[发明专利]一种用于可回转多螺旋桨船的推力分配方法

说明书

本发明提出了一种用于可回转多螺旋桨船的推力分配方法，首先建立了船舶三自由度推力分配模型，然后建立了关于螺旋桨能耗、机械磨损、奇异性和推力误差的多目标优化目标函数及约束条件，最后利用改进的带有精英保留策略的快速非支配遗传算法对所提出的问题进行求解。其优点是：可以有效地降低推进系统的能耗和机械损耗，并且可以保证船舶控制的精度。

技术领域

涉及船舶控制领域，具体涉及一种用于可回转多螺旋桨船的推力分配方法。

背景技术

可回转螺旋桨可以绕轴线进行回转,可以在任何方向获得最大推力,它可以使船舶原地回转、横向移动、急速后退等特殊驾驶操作。可回转螺旋桨适合于各种工程船舶,例如拖轮、浮动起重船、挖泥船、渡轮、作业用平底船等，具有广阔的市场应用前景和军事意义。为了提高这些工程船舶的机动性能、效率及系统可靠性，通常配置多于两个螺旋桨。然而，一方面，由于船舶航行惯性力与螺旋桨推力的互相作用，使多螺旋桨推进运行状态呈现出非对称且不规则动力紊乱特性，各桨不规则特性的叠加，也给船舶航向控制带来了困难；另一方面，海况作用下推进负荷剧烈波动，使得各个螺旋桨之间的动力分配极不均衡，这给船舶的航速控制带来了难度。因此，如何精确分配每个可回转螺旋桨的推力和角度成为了关键问题。

发明内容

本发明提出了一种用于可回转多螺旋桨船的推力分配方法，首先根据条件建立了船舶三自由度推力分配模型，然后建立了关于螺旋桨能耗、磨损、奇异性和推力误差的多目标优化目标函数及约束条件，最后利用改进的带有精英保留策略的快速非支配多目标优化算法对所提出的问题进行求解。

主要包括以下步骤：

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，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，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)