船舶动力减摇装置及减摇控制方法与流程

1.本发明涉及一种船舶姿态控制技术，特别涉及一种船舶动力减摇装置及减摇控制方法。


背景技术：

2.船舶在航行过程中，由于受到自身运动和海浪、海风及海流等海洋环境扰动等因素影响，常常导致船体产生摇摆运动，船体的剧烈摇摆运动不仅会对船员的工作、生活造成影响，还会严重影响到船舶的航行安全，因此如何保证船舶在航行过程中保持良好姿态变得非常重要。船舶姿态控制主要研究的是船舶的减摇，即通过控制船体的横摇，使船舶在航行过程中保持良好的姿态。目前，船舶减摇的方法，几乎都是通过加装减鳐鳍、减摇水舱、舭龙骨、减摇陀螺等专门的减摇装置来实现，取得了良好的减摇效果，但也增加了船舶建造的复杂度和维护难度。因此，如何在不安装专门的减摇装置的情况下，实现船舶有效减摇，成为船舶减摇领域的一大难题。


技术实现要素：

3.针对船舶减摇问题，提出了一种船舶动力减摇装置及减摇控制方法，是一种没有专门的减摇装置的情况下的减摇控制方案。
4.本发明的技术方案为：一种船舶动力减摇装置，包括船舶姿态数据采集与处理单元、推进器推力反馈与处理单元以及推力分配控制单元，通过船舶姿态数据采集与处理单元采集船舶姿态数据，通过推进器推力反馈与处理单元采集推进器推力反馈数据，船舶姿态数据以及推进器推力反馈数据送推力分配控制单元，推力分配控制单元进行推力分配输出，实时控制船舶侧向推进器、主推进器和舵桨，产生综合矢量力部分抵消波浪的影响。
5.一种船舶动力减摇控制方法，首先对推进系统进行建模，在推进系统模型基础上，以功率消耗惩罚项和分配误差惩罚项和最小为目标函数建立二次规划形式的推力分配数学模型；对推力分配数学模型，采用起作用集法求解，在每次迭代过程中将已知的可行解视为起点，然后在不考虑其余约束条件的同时将该点的起作用约束视为等式约束，解出目标函数的最小值，得出新的可行解输出用于实时控制方案。
6.进一步，所述推进系统模型为推力分配控制单元生成的船舶所需横荡、纵荡方向的推力f
x
、fy及转艏所需的力矩n
t
：
7.f
x
＝f
t cosβ-f
左total cosαcosβ+f
右total cosαcosβ，
8.fy＝f
左total sinα+f
右total sinα，
[0009][0010]
式中，以船重心为坐标原点，侧推位置为(0，l
侧y
)，左主推位置为(l
左y
，l
左y
)，右主推位置为(l
右x
，l
右y
)；β为姿态传感器检测到的左/右倾角度；α为方向角；f
t
为侧推输出推力，f左total
为左侧主推进器输出推力，f
右total
为右侧主推进器输出推力。
[0011]
进一步，所述推力分配数学模型为：
[0012][0013]
约束条件为：
[0014][0015][0016][0017][0018]
其中
[0019][0020][0021]
式中，j表示目标函数，t∈rr为推进器输出推力，s∈rr为松弛变量，b为推进器矢量布置矩阵，i为单位阵，τc为三自由度所需的推力矩，为推力解中的最大推力，
目标函数的第一项为功率消耗惩罚项，其中t-1
为上一时刻的推力解，ε
t
＞0为非常小的正数，t-1
＝0避免时的奇异问题，w
t
＞0为权值矩阵；第二项为分配误差惩罚项，其中对角阵q＞＞w
t
为权值矩阵。
[0022]
本发明的有益效果在于：本发明船舶动力减摇装置及减摇控制方法，无需借助减鳐鳍或者减摇水舱等专门减摇装置，利用船舶推进装置本身实现局部减摇功能的新颖的减摇策略，极大降低了船舶建造复杂度和维护工程量。
附图说明
[0023]
图1为本发明船舶动力减摇策略的原理框图；
[0024]
图2为本发明左倾工况下左推进器和输出推力情况示意图；
[0025]
图3为本发明左倾工况下右推进器输出推力情况示意图；
[0026]
图4为本发明右倾工况下左推进器推力情况示意图；
[0027]
图5为本发明右倾工况下右推进器输出推力情况示意图；
[0028]
图6为本发明提供的船舶左倾状态下的受力和推力示意图；
[0029]
图7为本发明提供的船舶右倾状态下的受力和推力示意图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0031]
如图1所示船舶动力减摇策略的原理框图，包括船舶姿态数据采集与处理单元、推进器推力反馈与处理单元以及推力分配控制单元，通过船舶姿态数据采集与处理单元采集船舶姿态数据，通过推进器推力反馈与处理单元采集推进器推力反馈数据，船舶姿态数据以及推进器推力反馈数据送推力分配控制单元，推力分配控制单元进行推力分配输出，实时控制船舶侧向推进器、主推进器和舵桨，产生综合矢量力来部分抵消波浪的影响，实现船舶的局部减摇功能。
[0032]
当船舶发生向左倾斜时，姿态传感器检测到左倾角度，经数据采集与处理后，发送给推力分配控制单元，同时该单元实时接收当前各推进器(含舵)推力大小和方向，经计算生成船舶综合矢量补偿力控制指令，再向左方向生成各个推进器(含舵)新的推力指令，从而局部抵消船舶左倾力矩。
[0033]
当船舶发生向右倾斜时，姿态传感器检测到倾斜角度，经数据采集与处理后，发送给推力分配控制单元，同时该单元实时接收当前各推进器(含舵)推力大小和方向，经计算生成船舶综合矢量补偿力控制指令，再向右方向生成各个推进器(含舵)新的推力指令，从而局部抵消船舶右倾力矩。
[0034]
当船舶发生向左/右倾斜时，姿态传感器检测到左/右倾角度β，经数据采集与处理后，发送给推力分配控制单元，如图2～5所示，此时方向角为α的左侧/右侧推进器输出的三自由度推力为：
[0035]
[0036][0037][0038][0039]
式中，f
total
为推进器输出推力，为推进器纵荡方向输出推力，为推进器横荡方向输出推力，为推进器升沉方向输出推力。
[0040]
同时推力分配控制单元会生成船舶所需横荡、纵荡方向的推力f
x
、fy及转艏所需的力矩n
t
，在船体平行坐标系中，以船重心为坐标原点，侧推位置为(0，l
侧y
)，左主推位置为(l
左x
，l
左y
)，右主推位置为(l
右x
，l
右y
)，对推进系统进行建模，则有：
[0041]fx
＝f
t cosβ-f
左total
cosαcosβ+f
右total
cosαcosβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0042]fy
＝f
左total
sinα+f
右total
sinα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0043][0044]
式中，f
t
为侧推输出推力，f
左total
为左侧主推进器输出推力，f
右total
为右侧主推进器输出推力。
[0045]
当船舶发生向左倾倾斜时，为了使得船舶可以产生局部抵消船舶左倾力矩。须有：即：
[0046]-f
左total cosαsinβl
左x
+f
右total cosαsinβl
右x
＞0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0047]
当船舶发生向右倾倾斜时，为了使得船舶可以产生局部抵消船舶右倾力矩。须有：即：
[0048]-f
左total cosαsinβl
左x
+f
右total cosαsinβl
右x
＜0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0049]
建立如下的二次规划形式的推力分配数学模型：
[0050][0051][0052]
[0053][0054][0055][0056][0057][0058]
式中，j表示目标函数，t∈rr为推进器输出推力，s∈rr为松弛变量，b为推进器矢量布置矩阵，i为单位阵，τc为三自由度所需的推力(矩)，为推力解中的最大推力，目标函数的第一项为功率消耗惩罚项，其中t-1
为上一时刻的推力解，ε
t
＞0为非常小的正数，t-1
＝0避免时的奇异问题，w
t
＞0为权值矩阵。第二项为分配误差惩罚项，其中对角阵q＞＞w
t
为权值矩阵。
[0059]
对于二次规划形式的推力分配数学问题，采用起作用集法求解，在每次迭代过程中将已知的可行解视为起点，然后在不考虑其余约束条件的同时将该点的起作用约束视为等式约束，解出目标函数的最小值，得出新的可行解后重复上述做法。具体算法如下：
[0060]
令第k次迭代时可行解为u
(k)
,该可行解约束条件集合为i
(k)
,将推力分配数学模型公式(10)、约束条件公式(11)至公式(14)转成下式约束：
[0061][0062]
式中：ai为以上约束条件形成矩阵中的第i行，即起作用点处约束函数梯度。
[0063]
为了后续计算方便，人为的将原点移至当前起作用点处即δ＝u-u
(k)
，目标函数表达式如下：
[0064]
[0065]
求解转化量δ表达式如下：
[0066][0067]
之后按照以下步骤进行计算：
[0068]
步骤一：设定一组初始可行解u
(k)
，令k＝1。
[0069]
步骤二：求解公式(20)，得出最优解δ
(k)
，若可行解为零，则执行步骤五；不然，进行步骤三。
[0070]
步骤三：令d
(k)
＝δ
(k)
，并确定出λ
(k)
，在执行u
(k+1)
＝u
(k)
+λ
kd(k)
后，解算
[0071]
步骤四：如果λ
(k)
＜1，则令i
(k+1)
＝i
(k)
∪{p}，k＝k+1，此时需要重回步骤二；如果λk＝1，则得出起作用集i
(k+1)
，并令k＝k+1，执行下一步骤。
[0072]
步骤五：用拉格朗日方法求出对应的起作用约束乘子γ
(k)
，假定γ
p(k)
是起作用约束乘子中最小乘子，若其大于等于零，则得到最优解，否则将此约束删除，返回步骤二。
[0073]
如图6、7所示提供的船舶左、右倾状态下的受力和推力示意图，f1、f2为波浪扰力，f
合
为扰力合力，f
推
为船舶推进器合力。
[0074]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种船舶动力减摇装置，其特征在于，包括船舶姿态数据采集与处理单元、推进器推力反馈与处理单元以及推力分配控制单元，通过船舶姿态数据采集与处理单元采集船舶姿态数据，通过推进器推力反馈与处理单元采集推进器推力反馈数据，船舶姿态数据以及推进器推力反馈数据送推力分配控制单元，推力分配控制单元进行推力分配输出，实时控制船舶侧向推进器、主推进器和舵桨，产生综合矢量力部分抵消波浪的影响。2.一种船舶动力减摇控制方法，其特征在于，首先对推进系统进行建模，在推进系统模型基础上，以功率消耗惩罚项和分配误差惩罚项和最小为目标函数建立二次规划形式的推力分配数学模型；对推力分配数学模型，采用起作用集法求解，在每次迭代过程中将已知的可行解视为起点，然后在不考虑其余约束条件的同时将该点的起作用约束视为等式约束，解出目标函数的最小值，得出新的可行解输出用于实时控制方案。3.根据权利要求2所述船舶动力减摇控制方法，其特征在于，所述推进系统模型为推力分配控制单元生成的船舶所需横荡、纵荡方向的推力f
x
、f
y
及转艏所需的力矩n
t
：f
x
＝f
t
cosβ-f
左total
cosαcosβ+f
右total
cosαcosβ，f
y
＝f
左total
sinα+f
右total
sinα，式中，以船重心为坐标原点，侧推位置为(0，l
侧y
)，左主推位置为(l
左x
，l
左y
)，右主推位置为(l
右x
，l
右y
)；β为姿态传感器检测到的左/右倾角度；α为方向角；f
t
为侧推输出推力，f
左total
为左侧主推进器输出推力，f
右total
为右侧主推进器输出推力。4.根据权利要求3所述船舶动力减摇控制方法，其特征在于，所述推力分配数学模型为：约束条件为：约束条件为：
(左倾时)，(右倾时)，其中其中其中式中，j表示目标函数，t∈r
r
为推进器输出推力，s∈r
r
为松弛变量，b为推进器矢量布置矩阵，i为单位阵，τ
c
为三自由度所需的推力矩，为推力解中的最大推力，目标函数的第一项为功率消耗惩罚项，其中t-1
为上一时刻的推力解，ε
t
＞0为非常小的正数，t-1
＝0避免时的奇异问题，w
t
＞0为权值矩阵；第二项为分配误差惩罚项，其中对角阵q＞＞w
t
为权值矩阵。

技术总结
本发明涉及一种船舶动力减摇装置及减摇控制方法，通过采集船舶姿态传感器横摇数据以及推进器推力反馈数据送推力分配控制单元，实时控制船舶侧向推进器、主推进器和舵桨，实现船舶的局部减摇功能。该策略适用于安装有艏部侧向推进器、艉部侧向推进器、全回转主推进器或者常规调距桨(含舵)的船舶。该策略无需借助减鳐鳍或者减摇水舱等专门减摇装置，是一种利用船舶推进装置本身实现局部减摇功能的新颖的减摇策略。的减摇策略。的减摇策略。


技术研发人员：章建峰 陈忠言 刘彬 杨祯 董九洋
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/3/14