[發明專利]一種基于噴水推進器的船艇矢量控制系統及方法

有效

• 申請號: 201810310016.0
• 申請日: 2018-04-09
• 公開（公告）號: CN108490944B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 向倫凱;楊詠林;蔣云;李曉;葉艷軍
• 申請（專利權）人: 四方繼保（武漢）軟件有限公司;北京四方繼保自動化股份有限公司
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;B63H11/04;B63H25/46;G05D1/08
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張惠玲

1.一種基于噴水推進器的船艇矢量控制方法，該方法應用船艇矢量控制系統，該系統包括雙動力推進集成單元和矢量控制單元；所述雙動力推進集成單元用于伺服控制雙噴水推進器，實現對船體的轉向以及前進后退檔位的控制，所述雙動力推進集成單元還用于控制雙柴油機的油門啟停，實現對船體的啟停以及航速的控制；所述矢量控制單元包括組合慣性導航設備和矢量控制器，其中，所述組合慣性導航設備用于實時采集和監視船體的姿態和位置，所述矢量控制器用于根據船體的載荷分布情況以及推進特性曲線估算初始的動力配置參數，并根據組合慣導數據實時閉環自動調節船體的姿態和位置，實現包括船體指定方向平移、原地旋轉、定點鎮定的柔性動作，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟S010，通過航行測試確定無人艇重心位置；

步驟S020，根據當前換向導流器和噴嘴的位置估計此時倒車斗的分流系數和噴嘴的分流系數；

步驟S030，分別確定雙噴泵當前轉速下的等效作用力模型，包括從倒車斗兩側和噴嘴溢出的作用力模型；

步驟S040，簡化雙噴泵的等效作用力模型，確定伺服控制回路和初始分配變量；

步驟S050，建立優化模型；

步驟S060，根據船體航速-轉速曲線，確定發動機1的初始轉速，進而播種初始舵角、發動機1和發動機2的轉速。

步驟S070，整定伺服參數，提高船體矢量運動的抗干擾特性。

2.根據權利要求1所述的一種基于噴水推進器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步驟S010中，將換向導流器位置調整一致，同時保持雙發動機轉速一致，通過對稱改變舵角找到船體按照直線行駛而不發生偏轉的舵角值±δ_G，測試雙噴泵橫向安裝距離記為D，以雙噴泵安裝位置連線為橫坐標y軸，中垂線為x軸，確定無人艇重心位置如下：

3.根據權利要求2所述的一種基于噴水推進器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步驟S020中，設定倒車斗完全閉合時角度γ＝0，完全打開時角度為γ_max，估計流入倒車斗的水量占總吸入水量的比例即倒車斗的分流系數為

舵角δ影響兩側倒車斗的水流分配情況，估計進入右側倒車斗的水量占進入總倒車斗水量比例即噴嘴的分流系數為

4.根據權利要求3所述的一種基于噴水推進器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步驟S030中，根據經驗模型，在中低速時發動機產生的動力與轉速的二次方成正比，因此，估計此時船體的左噴泵以中心為矩心的等效作用力模型如下：

；船體的右噴泵以中心為矩心的等效作用力模型如下：

，ξ是指倒車斗的分流系數，n₁、n₂分別是指左噴泵、右噴泵的轉速。

5.根據權利要求4所述的一種基于噴水推進器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步驟S040中，在一邊倒車斗全部打開且另一邊完全閉合的條件下船體獲得最大的橫向推動力，設初始推力分配的變量分別為初始舵角δ₀、發動機1初始轉速n₁₀、發動機2初始轉速n₂₀，步驟S030的雙噴泵等效作用力模型簡化為：

6.根據權利要求5所述的一種基于噴水推進器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步驟S050中，將(6)式合成一個總的目標為(χ＝90°)：

(7)式目標中權重系數λ_i(i＝1,2,3)＞0。

7.根據權利要求6所述的一種基于噴水推進器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步驟S060中，按照需求權衡將估計的3個變量組成向量π，于是由初始播種值π₀，按照梯度下降法迭代：獲取初始推力分配變量數值。

8.根據權利要求1所述的一種基于噴水推進器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步驟S070中，油門控制和雙噴水推進器電機伺服控制用于快速響應上層指令；組合慣導設備用于敏感船體在橫向、縱向以及偏航方向上的運動，分別獨立設計橫向、縱向和偏航控制回路，裝配各自的超前滯后校正器或者穩定器，通過現場在線整定超前滯后參數實現高精度控制船體的姿態、速度和位置。