[发明专利]一种用于可回转多螺旋桨船的推力分配方法

权利要求书

1.一种用于可回转多螺旋桨船的推力分配方法，其特征在于：

步骤1、建立三自由度推力分配模型；

垂荡、横摇、纵摇方向上的运动忽略不计，在纵荡、横荡和艏摇方向上的三自由度运动的船舶动力学模型可归结如下：

其中，η＝[x,y,ψ]^T为船舶在大地坐标系X_EOY_E下的实际位置向量，为η的一阶导数，η_d为期望位置向量；v＝[u,v,r]^T为船体坐标系XOY下的实际速度向量，为v的一阶导数，v_d为期望速度向量；R(ψ)为旋转矩阵，M是船体的惯性矩阵，C(v)代表科氏向心力矩阵，D(v)为阻尼矩阵；τ为船舶推进系统产生的实际合力及合力矩，τ_d为期望合力及合力矩；

对于配备可回转多螺旋桨的船舶，τ由螺旋桨的工作状态和推力结构组成：

τ＝B(α)f＝B(α)[f₁,f₂,f₃,f₄]^T (3)

其中，B(α)∈R^3×4推力结构矩阵,f为各个螺旋桨的推力组成的推力矩阵，f_i为螺旋桨i的推力；全回转螺旋桨和导管式螺旋桨的推力结构矩阵分别为B_azi(α_i)和B_tun：

B(α)＝[B_azi(α₁),B_azi(α₂),B_azi(α₃),B_tun] (5)

i为螺旋桨的序号，i＝1,2,3,4；α_i为螺旋桨i的角度；l_i＝[l_xi,l_yi]^T为船体坐标系XOY下螺旋桨i安装在船体上的位置坐标，l_xi为螺旋桨i的X坐标，l_yi为螺旋桨i的Y坐标；

步骤2、建立推力分配约束条件；

其中，螺旋桨i最大输出正向、反向推力分别为f_imax和f_imin，f_i0是前一步螺旋桨i产生的推力，f_i是当前时刻的推力；α_imin和α_imax分别是螺旋桨旋转角度的上限和下限，α_i0是前一步螺旋桨i的角度，α_i是当前时刻螺旋桨的角度；Δf_imin和Δf_imax分别为螺旋桨i的推力变化率的下限和上限，Δα_imin和Δα_imax分别为螺旋桨i的角度变化率的下限和上限；

步骤3、建立推力分配优化目标；

其中，P_w为多螺旋桨的整体功耗，c_i为螺旋桨i的功率系数；J_e为推力误差惩罚项，s为实际推力与理想推力之间的误差，Q为误差惩罚项的权重矩阵；J_Ω为角度变化惩罚项，Ω为角度变化惩罚项的权重矩阵；J_s为奇异结构惩罚项，δ为奇异结构惩罚项的权重矩阵，ε为常数；

步骤4、使用改进的带有精英保留策略的快速非支配排序遗传算法求解推力分配目标函数，包括以下子步骤：

4-1)选择各个螺旋桨的角度和推力作为决策变量，设计染色体；初始化种群，产生种群规模为N的父代种群P_t，t的初始值为0；

4-2)对父代种群P_t进行多项式变异产生子代种群Q_t；

4-3)将父代种群P_t与子代种群Q_t进行融合，得到临时融合种群R_t；

4-4)对R_t进行快速非支配排序，得到不同的帕累托前沿F_j，j的最大取值为N；

4-5)对每个前沿F_j中的个体按照拥挤距离降序排列；拥挤距离D_k的计算方式如下：

其中，|F_j|为前沿F_j中的个体数量；

4-6)P_t+1的初始种群中无个体；选择F_j的前N-P_t+1放入P_t+1中；如果F_j+P_t+1＜N，P_t+1＝P_t+1∪F_j，i＝i+1，返回执行4-4)；否则，返回执行4-5)；

4-7)G_max为进化的最大代数，若t≥G_max，输出最优解集P_t，优化算法结束；否则，t＝t+1，将P_t进行交叉、差分变异操作，生成种群Q_t，并循环执行步骤4-3)，直至结束；差分变异的方式如下：

Q_t＝βP_best+(1-β)P_t (9)

其中，β∈[0,1]，P_best为前沿F₁中的最佳个体。