一种船舶多桨协调控制分配方法与流程

本发明属于船舶螺旋桨的推力控制领域,尤其涉及一种船舶多桨协调控制分配方法。

背景技术：

作为综合全电力推进船舶的执行机构，螺旋桨推进器系统工作性能的好坏直接影响到船舶航速/航向控制系统的精度，甚至整船的安全性和可靠性。为此，综合全电力推进船舶和动力定位船舶往往比常规船舶配备更多种类和数量的螺旋桨推进装置，成为过驱动系统以保证船舶的全天候航行安全及远洋能力，提高船舶的航行性能和机动性。

船上螺旋桨推进器数量的增多与新型推进设备的应用无疑增加了船舶的可操纵性，但同时控制输入的数量冗余、功能耦合也给电力推进船舶的控制分配带来了新的课题。螺旋桨推力控制分配的结果直接关系着控制系统能否产生船舶运动控制器所期望的控制效果。而在现有的文献和资料中,并没有公开的电力推进船舶多桨协调控制分配方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够与船舶运动控制器分层设计的船舶多桨协调控制分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种船舶多桨协调控制分配方法，包括如下步骤：首先通过操控台人机交互输入船舶航速/航向期望值，然后与GPS/平台罗经测量的船舶航速/航向实测值进行比较得到航速/航向偏差状态量，利用李雅普诺夫稳定性原理根据航速/航向偏差状态设计船舶运动控制器，并输出期望的纵向、横向合力与艏向力矩给控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息因素实时调整螺旋桨推力控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以产生推力推进船舶运动，实现船舶的多桨协调控制。

所述的监督控制器的输入包括系统运行模式、人工输入、外界环境变化和螺旋桨故障检测信息，通过切换逻辑调整控制分配模式。

所述的下层控制分配器建立固定方向角模式、可变方向角模式和故障运行模式控制分配模式。

本发明的有益效果在于：该控制分配方法易于实现,效率较高,可以方便的和高层运动控制器进行模块化集成,共同实现对船舶多螺旋桨的协调控制。

附图说明

图1为本发明船舶多桨协调控制分配方法的原理结构图。

图2为螺旋桨推进器多模切换控制分配的原理结构图。

图3为螺旋桨推进器监督控制器的原理结构图。

图4为船舶四螺旋桨配置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的技术方案：一种船舶多桨协调控制分配方法，首先通过上位机设定船舶航行的航速/航向期望值，并分别与GPS、平台罗经返回的船舶实际航速/航向值进行比较得到航速/航向偏差；运动控制器根据航速/航向偏差计算得到纵向、横向合力与转艏力矩，并发送给螺旋桨推力控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息等因素实时调整控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以实现船舶的多桨协调控制。

所述的船舶多桨协调控制分配方法采用软件模块化设计思想，将高层运动控制器与控制分配器进行分离设计，具体如下：

1、高层运动控制器设计

对船舶航速/航向偏差状态控制律进行设计的控制方法包括PID控制方法、动态逆控制方法、反步法、H∞控制、LQR控制、特征配置控制方法、自抗扰方法等，其具体步骤如下：

步骤一：确定船舶的运动学方程和动力学方程；

步骤二：给定期望的船舶航速/航向跟踪值，包括纵向速度和艏向角度/角速度值；

步骤三：计算船舶当前航速/航向状态与期望状态的控制偏差值；

步骤四：利用李雅普诺夫稳定性原理求得航速/航向偏差状态控制律。

2、控制分配器设计

冗余螺旋桨推力控制分配器可以采用直接分配法、串接链法、广义逆法和数学规划法等动态控制分配算法进行设计,其具体步骤如下：

步骤六：计算期望控制指令，包括纵向、横向合力和艏向力矩期望值；

步骤七：考虑实际推进装置所面临的物理、机械和功率等约束条件，建立螺旋桨推进器的可行域；

步骤八：建立螺旋桨固定方向角模式、可变方向角模式和故障运行模式等多模式切换控制分配策略；

步骤九：将控制分配问题转化为最优化问题，确定优化目标、决策变量和权值矩阵；

步骤十：对上述目标函数求解得到螺旋桨控制指令，以产生推力推进船舶运动。

本发明相对现有技术具有如下的优点及效果：

本发明提供的船舶多桨协调控制分配方法采用高层运动控制器与控制分配器模块化设计思想，当船上螺旋桨推进器的配置有所改变或者发生故障时，可以利用控制分配器进行控制重分配，而不需要重新设计运动控制器，这将大大降低船舶运动控制律的设计难度。

本发明提供的船舶多桨协调控制分配方法基于多模切换理论建立上层监督控制器，负责控制分配模式间的自动切换。监督控制器的输入包括系统运行模式、人工输入、外界环境变化和螺旋桨故障检测信息等。监督器基于以上信息决定哪种控制分配模式最适合当前系统的运行情况，然后通过切换逻辑调整控制分配模式。

本发明提供的船舶多桨协调控制分配方法综合考虑控制分配算法、系统运行模式、海洋环境条件以及螺旋桨推进器故障，下层控制分配器建立了固定方向角模式、可变方向角模式和故障运行模式等多种控制分配模式，有利于提高控制分配的灵活性和适应性，满足不同运行模式下的控制目标，有效地改善了控制性能。

本发明提供的船舶多桨协调控制分配方法原理简单,操作方便,可靠性高，易于实现。

本发明提供一种船舶多桨协调控制分配方法,其原理结构如图1所示。

首先根据船舶实际航行和作业过程通过操控台人机交互输入船舶航速/航向期望值，然后与GPS/平台罗经测量的船舶航速/航向实测值进行比较得到航速/航向偏差状态量，利用李雅普诺夫稳定性原理根据航速/航向偏差状态设计船舶运动控制器，并输出期望的纵向、横向合力与艏向力矩给控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息等因素实时调整控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以产生推力推进船舶运动，实现船舶的多桨协调控制。

螺旋桨推力控制分配器采用基于监督切换的多模式控制分配方法，其原理结构如图2所示。

基于监督器的多模切换理论，建立了基于监督器的螺旋桨推力控制分配切换结构，上层的监督控制器综合考虑系统当前的运行模式、外界风、浪、流环境变化以及螺旋桨推进器的故障情况等因素进行控制分配器间的自动切换，考虑不同航速下系统运行模式与抵抗不同的海洋环境扰动对螺旋桨推进器性能有不同的需求，下层控制分配器建立了固定方向角模式、可变方向角模式和螺旋桨故障运行模式等多种控制分配策略，使带有全回转螺旋桨的推进器系统可以根据外界海况的变化和系统运行模式的改变灵活调整分配模式，提高推进器系统的应用效率和设备运行域。

固定方向角分配模式要求所有全回转推进器按某一固定的方向角工作，每个全回转推进器的固定方向角预先进行设定。固定方向角螺旋桨控制分配的数学模型如下：

式中，T为多个螺旋桨协调分配的输出作用力；s为松弛变量，表示运动控制器输出的期望合力/力矩与多螺旋桨推进系统实际所产生的合力/力矩的差值；ΔT为当前推力指令与上一个采样时刻推力的差值；J(T,s)为船舶多桨控制分配最优化问题的目标函数；H、M、Q为对应的非负权值矩阵；B表示冗余螺旋桨推进器系统的配置矩阵，为常数矩阵；τ_d为船舶运动控制器输出的纵向、横向合力与艏向力矩期望值；A为不等式约束矩阵；b为不等式约束向量；优化目标中第一项表示螺旋桨输出的作用力要尽量小，即能量消耗最小；第二项表示螺旋桨输出推力的变化尽量小，即执行机构的磨损指标最小；第三项表示松弛变量要尽量小，即多桨协调控制分配的误差要小；等式约束表示期望合力/力矩与螺旋桨实际输出推力的关系，定义了控制变量的解空间；不等式约束表示螺旋桨输出作用力的可行域，体现了对推进系统的位置和速率约束。

可变方向角分配模式下全回转螺旋桨推进器自动改变推力方向角以产生期望的控制力和控制力矩，可以使螺旋桨推进器处于最佳工作效率，有效降低系统燃油消耗，节约成本。可变方向角螺旋桨控制分配的数学模型如下：

式中，T_x,T_y分别为多个螺旋桨协调分配的纵向/横向输出作用力；ΔT_x，ΔT_y分别为当前纵向/横向推力指令与上一个采样时刻对应推力的差值；J(T_x,T_y,s)为船舶多桨控制分配最优化问题的目标函数；H、M、Q为对应的非负权值矩阵；B_c为冗余螺旋桨推进器系统的配置矩阵；τ_d为船舶运动控制器输出的纵向、横向合力与艏向力矩期望值；s为运动控制器输出的期望合力/力矩与多螺旋桨推进系统实际所产生的合力/力矩的差值；A_c为不等式约束矩阵；b_c为不等式约束向量。

故障运行分配模式根据船舶运动控制器所产生的期望控制指令与螺旋桨推进器系统故障检测与诊断所产生的推进器状态信息来对剩余正常工作的螺旋桨推进器重新分配所期望的控制力与控制力矩，根据不同的故障模式以及故障的不同程度采用不同的故障容错策略。其主要步骤如下：

1.当某个螺旋桨推进器出现故障导致功能部分失效或完全失效时，可在当前权值基础上对故障螺旋桨的权系数施加相应的惩罚作用，通过增大权系数来降低该故障螺旋桨的优先使用等级，以限制故障螺旋桨的推力效用；

2.当故障螺旋桨部分失效或完全失效时，可将螺旋桨系统配置矩阵中该故障螺旋桨对应的列向量置零，使得失效的螺旋桨推进器不参与控制分配；对于全回转螺旋桨，如果只是由于机械故障而导致回转机构失效，可通过修改螺旋桨配置矩阵中对应的列向量，将其视为固定方向角螺旋桨，在其故障方向角上继续进行分配，有效提高了全回转螺旋桨推进器的运用效率；

3.当螺旋桨推进器被检测出故障后，应根据推进装置的失效程度对该故障螺旋桨调整相应的物理约束和机械约束限制，以避免故障螺旋桨的输出推力超过执行机构的位置或速率界限。

本发明船舶多桨协调控制分配方法的切换监督器主要由估计器、切换指标函数和切换逻辑三部分组成，其原理结构如图3所示。

本发明采用基于性能评估的估计器，无需对过程模型进行估计，直接根据船舶的输入输出信号对切换指标函数所需的信号进行估计，然后对每个候选控制分配模式的潜在性能进行评估，在线计算表征备选控制分配模式性能的函数，最终监督器根据切换指标选择出潜在性能最好的策略进行切换。估计器一般由多个组成，其输入包括船舶的输入信号和输出信号。

监督器的切换指标函数用于评价备选控制分配模式的性能优劣，需要根据系统的实际运行需求而定。本发明采用综合考虑系统的能量消耗、控制分配误差、螺旋桨推进器磨损以及响应时间等性能指标同时进行实时计算并评估，进而决定性能指标最优的控制分配器。切换指标函数的具体表达式如下所示：

式中，T为系统运行的时间。

切换逻辑决定什么时刻发生哪种切换动作，其输入信号是切换指标函数，输出信号决定控制分配模式。为充分发挥固定方向角模式和可变方向角模式的不同优势，选定一个限值来衡量所需螺旋桨操纵力的大小，当在线运行的单个螺旋桨能量消耗小于所设定的限值时，系统采用固定方向角分配模式，否则采用可变方向角分配模式；当所需螺旋桨操纵力幅值较小但方向持续变化时，采用固定方向角分配模式；当所需螺旋桨操纵力逐渐增大时，可由固定方向角模式切换到可变方向角模式。此外，当螺旋桨故障诊断与容错模块检测出某螺旋桨推进器发生部分失效或者完全失效时，立即转入故障运行分配模式。

本发明公开了一种船舶多螺旋桨协调控制分配方法，可应用于电力推进船舶多桨协调控制领域。本发明首先通过上位机设定船舶航行的航速/航向期望值，并分别与GPS、平台罗经返回的船舶实际航速/航向值进行比较得到航速/航向偏差；运动控制器根据航速/航向偏差计算得到纵向、横向合力与转艏力矩，并发送给螺旋桨推力控制分配器，控制分配器根据上层监督控制器输入的系统运行模式、海洋环境变化以及螺旋桨故障信息等因素实时调整控制分配策略，将运动控制器输出的期望合力/力矩分配给多个螺旋桨推进装置以实现船舶的多桨协调控制。本发明提供的船舶多桨协调控制分配方法原理简单,操作方便,可靠性高，易于实现。