[發明專利]一種考慮推進器故障的智能船舶推力分配方法

有效

• 申請號: 202110468304.0
• 申請日: 2021-04-28
• 公開（公告）號: CN113126503B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 朱偉;王宇澄;高迪駒;薛圻蒙;顧偉
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 張靜潔;徐雯瓊

1.一種考慮推進器故障的智能船舶推力分配方法，船舶包含第一至第n推進器，其中第一至第n-1推進器為全回轉推進器，第n推進器為槽道推進器，其特征在于，所述方法包含步驟：

S1、確定船體坐標系下，船舶各推進器的分布位置及工作參數；步驟S1所述工作參數包含：推進器推力幅值上下限、推進器方位角上下限、推進器方位角變化率上下限以及推進器推力幅值變化率上下限；

S2、檢測各推進器是否存在故障，當無推進器故障，基于推進器的所述工作參數建立船舶推力預測模型；

步驟S2中所述船舶推力預測模型為：

τ＝B(α)F＝B(α)[F₁ F₂…F_n]^T

其中，τ為全部推進器的推力合力，F_i為第i推進器的推力幅值，F＝[F₁ F₂…F_n]^T；

B(α)為船舶的推力結構矩陣，B(α)＝[b_a(a₁),…,b_a(a_n-1),b_c]；b_a(α_i)為第i推進器的推力結構矩陣，i∈[1,n-1]；b_c為第n推進器的推力結構矩陣；

；

；

α_i為第i推進器的方位角，(l_xi,l_yi)為第i推進器在船體坐標系的坐標值，i∈[1,n-1]；(l_x4,0)為第n推進器在船體坐標系的坐標值；

步驟S2包含：檢測船舶推進器是否存在故障；當存在推進器故障，基于推進器的故障類型修改所述船舶推力預測模型；

修改后的船舶推力預測模型為：

τ＝B(α)WF；

其中，W＝diag(w₁,…,w_n)為故障權重矩陣，第i推進器的故障權重系數λ為預設常數，s_i為第i推進器的故障系數；

當第i推進器無故障，λ＝0，s_i＝1；

當第i推進器部分故障，λ＝1，0＜s_i＜1；

當第i推進器完全故障，s_i＝0，λ＝0.01；

i∈[1,n]；

S3、以推進器的推力向量為狀態量，以推進器的推力變化率為控制量，基于所述船舶推力預測模型的成本函數和約束條件滾動優化，求解得到各推進器的推力值、推力方位角并分配給對應的推進器；

步驟S3中所述成本函數記為J：

J＝min(J_P+J_s+J_β)；

其中，J_P表示功率消耗項，J_s表示推力誤差項，J_β為奇異值項；

其中，N_s表示優化步長，ΔF(k)＝[ΔF_1x(k),ΔF_1y(k),...,ΔF_nx(k),ΔF_ny(k)]^T；ΔF_ix(k)、ΔF_iy(k)表示第k時刻第i推進器在船體坐標系x軸、y軸推力分量的增量，權值矩陣Q_P為正定對角矩陣；

其中，τ(k)為k時刻全部推進器的推力合力，τ_d(k)為k時刻船舶控制器期望的推力合力，權值矩陣Q_s為正定對角矩陣；

其中，T(k)＝[F_1y(k),F_2y(k),...,F_ny(k)]，β(k)＝[0,β_1y(k),...,β_ny(k)]^T表示推力偏置向量；F_xi、F_yi表示k時刻第i推進器的推力相量在船體坐標系y軸的推力分量；

元素β_iy(k)＝|τ_d(k)|r_iarctan(α_ib)，α_ib為第i推進器的偏置角度，r_i為第i推進器在縱蕩方向上產生的最大推力的系數，權值矩陣Q_β為正定對角矩陣；

步驟S3中所述約束條件為：

F_i(0)＝F_i,0；

其中，F_i(0)表示第i推進器推力幅值的初值，F_i,0表示為第i推進器預設的推力幅值初值；

F_i(k)表示k時刻第i推進器推力幅值；F_i(k)表示F_i(k)的上、下限；F_xi(k)、F_yi(k)表示k時刻第i推進器的推力向量在船體坐標系x軸、y軸的推力分量；

u_i(k)為k時刻第i推進器的推力幅值變化率，u_i(k)表示k時刻第i推進器的推力幅值變化率上、下限；

u_xi(k)、u_yi(k)為k時刻第i推進器在船體坐標系x軸、y軸的推力分量變化率；

α_i為第i個推進器的方位角，F_xi、F_yi表示第i推進器的推力向量在船體坐標系x軸、y軸的推力分量；表示α_i的變化率；表示的上、下限；

第i推進器的方位角變化率、在船體坐標系x軸、y軸的推力分量滿足以下約束條件：

F_i為第i推進器推力幅值，F_xi、F_yi表示第i推進器的推力向量在船體坐標系x軸、y軸的推力分量；F_xi表示F_xi的上、下限；F_yi表示F_yi的上、下限；F_i表示F_i的上、下限；

u_i為第i推進器的推力幅值變化率，u_i為u_i的上下限；u_xi、u_yi為第i推進器在船體坐標系x軸、y軸的推力分量變化率；u_xi為u_xi的上、下限；u_yi為u_yi的上、下限。