一种基于船舶功率管理系统的推力优化分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种动力定位船推力分配方法，具体地说是一种基于船舶功率管 理系统的推力优化分配方法。
【背景技术】
[0002] 21世纪是海洋经济时代，随着海洋产业的高速兴起，动力定位系统对于海洋钻井 平台、起重铺管船、布缆船、平台供应船等海洋工程船舶\平台来说，已成为其海上作业特 别是深海作业时必不可少的支持系统，是我国加快海洋资源开发不可缺少的海洋工程装 备。
[0003] 船舶动力定位系统是指不借助锚泊，而利用自身推进装置有效地产生反作用力和 力矩去抵抗风浪流和其它外力对船舶的作用，使船舶保持在设定位置和艏向，或使船舶精 确地跟踪给定轨迹的系统。动力定位系统由滤波器、控制器、推力优化分配组成；滤波器剔 除传感器得到高频信息后给控制器，控制器根据位置和艏向偏差，计算出需要恢复到设定 位置和艏向的力和力矩，推力优化分配根据控制器计算出的力和力矩，优化出船舶上各个 推进器的推力，然后得到各个推进器的控制指令，使船舶恢复到设定的位置和艏向。
[0004] 由于采用全电力推进方式的船舶无需传统机械推进方式的轴系，具有布局灵活性 等优点；可根据船舶的航速变化、排水量变化、船上电力负荷的变化而任意调整发电机组的 运行数量，具有高效、节能等较好的经济性。目前，全电力推进方式已成为海洋工程船特别 是装备动力定位系统的船舶的标准推进方式。
[0005] 动力定位船上除了占全船较大功率的推进器负载以外，还有波浪补偿器、起重机、 绞车、栗、钻井系统等其他负载，由于推进负载波动和船上其他负载设备的重大负载跳变对 整个船舶电力系统造成较大的冲击，会影响整个船舶电网的频率和电压的变化，从而会加 大发电机组的磨损和能耗，甚至会造成全船电力系统停电故障。现有的推力分配方法只是 根据DP (dynamic positioning，动力定位）控制器或Joystick (操纵杆）控制器给出的合 力和力距计算出最优的各个推进器的转速或螺距、方位角或舵角指令，而没有考虑到推进 器负载调节和其它负载功率突变对整个船舶电网频率和电压的影响、对发电机组的能效和 磨损的影响。
[0006] 申请号为201210177475. 9,名称为"一种基于推力分配管理的动力定位船推力分 配方法"的发明专利，发明了一种船舶动力定位系统推力分配方法，但是该发明只是一种经 过推力分配计算得到各个推进器推力的方法。申请号为201210177458. 5,名称为"基于在 线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法"的发明专利，发明了一种基于在线可用功 率的动力定位船推进器负载限制方法，通过电站在线得到每个推进器的限载因子，控制推 进器防止其过载，而没有考虑到船上其它大功率负载和电站的动态特性对电网的影响。
【发明内容】
[0007] 发明目的：本发明旨在提供一种基于船舶功率管理系统，能够在船舶遭受其他负 载和环境突变的情况下，在线根据船舶其他负载的变化率，采用推进器偏置的二次推力优 化分配方法动态调节推进器的推力，从而调节整船电力系统，使整船电网频率和电压在适 当范围内波动，防止船舶电力系统断电故障，提高船舶海上作业的安全性，减少船舶推进系 统的磨损和能耗。
[0008] 技术方案：一种基于船舶功率管理系统的推力优化分配方法，包括如下步骤：
[0009] A)推力分配单元从DP控制器或Joystick控制器获得当前需要分配的合力和合力 距；
[0010] B)用基本推力分配方法对所述合力和合力矩进行推力优化分配，并将优化计算出 的推进器的推力和最小推进功率发送给功率管理系统；
[0011] C)功率管理系统根据此刻其它负载的重载请求、当前推进器消耗功率、全船总的 剩余功率、船舶电网运行状况、所需的最小推进功率进行分析，判断当前所需消耗功率是否 在电网的频率、电压波动范围内之内及经济效益是否最优，如满足上述条件，推力分配单元 把用基本推力分配方法优化计算出的各推进器指令发送给各个推进器；如果不满足则使用 功率调节推力分配方法进行二次分配；
[0012] D)推力分配单元根据功率管理系统给定的推进系统最大允许功率、其它负载功率 变化、当前推进器消耗功率，选择推进器偏置功率，采用功率调节推力分配方法进行二次推 力优化分配，并将分配后各推进器推力值发送给功率管理系统；
[0013] E)功率管理系统根据推力分配单元中功率调节推力分配方法二次分配后的推力 大小，控制电网中的柴油机启停、调节柴油机转速、主断路器状态、发电机状态以及推进器 状态，从而调节全船电网电压、频率，防止全船电网断电。
[0014] 优选的，步骤D)中所述功率调节推力分配方法以最小功率、推力、推进器功率变 化率与其它负载功率变化率之差和推力误差为推力分配目的，以推力平衡、功率约束、推进 器动态推力范围为约束条件，采用拉格朗日优化方法进行优化，采用的推力分配模型为：
[0019] 其中，P。为功率关系向量，K为推力系数矩阵，f为推进器的推力，Ψ为权值矩阵， Θ为功率差变化率因子，为推进器功率变化率，Py为其它负载功率变化率，Q为权值矩 阵，s为松弛因子保证推力分配有解，B (a) Kf为推力方程，τ ,为合力及合力矩，Pniax为当前 推进器最大可用功率，Ρ_为当前推进器最小可用功率，Pblas为推进器偏置功率值，f为推 进器当前推力下限，f +为推进器当前推力上限。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本发明采用的推进器偏置方法，使推进器之间产生互反作用推力，同时不改变 全船所有推进器产生的合力和合力距，弥补了柴油机涡轮增压系统响应慢的缺点，提高整 船电力系统对突变负载的快速响应；该方法通过功率管理系统调节全船电网，使用最少的 发电机在线，避免柴油机长时间在远小于额定功率的情况下运行，提高燃油效率，降低了排 放，减少了推进单元的磨损，推进器偏置所带来的经济效益远大于偏置增加的能耗。
[0022] 2、本发明基于船舶功率管理系统采用推进器偏置的方法进行推力优化分配，动态 调节推进器功率，从而调节整船的功率，使全船电力系统可以承受其它负载突变、某个发电 机故障、电力系统部分回路短路故障，防止了全船电力系统断电，提高了船舶的安全性。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明应用于海洋工程船动力定位系统和电站系统的控制结构图；
[0024] 图2为海洋工程船电力系统结构图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明做更详细的描述。
[0026] 如图1所示，海洋工程船动力定位系统和电站系统控制系统中包括：功率管理系 统、电站、船舶推进器、其它负载、DP控制器或Joystick控制器、推力分配单元，推力分配单 元包括基本推力分配单元和功率调节推力分配单元，其中基本推力分配单元使用基本推力 分配方法，功率调节推力分配单元使用功率调节推力分配方法。
[0027] 本发明一种基于船舶功率管理系统的推力优化分配方法，包括如下步骤：
[0028] I. DP控制器或Joystick控制器根据船舶反馈回来的位置及艏向信号与设定值之 差，计算出此刻船舶纵荡、横荡和艏摇方向的合力及合力矩T d，并将^送给推力分配单 J L 〇
[0029] 2.基本推力分配单元用基本推力分配方法对给定的Td进行推力优化分配，将优 化计算出的结果：各个船舶推进器的推力f发送给功率管理系统，所需的最小推进功率？_ 送给功率管理系统；基本推力分配方法以最小功率和推力误差为推力分配目的，以推力平 衡和船舶推进器机械