一种直翼推进器的控制及推力分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种直翼推进器的控制及推力分配方法，采用定转速调螺距的方式控制；采用三次拟合的形式确定直翼推进器的控制模型；针对直翼推进器的推力分配建立非线性目标函数，采用基于K

【技术实现步骤摘要】
一种直翼推进器的控制及推力分配方法


[0001]本专利技术涉及一种动力定位系统中推进器运动控制
，具体涉及一种直翼推进器的控制指令调制方法以及关于直翼推进器的优化推力分配方法。

技术介绍

[0002]船舶在复杂多变的海洋情况下进行海上定位保持是一件十分困难的事情，动力定位系统通过安全、稳定、高效的控制船舶推进系统，使船舶仅仅依靠自身的动力系统装置就可以抵抗外界海洋环境力的扰动，使船舶可以保持在所期望的位置和航向，极大的提升了船舶的作业能力。因此，动力定位系统成为了现代海工船的必备系统。
[0003]伴随着人们对动力定位控制系统控制精度要求的增高，传统的动力定位系统推进器主要有螺旋桨、槽道推进器及全回转推进器等，它们存在效率较低下、动态响应特性较差、故障率高等问题，已经不能满足动力定位系统高精度的需求。直翼推进器作为一种操控性能优异的推进器，可以在360
°
内任意调整推力大小和方向，可以在保持转速恒定的前提下随意改变输出推力和方向角，具有优秀的可操纵性和机动性，而被逐渐大规模使用在载荷变化大、机动性要求高的水面特种工程作业船上。目前，国内外很少有公开关于直翼推进器控制指令调制及其推力分配方法的文献资料。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种动力定位系统中直翼推进器的指令调制方法以及关于直翼推进器的优化推力分配方法，实现直翼推进器在动力定位系统的重要应用。
[0005]为实现上述目地，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种直翼推进器的控制及推力分配方法，计算并保证直翼推进器的进速系数对推力没有明显的影响，采用定转速调螺距的方式控制；采用三次拟合的形式确定直翼推进器的控制模型；针对直翼推进器的推力分配建立非线性目标函数，采用基于K
‑
T条件方程的方法进行求解；针对直翼推进器推力分配求解过程中的二次规划子问题，采用伪逆法改进的SQP算法进行求解；通过改变直翼推进器的控制点N，实现对直翼推进器的输出推力和方位角控制。
[0007]进一步，计算并保证直翼推进器的进速系数对推力没有明显的影响，采用定转速调螺距的方式控制具体为：在直翼推进器的进速系数大小对推力没有明显的影响的范围内，依据的回转直径，对直翼推进器的转速以及工作航速进行设定，同时直翼推进器的控制方式为定转速调螺距控制。
[0008]进一步，采用三次拟合的形式确定直翼推进器的控制模型，依据直翼推进器的性能数据推力系数和偏心率的对应关系K
T
，使用K
T
＝a0+a1e+a2e2+a3e3的三次拟合形式进行数据拟合，式中，e为偏心率，确定系数a0、a1、a2，a3得到直翼推进器推力计算公式，进行反解，获得直翼推进器的控制模型。
[0009]进一步，针对直翼推进器的推力分配建立非线性目标函数，采用基于K
‑
T条件方程
的方法进行求解，对于直翼推进器建立最小功率消耗函数，式中：T为推进器推力，α为回转角，s为松弛变量，Q为权值矩阵，T
i
为直翼推进器的推力，作为非线性约束优化问题，采用K
‑
T方法求解，设定拉格朗日函数，进行计算。
[0010]进一步，针对直翼推进器推力分配求解过程中的二次规划子问题，采用伪逆法改进的SQP算法进行求解时，利用伪逆法计，即T0＝B
*
τ
c
、B
*
＝B
T
(BB
T
)
‑1、来计算确定初始值x0＝(α0,T0)，式中：τ
c
为三自由度推力，B
*
为推力器布置矩阵B的伪逆矩阵。
[0011]进一步，通过改变直翼推进器的控制点N，实现对直翼推进器的输出推力和方位角控制，通过推力分配计算出的直翼推进器推力和方位角，利用直翼推进器的控制模型求解出偏心率e、偏心距与X轴的夹角h来确定直翼推进器的控制点N，从而实现对直翼推进器推力和方位角的控制。
[0012]本专利技术的有益效果是：
[0013]本专利技术提出了一种直翼推进器的控制指令调制方法以及关于直翼推进器的优化推力分配方法，构建直翼推进器与水流之间的运动模型，采用数值拟合的方法，进行指令调制，确定其控制方法；以功率消耗为优化目标，运用非线性推力分配方法，建立目标函数，提出一种关于基于直翼推进器的伪逆法改进的SQP算法，在符合最小能量消耗和提升操作性的情况下，使直翼推进器高效合理地输出推力和回转。该算法的应用可以有效提高定位精度和定位能力，降低推进器的磨损和噪声，对直翼推进器在动力定位系统中的使用有着重要的研究意义和应用价值。
[0014]本专利技术给出一种动力定位系统中直翼推进器的指令调制方法以及关于直翼推进器的优化推力分配方法，根据专利技术步骤并对其进行仿真验证，实现了直翼推进器在动力定位系统的重要应用，对船舶动力定位中直翼推进器的运动控制及使用有着重要的指导意义和使用价值。
附图说明
[0015]图1为直翼推进器示意图；
[0016]图2为直翼推进器的控制变量
[0017]图3为J＝1时推力系数与偏心率的拟合曲线图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图，给出本专利技术的具体实施步骤。
[0019]本专利技术的一种直翼推进器的控制及推力分配方法，其步骤如下：
[0020]第一步，直翼推进器如图1所示，直翼推进器收到的指令为推力分配单元计算出的船舶目前所需的推力T和方位角α；直翼推进器的偏心率和进速系数控制推力系数(推力)，前进方向角控制推力方向。
[0021]第二步，直翼推进器所有叶片的弦线的垂直线相交于于某一控制点N，控制点N到推进器转轴O的距离称为偏心距偏心距与叶片公转半径R的比值为偏心率e，即：
[0022][0023]直翼推进器的进速系数J为
[0024][0025]式中，V
A
为推进器相对来流前进速度，n为推进器每秒转速，D为推进器公转直径。
[0026]这里对安装的直翼推进器采用定转速调螺距的方式对其进行控制，其回转直径D＝2m，转速为n＝50r/min，工作航速范围为3节至6节，因此，可以计算出其进速系数范围J∈(0.9，1.8)，在此范围内，进速系数对推力没有明显的影响，故这里只认为偏心率e对推力系数有明确的影响。
[0027]第三步，直翼推进器控制点N所在位置，采用极坐标方式进行表达，即偏心率e的大小和偏心距与X轴的夹角h，如图2所示。重新定义了ON和X轴的夹角h。由于直翼推进器的合推力垂直于ON，因此有h＝90
‑
α。
[0028]第四步，为简化指令调制过程、提高执行效率，选取J＝1时，对偏心率和推力系数进行拟合，然后通过调整参数来匹配推进器输出。依据拟合精度高和计算复杂度低的原则，选取如下的三次拟合形式：
[0029]K
T
＝a0+a1e+a2e2+a3e3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直翼推进器的控制及推力分配方法，其特征在于：计算并保证直翼推进器的进速系数对推力没有明显的影响，采用定转速调螺距的方式控制；采用三次拟合的形式确定直翼推进器的控制模型；针对直翼推进器的推力分配建立非线性目标函数，采用基于K
‑
T条件方程的方法进行求解；针对直翼推进器推力分配求解过程中的二次规划子问题，采用伪逆法改进的SQP算法进行求解；通过改变直翼推进器的控制点N，实现对直翼推进器的输出推力和方位角控制。2.根据权利要求1所述的直翼推进器的控制及推力分配方法，其特征在于：计算并保证直翼推进器的进速系数对推力没有明显的影响，采用定转速调螺距的方式控制具体为：在直翼推进器的进速系数大小对推力没有明显的影响的范围内，依据的回转直径，对直翼推进器的转速以及工作航速进行设定，同时直翼推进器的控制方式为定转速调螺距控制。3.根据权利要求1所述的直翼推进器的控制及推力分配方法，其特征在于：采用三次拟合的形式确定直翼推进器的控制模型，依据直翼推进器的性能数据推力系数和偏心率的对应关系K
T
，使用K
T
＝a0+a1e+a2e2+a3e3的三次拟合形式进行数据拟合，式中，e为偏心率，确定系数a0、a1、a2，a3得到直翼推进器推力计算公式，进行反解，获得直翼推进器的控制模型。4.根据权利要求1所述的直翼推进器的控制及推力分配方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠言，章建峰，董九洋，杨祯，范松伟，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所，
类型：发明
国别省市：