一种船舶动力定位推进系统的无模型自适应同步控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船舶动力定位推进系统的无模型自适应同步控制方法，用于解决各推进电机之间存在复杂耦合关系导致建模困难以及复杂海况下推进电机抗扰能力差的问题。其步骤包括：建立船

【技术实现步骤摘要】
一种船舶动力定位推进系统的无模型自适应同步控制方法


[0001]本专利技术属于船舶电力推进器控制
，基于无模型自适应方法设计的一种船舶动力定位推进系统同步矢量控制方法。

技术介绍

[0002]作为海上石油开发及海上作业系统中关键技术的动力定位系统成为国内外的研究热点。动力定位系统指海上作业的船舶或平台根据海况及给定位置参照信息，不借助系泊系统而依靠海洋结构物自身推进系统来抵抗风、浪以及海流等干扰，使船舶或平台准确处于期望位置。目前，动力定位系统研究已经受到国内外学者的广泛关注，但对于船舶动力定位中多电机同步控制研究鲜有报道。这里的多电机同步工作主要指的是船舶或工程平台接收到移动命令后各电机能够同步运行，且单个电机在遭遇扰动后能够及时进行调整，跟踪推进电机期望转速，最后使得推进电机之间保持转速一致，保证船舶、工程平台系统正常运行。
[0003]当前存在的船舶海洋
的动力定位技术设备控制以及现代推进技术控制方法中，对于多电机控制虽然考虑了利用反馈机制对各个推进器进行调节，但是很少考虑到的多个推进器之间相互影响以及相互配合的问题。广域海况下海洋环境变化大，在恶劣海况下，海风、海浪以及海流等环境因素扰动将对船舶和工程平台的控制产生极大影响，这将导致工程平台本体的水动力特性更加复杂，并加大工程平台各自由度之间的强耦合特性；此外，作为系统执行机构的推进器本身是典型的复杂非线性系统，这些问题使得多个推进电机之间速度同步控制变得异常困难。赵英序等虽然提出了基于PI控制的双推进器同步控制方法，但是难以扩展到更多推进电机的船舶以及工程平台控制上来，同时，传统的推进电机PI控制方法对扰动信号十分敏感。因此，研究一种新的船舶动力定位中多电机同步控制方法，解决动力定位系统中各推进电机之间存在复杂耦合关系导致建模困难问题以及复杂海况下推进电机抗扰能力差问题是非常迫切的。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对动力定位系统中各推进电机之间存在复杂耦合关系导致建模困难以及复杂海况下推进电机抗扰能力差的问题，提供了一种新式交叉耦合结构的船舶动力定位推进系统的无模型自适应同步控制方法。区别于传统推进电机的建模方法，该算法利用紧格式动态线性化方法建立系统的数据模型，有效降低了建模难度；引入了虚拟推进电机环节，利用虚拟电机与所有电机的转速差对虚拟推进电机进行转速补偿，减小了各推进电机之间的耦合，转速同步补偿器设计更为简单。最后通过仿真验证，与传统的PI控制相比较，本文提出的船舶动力定位推进系统的无模型自适应同步控制方法能够较好的抑制转矩脉动，当螺旋桨负载突变时，船舶动力定位推进系统表现出较强的鲁棒性。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采取如下设计方案：
[0006]1.一种船舶动力定位推进系统的无模型自适应同步控制方法主要由两部分组成，
建立虚拟推进电机控制算法和推进电机控制算法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：
[0007](1)根据多电机同步控制系统的特点建立船
‑
桨
‑
机各部分相互作用模型，该模型主要包括以下部分：
[0008]P＝K
P
ρD4n2[0009]T
L
＝K
L
ρD5n2[0010][0011]其中，P为螺旋桨推力，T
L
为螺旋桨转矩，K
P
、K
L
分别为螺旋桨的推力系数和转矩系数，n为推进电机转速，D为螺旋桨直径，R为船舶运动阻力，v
s
为船舶速度，P
e
为螺旋桨提供的有效推力，m为船体质量，Δm为船体附着水质量，一般取船身质量的5％～15％；
[0012](2)建立虚拟推进电机和推进电机紧格式动态线性化数据模型：
[0013]1)虚拟推进电机离散系统模型以及推进电机离散系统模型可以表示为以下形式
[0014]n
v
(k+1)＝f
v
(n
v
(k),n
v
(k
‑
1),
…
,n
v
(k
‑
l
y
),i
qv
(k),i
qv
(k
‑
1),
…
,i
qv
(k
‑
l
u
))+g
v
(k)
[0015]n
j
(k+1)＝f
j
(n
j
(k),n
j
(k
‑
1),
…
,n
j
(k
‑
l
y
),i
qj
(k),i
qj
(k
‑
1),
…
,i
qj
(k
‑
l
u
))+g
j
(k)
[0016]其中，f
j
(
…
)、f
v
(
…
)是未知非线性函数，n
v
(k+1)为虚拟推进电机k+1时刻的转速，i
qv
(k)为k时刻虚拟推进电机q轴电流值，n
j
(k+1)为第j台推进电机k+1时刻的转速，i
qj
(k)为第j台推进电机k时刻q轴电流值，l
y
、l
u
∈R为系统未知阶数，g
v
(k)、g
j
(k)为转速同步补偿项，g
j
(k)＝χ
j
n
v
(k)，j＝1,2,...,τ；
[0017]2)基于上述离散系统模型建立虚拟推进电机和推进电机的紧格式动态线性化数据模型：
[0018]建立虚拟推进电机和推进电机紧格式动态线性化数据模型如下：
[0019]Δn
v
(k+1)＝φ
v
(k)Δi
qv
(k)+Δg
v
(k)
[0020]Δn
j
(k+1)＝φ
j
(k)Δi
qj
(k)+Δg
j
(k)
[0021]其中，Δn
v
(k+1)＝n
v
(k+1)
‑
n
v
(k)为k时刻到k+1时刻虚拟推进电机的输出转速增量，φ
v
(k)为虚拟推进电机的伪偏导数，Δi
qv
(k)＝i
qv
(k)
‑
i
qv
(k
‑
1)为虚拟推进电机的k
‑
1时刻到k时刻q轴电流增量；Δn...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶动力定位推进系统的无模型自适应同步控制方法主要由两部分组成，包括建立虚拟推进电机控制算法和推进电机控制算法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：(1)根据多电机同步控制系统的特点建立船
‑
桨
‑
机各部分相互作用模型；(2)建立虚拟推进电机和推进电机紧格式动态线性化数据模型；(3)设计虚拟推进电机和推进电机控制算法中的控制律和估计律；(4)设计船舶动力定位推进系统的无模型自适应同步控制方法实现多推进电机同步控制。2.根据权利要求1所述的方法，步骤(2)其特征在于：在多推进电机系统中引入虚拟电机，建立带有转速同步补偿项g
j
(k)＝χ
j
n
v
(k)的离散化系统模型，用虚拟电机与所有电机的转速差对虚拟推进电机进行转速补偿，减小了各电机之间的耦合，各推进电机的转速同步补偿器设计更为简单；1)虚拟推进电机离散系统模型以及推进电机离散系统模型可以表示为以下形式n
v
(k+1)＝f
v
(n
v
(k),n
v
(k
‑
1),
…
,n
v
(k
‑
l
y
),i
qv
(k),i
qv
(k
‑
1),
…
,i
qv
(k
‑
l
u
))+g
v
(k)n
j
(k+1)＝f
j
(n
j
(k),n
j
(k
‑
1),
…
,n
j
(k
‑
l
y
),i
qj
(k),i
qj
(k
‑
1),
…
,i
qj
(k
‑
l
u
))+g
j
(k)其中，f
j
(
…
)、f
v
(
…
)是未知非线性函数，n
v
(k+1)为虚拟推进电机k+1时刻的转速，i
qv
(k)为k时刻虚拟推进电机q轴电流值，n
j
(k+1)为第j台推进电机k+1时刻的转速，i
qj
(k)为第j台推进电机k时刻q轴电流值，l
y
、l
u
∈R为系统未知阶数，g
v
(k)、g
j
(k)为转速同步补偿项，g
j
(k)＝χ
j
n
v
(k)，j＝1,2,...,τ；2)基于上述离散系统模型建立虚拟推进电机和推进电机的紧格式动态线性化数据模型：建立虚拟推进电机和推进电机紧格式动态线性化数据模型如下：Δn
v
(k+1)＝φ
v
(k)Δi
qv
(k)+Δg
v
(k)Δn
j
(k+1)＝φ
j
(k)Δi
qj
(k)+Δg
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚文龙，闫成阳，池荣虎，邵巍，李博洋，张明卓，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：