混合推力優化分配研究

宋 楊，劉 微

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混合推力優化分配研究

宋 楊1，劉 微2

（1. 中國船舶重工集團有限公司，北京 100097；2. 中國船舶工業集團有限公司，北京 100048 )

單一的推力分配策略在海況多變的情況下往往難以滿足推力分配的要求，從而導致船舶失位甚至定位失敗。本文結合實際工程應用的需求，對推力分配模式的類型進行分類，并利用合適的算法及策略，制定平滑有效的混合推力分配切換機制，滿足多海況下推力分配的要求。仿真實驗驗證了自適應切換推力分配模塊的合理性和有效性。

動力定位 推力分配 切換策略

0 引言

DPS不同運行模式包括定點定位、低速遷移、中高速的遷移等，定點定位主要應用于動力定位作業的船舶與海洋平臺上，低速遷移和中高速的遷航在平臺供給運輸類船舶中較為常見。隨著現代水面航行器與海上平臺的用途多樣化，工作區域也在不斷擴大，動力定位鉆井平臺現在也具備高速遷移的能力[1]。

設計推力分配模塊時，需要同時保證船舶的動力定位性能和推進器的穩定性。根據不同的推進器類型，制定不同的海況及工況下相應的分配算法和分配策略，建立合理的切換機制使得這些模式間能夠有效的切換是必要的。切換機制的建立考慮兩個要求：在保證切換的必要性和不增加切換機制復雜度的前提下，確定“何時”及“如何”進行切換；保證切換過程中推進器系統的平滑過渡，即保證推進器在切換過程中的狀態穩定，避免突變引起船舶的安全性能降低。本章結合實際工程應用的需求，對推力分配模式的類型進行分類，并利用合適的算法及策略，制定平滑有效的混合推力分配切換機制。

1 環境力

配備動力定位系統的船舶和平臺根據作業區域的不同，所處的外界的海況狀況多變。海況的不同對定位能力的影響較大。通常對于風浪來說，按照波高可將風浪分為不同級別。為了保證控制系統在各類海況下有良好的定位性能，Nguyen[2]中提出建立有關環境，操縱，速度的三維數學關系模型，在Ruth[3]和Swanson[4]中則直接在推力分配過程中將海況分為了平靜海況和劇烈海況。

在各類工況和海況下，最終作用在船舶或平臺上的力可統稱為外界環境力，若將風、海浪、海流的作用分開考慮，可能出現多種情況，直接采用綜合環境力作為控制目標更為直接方便。針對推力分配的需求，本文中將綜合環境力分為三類：

1) 外界環境力較小，方向經常改變；

2) 外界環境力較大，但方向不經常改變；

3) 外界環境里大小和方向變化都比較平緩。

2 分配模式制定

2.1 固定角度分配模式

外界環境力平穩時，控制系統產生的控制力較小，但方向易變，此時全回轉推進器若采用可變角度分配模式工作，推進器可能由于控制力方向的頻繁變化出現來回轉動的情況，這會嚴重增加推進器的磨損。此時系統可選擇固定全回轉推進器的角度進行推力優化分配；采用固定角度分配模式時，角度要事先依據大致的環境力方向選取，同時也需避開推力禁區。

圖1 固定角度分配模式角度

2.2 可變角度分配模式

全回轉推進器需要考慮角度變化率，推力變化率，水動力干擾等一系列約束問題，一般采用迭代算法予以求解。可變角度分配模式的優點在于計算結果總是以能耗最小為基準，同時滿足約束條件，得到最優結果。可變角度分配模式的缺點在于需要充分考慮干擾引起的推力損失和推進器方向連續改變引起推進器的磨損，同時角度變化率的限制常常導致推進器反應滯后于控制力的變化。

2.3 限制角度分配模式

當船舶上全回轉推進器配備較少時，用限制角度分配模式來彌補固定角度中不能較好地進行推力分配的情況。控制力和力矩較小且方向易變的時候，配備全回轉推進器較少的船舶在固定角度模式下常常出現響應滯后。當全回轉推進器不允許發負力時，限制角度分配模式能較好地應對控制力方向頻繁地變化。

2.4 環境力固定分配模式

環境力固定模式可應用在外界環境力大小和方向變化平緩時，此時如采用可變角度模式，推進器出現來回旋轉會增加磨損，而且在角度變化較小時，能耗并不會有效的減少，選用環境力固定分配模式更為有效。環境力固定分配模式中推進器的角度選擇應充分考慮可能出現的環境力方向，同時也應避免水動力干擾區域。

圖2 環境力固定模式下推進器角度示意圖

3 模式切換

3.1 切換機制

單一的算法、分配策略或推力分配模式都難以保證不同工況及海況下動力定位系統的穩定性和定位能力。本文中以兩種算法為基礎算法，形成以四種不同分配模式構成的自適應推力優化分配模塊，完成合理的推進器推力分配。四種分配模式的切換原則包含有：任意模式間都能做到平滑的切換；切換過程中推進器在滿足約束條件的基礎上盡可能保持穩定的工作狀態；避免不必要的頻繁切換。

3.2 切換邏輯及指標

環境力的變化對動力定位系統的定位能力有較大影響，環境力并非直接作用在推力分配模塊上，而是由上層控制模塊按定位要求輸出控制力到推力分配模塊，此時以控制力大小作為切換目標則更為合理。同時，推進器的分配模式主要是由X和Y方向的控制力變化情況所決定，可建立如下標準：

在控制力平穩且能耗變化較小的情況下，推進器分配趨于平緩，此時推進器容易出現小角度的來回轉動，這會極大地增加磨損，此時可引入能耗差值項和控制力差值項：

此外根據全回轉推進器的配置個數和推進器能力建立判斷標準，以便在控制力較小且方向易變時保證動力定位系統的定位能力。

式(3) 中分級控制切換指標分別指向可變角度分配模式、環境力固定分配模式、固定角度分配模式及限制角度分配模式。在第一級判斷中，依據控制力的大小和第一級遲滯時間作為判斷指標分為兩種情況。第一種情況，當控制力較大時，進入第二級判斷，依據控制力變化情況和能耗變化情況在可變角度分配和環境力固定分配模式間進行選擇；第二種情況，當控制力較小時，進入第二級判斷，依據推進器配置在限制角度分配和固定角度分配模式間進行選擇。

4 仿真結果與分析

為驗證本章中提出的混合推力分配模式切換機制的有效性，在船舶模型上進行仿真定位實驗。推進器布置見圖3。

圖3 推進器布置

為模擬船舶受到真實的環境力影響的情況，仿真中使用PID控制器，在不同的階段改變外界環境力參數以模擬真實環境力，其中分別在階段1和2和階段加入較小方差的高斯白噪聲，階段4中加較大方差的高斯白噪聲，環境力參數設定如表1所示。

表1 各階段環境力參數

參數風速均值(m/s)風向均值(°)海流速度(m/s)海流方向(°) 階段1200.10 25100.2-20 37300.2-45 44600.1-70 51900.01-90

推力分配計算過程中，不同分配模式對應的模式指標值見表2。

仿真結果如下：

從圖4到10可以看出，推力分配的結果滿足控制力和力矩的要求，推進器的推力及角度變化滿足各類約束條件。

第1階段中，環境力較小，且方向反復發生變化。從圖10中可知，起始分配模式為可變角度分配模式，經過5個周期判斷其經過臨時固定角度分配后，推力分配模式由可變角度分配模式切換至限制角度分配模式，分配過程中推進器角度變化平緩。

表2 切換模式指標值

圖4 縱向控制力分配結果

在第2階段，環境力逐漸增大，第100周期時，環境力超過控制力切換的上限，在第105個周期時切換至可變角度模式。第2階段內的環境力由于加入了方差較小的高斯白噪聲，在圖中可以看到，在140周期左右，分配模式切換至環境力固定分配模式。由于控制力合力方向在第2象限，推進器1和推進器2根據預先的設定，分別轉到180°和90°。而到170周期，由于出現較大的環境力擾動，而重新轉至可變角度分配模式。

圖6 控制力矩分配結果

圖7 全回轉推進器推力分配結果

圖8 槽道推進器推力分配結果

到第3階段，環境力比較平穩，推進器的狀態相對穩定，能耗波動較小，此時分配模式再次切換至環境力固定分配模式，控制合力在第2象限，推進器1和推進器2分別轉到180°和90°。

圖9 全回轉推進器角度分配結果

圖10 切換指標值分配結果-

第4階段，環境力中加入方差較大的高斯白噪聲，產生了較大的波動，分配模式切換到可變角度分配模式，保證分配結果能耗最優。

第5階段，環境力發生突變降至0附近，本章中選用船舶模型全回轉推進器個數為2且設置不能反轉，分配模式在410周期時切換至臨時固定角度分配后經過10個周期最終達到限制角度分配模式的邊界上，分配模式切換到限制角度分配模式。

5 結束語

本文依據動力定位船舶或平臺工作狀況和所處海況的多樣性，結合推進器狀態及推進器配置等參考指標，建立合理有效的推力分配切換機制。利用控制器與混合推力分配模塊進行仿真實驗，驗證了自適應切換推力分配模塊的合理性和有效性。

[1] 王芳. 過驅動水面航行器的控制分配技術研究[D]. 哈爾濱工程大學, 2012.

[2] Nguyen. Design of Hybrid Marine Control Systems for Dynamic Positioning[D]. NUS, 2005.

[3] Ruth. Propulsion control and thrust allocation on marine vessels[D]. Norwegian University of Science and Technology, 2008.

[4] Swanson. A generalized propulsion control logic[J]. IEEE, 1982: 723-727.

Research on Hybrid Thrust Optimization Distribution

Song Yang1, Liu Wei2

(1. China Shipbuilding Industry Co. LTD. Beijing 100097, China; 2. China State Shipbuilding Co. LTD. Beijing 100048, China)

TP391.9

A

1003-4862(2018) 10-0056-05

2018-05-21

宋楊（1986-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail：15902791474@163.com