，使傳統(tǒng)的次優(yōu)的控制律更加逼近最優(yōu)控制律。本發(fā)明提出的控制性能提升方法與現(xiàn)有方法有著本質(zhì)的區(qū)別，現(xiàn)有的方法主要集中在調(diào)節(jié)模型預(yù)測(cè)控制器的參數(shù)或者改變控制回路的結(jié)構(gòu)，例如使用內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個(gè)模型預(yù)測(cè)控制器，但現(xiàn)有方法均無法根據(jù)模型預(yù)測(cè)控制器的次優(yōu)性提升控制性能。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：