船舶動力定位系統(tǒng)推力估計與推力分配研究.pdf

1、隨著我國深海探索和開發(fā)事業(yè)的不斷深入，海洋船舶對動力定位（Dynamic Positioning，DP）系統(tǒng)的依賴性越來越高，對其控制精度、可靠性和適應(yīng)性也提出了更高的要求，需要在設(shè)計要求的各種海況下都能達到較高的控制精度。
　　但是，推進器的空泡現(xiàn)象、露出水面狀況，槳間干擾，低效率區(qū)等都會產(chǎn)生嚴(yán)重的推力損失，影響控制精度，大大減少推進器的使用壽命，因此對推進器的實際推力進行估計，研究考慮推力損失的推力分配方法是至關(guān)重要的。

2、>　　本文圍繞此前沿性課題，結(jié)合相關(guān)工程應(yīng)用，對船舶動力定位作業(yè)過程中推進器的推力估計方法和推力分配算法展開了深入研究，研究內(nèi)容主要包括：
　　為了真實反映運動控制過程中船舶和推進器對環(huán)境干擾及控制輸入的響應(yīng)特性，建立三自由度船舶運動學(xué)和動力學(xué)模型、環(huán)境負(fù)載模型、螺旋槳軸動力學(xué)模型、電機動力學(xué)模型、軸摩擦轉(zhuǎn)矩模型以及四象限螺旋槳水動力特性。給出可用于仿真驗證的試驗船和推進器的模型。
　　為了實現(xiàn)推進器的四象限推力估計，提出基

3、于螺旋槳四象限敞水特性的推力估計方法。首次采用準(zhǔn)靜態(tài)方法處理摩擦轉(zhuǎn)矩中的非線性項，研究轉(zhuǎn)矩估計器和轉(zhuǎn)矩系數(shù)估計器，并分別進行了穩(wěn)定性分析；推力估計方法是通過推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)間的映射關(guān)系，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩系數(shù)估計結(jié)果實現(xiàn)的。并給出只有轉(zhuǎn)矩估計，或只有轉(zhuǎn)矩系數(shù)估計時的推力估計算法。仿真結(jié)果表明所研究的推力估計算法可快速、準(zhǔn)確、有效地實現(xiàn)對螺旋槳實際轉(zhuǎn)矩和推力的估計。
　　為了解決復(fù)雜環(huán)境下的多推進器推力分配問題，從海洋環(huán)境、操作工況和

4、推進器約束這三個方面詳細(xì)分析了推力分配的影響因素，并以此為導(dǎo)向，引入分層思想，將不同海況和工況下采用的推力分配算法，以及算法間的切換監(jiān)督控制等進行層次化抽象，建立包括應(yīng)用層、協(xié)調(diào)層、算法庫層和物理層4個層次的推力分配分層體系結(jié)構(gòu)。
　　為了提高不同海況下的推力分配性能，提出了多種推力分配算法。針對中等海況下的推力分配問題，采用一種更為精確的近似方法修正了功率懲罰項，建立綜合考慮分配誤差、功率消耗和推力均衡性的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，研究了二

5、次規(guī)劃推力分配算法。針對平靜海況和高海況下的推力分配問題，對提出的二次規(guī)劃算法進行改進，分別引入推進器偏置和推力損失懲罰因子，提出了分組偏置推力分配算法和惡劣海況推力分配算法。仿真結(jié)果表明提出的推力分配算法都能有效解決應(yīng)對的問題，具有較高的可靠性和有效性。
　　為了實現(xiàn)所研究的推力分配算法間的切換，增強推力分配算法的適應(yīng)性和魯棒性，將帶有停留時間和遲滯切換的多模切換控制引入到推力分配層面，提出一種推力分配切換監(jiān)督控制策略，以及不同