[发明专利]一种水流作用下的沉管平移控制优化方法

权利要求书

1.一种水流作用下的沉管平移控制优化方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

S1，分别从速度、阻力、拖轮拉力、拖力合力及拖力合力矩对水流作用下的沉管平移进行数学描述；

S2，通过对拖轮合力、拖轮合力矩的分析建立沉管平移控制模型；

S3，基于PSO算法对沉管平移控制模型进行优化得出各拖轮拖力大小、拖力角度；

所述的S1具体包含如下步骤：

S1.1，对沉管平移的速度进行数学描述：令水流速度为V0，沉管平移速度为V1，沉管相对于水的平移速度为V，V0、V1、V与x轴正方向的夹角为分别为θ0、θ1、θ，V在x轴、y轴方向的分量Vx、Vy分别为：

Vx＝V1cosθ1+(-V0)cosθ0＝V1cosθ1-V0cosθ0

Vy＝V1sinθ1+(-V0)sinθ0＝V1sinθ1-V0sinθ0；

S1.2，对沉管平移的阻力进行数学描述：

RT＝1.15(Rf+RB)；

Rf＝1.67A1|V|1.83×10-3；

RB＝0.62δA2V2，其中RT、Rf、RB分别为拖航总阻力、沉管的摩擦阻力、沉管的剩余阻力，A1为沉管的水下湿表面积，δ为被拖物艏部形状系数，A2为浸水部分的沉管横剖面积；

|fx|＝RTx、|fy|＝RTy，其中，RTx,RTy为RT在x轴、y轴方向的阻力；

S1.3，对沉管平移的拖轮拉力进行数学描述：令第i条拖轮Gi与沉管的系固点为Ai(i＝1,2,…,N)，Ai的坐标为(xi,yi)，Gi的拖力为Fi，x轴正方向逆时针到Fi的夹角为αi，将αi称为Fi的角度，且

F i ∈ [ 0 , F i max ] - - - ( 3 - 8 ) ]]>

α i ∈ [ α i min , α i max ] - - - ( 3 - 9 ) ]]>

式(3-8)、(3-9)中，i＝1,2,…,N；

S1.4，对沉管平移的拖力合力及合力矩进行数学描述：阻力f与拖力合力F大小相同，方向相反，即：F＝-f；

且，所述的拖力合力矩T＝0；

所述的步骤S2包含：

S2.1，对拖力合力分析，建立拖力合力的控制模型，具体为：

Σ i = 1 N F i cosα i = R T x · sgn ( V x ) ; ]]>

其中，N为拖轮的数量；

S2.2，对拖轮合力矩分析，建立拖轮合力矩的控制模型，具体为：

其中所述沉管平移控制模型的目标函数为：

其中，

max fV＝V1；

m a x f F = Π i = 1 N ( F i m a x - F i ) ; ]]>

Fi表示第i条拖轮的拖力，N为拖轮的数量，为第i条拖轮最大拖力；

所述的沉管平移控制模型的约束式为：

其中，是拖轮i的最小拖力裕量；

在所述的步骤S3中作为PSO算法的适应度函数为：

min L p ( x ) = { Σ i = 1 3 λ i [ ln 1 - ln f i ( x ) ] p } 1 / p = { Σ i = 1 3 λ i [ - ln f i ( x ) ] p } 1 / p - - - ( 5 - 7 ) , ]]>

式(5-7)中λ1,λ2,λ3＞0；

所述的PSO算法中决策变量取V1,F1,…,FN-3,α1,…,αN，并求出FN-2,FN-1,FN，具体有

其中，

Δ 2 = sinα N - 2 f ′ y sinα N cosα N - 2 f ′ x cosα N L ′ N - 2 T ′ L ′ N , Δ 3 = sinα N - 2 sinα N - 1 f ′ y cosα N - 2 cosα N - 1 f ′ x L ′ N - 2 L ′ N T ′ , f ′ y = f y - Σ i = 1 N - 3 F i sinα i , ]]>

f ′ x = f x - Σ i = 1 N - 3 F i cosα i , T ′ = - Σ i = 1 N - 3 T i ; ]]>

所述的步骤S3包含：

S3.1，初始化种群的初始位置和速度；

S3.2，决策变量取V1,F1,…,FN-3,α1,…,αN，并求出FN-2,FN-1,FN；

S3.3，根据适应度函数计算每个粒子的值，该粒子为粒子群优化算法种群中的每个个体并得出最优解，该最优解为每个拖轮拖力的大小、拖力角度。