[发明专利]一种用于船舶动力定位系统的改进推力分配方法

说明书

本发明公开了一种用于船舶动力定位系统的改进推力分配方法，属于船舶动力定位控制技术领域。其基本是思路是，为了避免推力饱和，首先对三自由度的期望推力进行归一化处理，然后根据推进系统能力进行放大处理；接着用直接分配法进行第一次分配，直接分配后，计算全回转推进器的回转角并判断其是否进入了回转禁止域，若进入则用与回转角禁止域相邻的边界值代替，若没有则保留原值；最后更新推进器位置矩阵，用伪逆算法进行二次推力分配。本发明能较好的解决了推力饱和以及回转角禁止域约束的问题，同时还具有良好的实时性和稳定性，能够提高动力定位系统的定位能力。本发明从实时性的角度出发，并全面的考虑了推进器的禁止角和推力饱和约束等问题。

技术领域

本发明属于船舶动力定位控制技术领域，具体涉及一种用于船舶动力定位系统的改进推力分配方法。

背景技术

动力定位系统是深海作业设备(特别是长期工作在恶劣海况下的深海作业工程船舶)必备的保障装备之一，它可安全有效的帮助船舶完成位置移动、位置保持和目标跟踪等任务，在船舶作业过程中扮演十分重要的角色。动力定位系统是一种闭环的计算机控制系统，其功能是利用船舶自身的多个推进器，使船舶在规定的作业范围和环境条件下保持其船位和艏向。

动力定位控制系统通常可包含导航制导系统、高层控制器和低层控制器等。导航制导系统包括测量系统、导航和制导。测量系统包括位置参考系统和传感器系统，其功能为测量船舶相对于参考点的位置、艏向、姿态和所受的环境力。导航模块通常利用卫星导航系统获得船舶的当前位置。制导模块通过用户输入或任务要求产生参考航迹或定位点，确定每个控制周期控制器的设定位置和艏向。高层控制器包括动力定位控制器和推力分配单元。动力定位控制器为三自由度运动控制器，其功能为计算抵抗环境载荷并跟踪期望航迹所需要的纵向力、横向力和艏摇力矩。推力分配单元的基本任务为将动力定位控制器输出的三自由度期望推力指令分配给不同的推进器，使之输出期望大小和方向的推力。低层控制器即为推进器控制器，其功能为根据各推进器的推力指令计算出推进器的方位角、所需的转速或螺距。

随着动力定位船舶应用领域的不断扩张，对船舶控制性能和控制精度的要求也越来越高，相关领域的研究受到更多的重视。其中推力分配已经成为了动力定位研究领域内的一个热点问题。许多学者都致力于最优推力分配问题的研究。伪逆算法、序列二次规划以及智能优化算法都被应用到最优推力分配问题的求解。这些算法虽然能有效的解决推力分配问题，但仍还存在一些不足之处，伪逆算法没有考虑到推进器推力的饱和现象和推进器回转禁止角的问题；序列二次规划和智能优化算法虽然考虑到了推进器的禁止角和推力范围，但计算步骤复杂，不能满足动力定位系统实时性要求。夏国清等人发明的基于人工鱼群算法的船舶动力定位系统推力分配方法虽然较好的解决了推进器方位角约束问题，同时在寻优速度上有所提升，但由于智能优化算法在针对不同的推力指令进行分配时，迭代的次数和计算的时间会有很大的差别，因而不能很好的满足动力定位系统的实时性和稳定性要求。因此，本发明从实时性和稳定性的角度出发，并较全面的考虑推进器的推力饱和约束和回转角禁止域，提出了一种将控制量归一化处理、直接分配法和伪逆法相结合的改进推力分配方法。本改进推力分配方法能够有效的解决推力饱和、回转禁止角约束等问题，并且由于引入了直接分配和伪逆算法，本发明是一种具有实时性强的最优推力分配方法。同时由于算法步骤简单，因而具有良好的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供能够满足动力定位系统的实时性要求，并且满足系统的推进器饱和约束条件和回转禁止角约束条件，提高系统定位能力的一种用于船舶动力定位系统的改进推力分配方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：