技术领域本发明船舶动力定位推力的分配方法，具体地指一种面向船舶动力定位系统控制力平缓变化时推进器水动力干扰处理方法。
背景技术：
随着陆地上传统能源煤、石油的日益枯竭及人们对能源的巨大需求，人类对海洋的开发探索逐渐深入。在深水区作业的海洋结构物，例如平台供应船、钻探船、钻井平台等的定位作业精度愈来愈高。动力定位技术在这一背景下迅速得到重视，成为进行海洋开发探索的关键技术之一。安装有动力定位系统的海洋结构物采用卫星、GPS等定位手段获得当前海洋结构物的位置，控制器根据其与设定位置的偏差计算出所需要的力和力矩，再由推进器系统产生所需要的力和力矩，最终达到定位作业的要求。推力分配是动力定位系统的重要组成部分之一，它需要在考虑推进器的物理限制及实现能耗最优的情况下快速实时地将合力和合力矩分配到各个推进器上，因此推力分配问题转化为一个优化问题。推力分配必须考虑到推进器的物理限制即推进器的推力大小、推力变化率和角度变化率限制。动力定位船舶推进器之间往往存在着水动力干扰，在配备全回转推进器较多的船舶上，一个推进器上往往存在两个甚至更多的推力干扰区域，一般处理方法为直接设置推力禁区，即禁止推进器通过干扰区域。这种处理方法往往会损失很大部分的推力可行域，造成动力定位能力的损失。如若不设置禁区，在控制系统发出的控制力较为平缓时，推进器可能长期处在推力损失较大的部分区域内，这会降低推进器的效率，导致能耗增加。
技术实现要素：
本发明是为了解决可变角度分配模式下全回转推进器之间出现水动力干扰的问题而提出的，其技术方案如下：一种面向船舶动力定位系统控制力平缓变化时推进器水动力干扰处理方法，该方法包括：S100、建立可变角度分配模式下的推力分配数学模型；S200、求解有约束最优化问题的解；S300、由第一次分配后推进器角度、由X方向与Y方向产生的力矩及当前控制合力方向判断是否进行水动力干扰处理；S400、根据当前船舶配置矩阵及当前控制合力方向改变权值矩阵，进行二次推力分配，得到新的推力分配结果。进一步地，上述步骤S100中，针对可变角度分配模式建立推力分配数学优化模型为：min(uTWu+sTQs)(1.1)Au≤bτ=Bu-s---(1.2)]]>其中，u为扩展推力向量；W为能耗项权值矩阵：w1xw1y...wnxwny---(1.3)]]>初始设为单位矩阵，n为推进器个数；Q为惩罚项权值矩阵；s为惩罚因子；τ为所要求发出的总推力和力矩；A为不等式约束矩阵；b为不等式约束向量；B为推进器配置矩阵：B=1010...100101...01-ly1lx1-ly2lx2...-lynlxn---(1.4)]]>其中(lxi,lyi)代表推进器在随船坐标系下的横纵坐标位置。进一步地，上述步骤S200中，针对可变角度分配模式，根据推力优化分配目标函数特性，利用二次规划有效集法求解带有等式约束和不等式约束的推力优化分配问题，在考虑各类等式约束及不等式约束情况下得到计算结果，即各个推进器发出推力的大小和推进器的角度。进一步地，上述步骤S300中，判断当前控制周期内推进器角度是否满足不落在禁区且离禁区边界10度以外的地方，如若满足，则无须处理，输出结果；若推进器角度落在禁区或者靠近禁区10度以内时，进行下面计算：(1)判断当前控制力的合力方向：R(d)=|τyτx|---(1.5)]]>其中τy代表Y方向的控制力，τx代表X方向的控制力。(2)计算分别由所有推进器X方向和Y方向分力产生的力矩M大小：R(d)<1,MY=uy1*(lx1)+uy2*(lx2)+...+uyn*(lxn)R(d)>1,MX=ux1*(-ly1)+ux2*(-ly2)+...+uxn*(-lyn)---(1.6)]]>(0.1)其中uxn代表第n个推进器在X方向的推力，uyn代表第n个推进器在Y方向的推力。进一步地，上述步骤S400，依据R(d)与MX，MY判断是否需要进行更新权值矩阵：(1)若满足R(d)<1,|MY|<|max(|lx|)*τx*sin(θ1)|(1.7)其中θ1为X方向禁区角大小的一半，则对wnx进行权值加重：wnx＝β(1.8)β＝β+10,β≤100(2)若满足R(d)>1,|MX|<|max(|ly|)*τy*sin(θ2)|(1.9)则对wny进行权值加重：wny＝γγ＝γ+10,γ≤100(1.10)修正权值后重新利用二次规划算法进行推力优化分配求解：(3)若计算结果力矩大小满足要求，则停止更新权值系数，输出结果；(4)若β达到上限值，则判断配置矩阵在X(Y)方向的对称性，对称性定义如下：|B(i,3)|代表配置矩阵的第i列的推进器力臂，当i为奇数，且|B(i,3)|相等，则代表在X方向对称；当i为偶数，且|B(i,3)|相等，则代表在Y方向对称；若判断配置矩阵在X(Y)方向对称，且则改变推进器的最小推力，将目标函数中的能耗项权值矩阵初始化为单位矩阵，并结合当前对称推进器个数重设优化分配模型中推力下限：Tmin=η*max(τx,τy)n---(1.11)]]>其中，η为裕度系数，η取1.1～1.2，改变下限后，再进行有约束的推力优化分配问题求解，并输出推力分配结果。本发明具有以下优点：1.避免设置一个或多个推力禁区，缩小推力可行域的范围；2.能有效解决在控制力平缓变化时推进器易落在禁区范围内的问题，减少水动力干扰引起的推力损失。附图说明图1为实施例所用船模推进器的布置结构示意图。图2为本发明面向船舶动力定位系统控制力平缓变化时推进器水动力干扰处理方法流程图。图3为推力优化分配的控制力分配结果图。图4为推力优化分配的控制力矩分配结果图。图5为实施本发明处理方法后推力优化分配过程中的全回转推进器角度变化曲线图。图6为实施本发明处理方法后推力优化分配过程中的全回转推进器力矩变化曲线图。图7为不进行权值矩阵处理推力优化分配过程中的全回转推进器角度变化曲线图。图8为不进行权值矩阵处理推力优化分配过程中的全回转推进器力矩变化曲线图。具体实施方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与解决问题的有效性易于理解，结合下面实例和附图对本发明技术方案作进一步的说明。图1为本实施例所用模型船的推进器布置示意图，以该船模为计算对象对本发明进行阐述。该船模的各推进器参数如表1所示：表1本发明面向船舶动力定位系统处理控制力平缓变化时推进器水动力干扰方法流程如图2所示，具体包括以下步骤：S100、针对可变角度分配模式建立推力分配数学优化模型为：min(uTWu+sTQs)(1.1)Au≤bτ=Bu-s---(1.2)]]>其中，u为扩展推力向量；W为能耗项权值矩阵：w1xw1y...wnxwny---(1.3)]]>初始设为单位矩阵，n为推进器个数；Q为惩罚项权值矩阵；s为惩罚因子；τ为所要求发出的总推力和力矩；A为不等式约束矩阵；b为不等式约束向量；不等式约束中包含有推进器角度变化率约束、推进器推力大小约束、推进器推力变化率约束等。B为推进器配置矩阵，其中(lxi,lyi)代表推进器在随船坐标系下的横纵坐标位置：B=1010...100101...01-ly1lx1-ly2lx2...-lynlxn---(1.4)]]>本实施例建立图1船模数学模型，全回转推进器初始推力下限设为0.1N，船模配置矩阵：B=10100010100101110101-0.175-1.680.175-1.681.2451.365-0.1750.80.1750.8]]>初始权值矩阵为：W=1111111111,Q=100010001000]]>S200、针对可变角度分配模式，根据推力优化分配目标函数特性，利用二次规划有效集法(QP)求解带有等式约束和不等式约束的推力优化分配问题。在考虑各类等式约束及不等式约束情况下得到计算结果，即各个推进器发出推力的大小，推进器的角度。本实施例中，经过一段时间推力分配之后，在50周期附近时#3和#4推进器，此时未经处理时推进器落在禁区范围内，计算控制力合力方向R(d)<1，|My|<1.56N*m对wnx进行权值加重处理，β的迭代增加对My结果基本无影响，到最后满足迭代跳出条件后改变最小推力下限分配后输出结果避开了推力禁区。S300、判断当前控制周期内推进器角度是否满足不落在禁区内，如若满足，则无须处理，输出结果；若推进器角度落在或者靠近禁区时，进行下面计算：(1)判断当前控制力的合力方向：R(d)=|τyτx|---(1.5)]]>(2)计算分别由所有推进器X方向和Y方向分力产生的力矩M大小：R(d)<1,MY=uy1*(lx1)+uy2*(lx2)+...+uyn*(lxn)R(d)>1,MX=ux1*(-ly1)+ux2*(-ly2)+...+uxn*(-lyn)---(1.6)]]>S400、根据当前船舶配置矩阵及当前控制合力方向改变权值矩阵，进行二次推力分配，得到新的推力分配结果。改变权值后是为了使得推进器尽快跨过禁区，减小水动力干扰。依据R(d)与MX，MY判断是否需要更新权值矩阵：(1)若满足R(d)<1,|MY|<|max(|lx|)*τx*sin(θ1)|(1.7)其中θ1为X方向禁区角大小的一半，则对wnx进行权值加重：wnx＝ββ＝β+10,β≤100(1.8)(2)若满足R(d)>1,|MX|<|max(|ly|)*τy*sin(θ2)|(1.9)则对wny进行权值加重：wny＝γγ＝γ+10,γ≤100(1.10)修正权值后重新利用二次规划算法进行推力优化分配求解：(3)若计算结果力矩大小满足要求，则停止更新权值系数，输出结果。(4)若β达到上限值，则判断配置矩阵在X(Y)方向的对称性。对称性定义如下：|B(i,3)|代表配置矩阵的第i列的推进器力臂，当i为奇数，且|B(i,3)|相等，则代表在X方向对称；当i为偶数，且|B(i,3)|相等，则代表在Y方向对称。若判断配置矩阵在X(Y)方向对称，且则改变推进器的最小推力，将目标函数中的能耗项权值矩阵初始化为单位矩阵，并结合当前对称推进器个数重设优化分配模型中推力下限：Tmin=η*max(τx,τy)n---(1.11)]]>其中，η为裕度系数，综合对比经过处理后的能耗与处理前可能的能耗，η取1.1～1.2。改变下限后，再进行有约束的推力优化分配问题求解，并输出结果。本实施例中，在450周期左右，不经过处理时#1和#3推进器同样会落在禁区之内，计算控制力合力方向，此时R(d)>1，|Mx|<0.35N*m，对wny进行权值加重处理，β迭代到61时，|Mx|大小满足要求，跳出迭代，输出结果，此时角度大致位于推力禁区的边界上，相比未处理的结果有较大的改善。本实施例利用迭代算法(二次规划有效集法)对优化问题予以解决。在MATLAB环境中发明的算法进行仿真。由图3和图4可看出待分配力和力矩曲线与推进系统产生的力和力矩曲线契合较好，表明推力分配成功；图5为各个全回转推进器的角度变化曲线，图6为X和Y方向的力矩变化曲线，图7和图8分别为不经过权值处理推力优化分配过程中的全回转推进器角度和力矩变化曲线图，可看出在X和Y方向控制力比例较大时，本发明方法起到了作用，在前一百个周期左右，推力下限的改变起到了作用，后一百五十个周期则注意到权值系数改变使推进器加速穿过了禁区并最终落在禁区之外。以上显示了本发明的基本原理、主要特征与优点。本行业的有关技术人员应该明白，本发明不受上述例子限制，上述示例和说明书中所描述的仅是说明本发明的应用原理，在不脱离本发明的基本原理和主旨外本发明还会有各种表现形式和变化、改进，这些表现形式、变化和改进都在本发明所要求的权利保护之内。