[发明专利]一种考虑推进器故障的智能船舶推力分配方法

权利要求书

1.一种考虑推进器故障的智能船舶推力分配方法，船舶包含第一至第n推进器，其中第一至第n-1推进器为全回转推进器，第n推进器为槽道推进器，其特征在于，所述方法包含步骤：

S1、确定船体坐标系下，船舶各推进器的分布位置及工作参数；步骤S1所述工作参数包含：推进器推力幅值上下限、推进器方位角上下限、推进器方位角变化率上下限以及推进器推力幅值变化率上下限；

S2、检测各推进器是否存在故障，当无推进器故障，基于推进器的所述工作参数建立船舶推力预测模型；

步骤S2中所述船舶推力预测模型为：

τ＝B(α)F＝B(α)[F₁ F₂…F_n]^T

其中，τ为全部推进器的推力合力，F_i为第i推进器的推力幅值，F＝[F₁ F₂…F_n]^T；

B(α)为船舶的推力结构矩阵，B(α)＝[b_a(a₁),…,b_a(a_n-1),b_c]；b_a(α_i)为第i推进器的推力结构矩阵，i∈[1,n-1]；b_c为第n推进器的推力结构矩阵；

；

；

α_i为第i推进器的方位角，(l_xi,l_yi)为第i推进器在船体坐标系的坐标值，i∈[1,n-1]；(l_x4,0)为第n推进器在船体坐标系的坐标值；

步骤S2包含：检测船舶推进器是否存在故障；当存在推进器故障，基于推进器的故障类型修改所述船舶推力预测模型；

修改后的船舶推力预测模型为：

τ＝B(α)WF；

其中，W＝diag(w₁,…,w_n)为故障权重矩阵，第i推进器的故障权重系数λ为预设常数，s_i为第i推进器的故障系数；

当第i推进器无故障，λ＝0，s_i＝1；

当第i推进器部分故障，λ＝1，0＜s_i＜1；

当第i推进器完全故障，s_i＝0，λ＝0.01；

i∈[1,n]；

S3、以推进器的推力向量为状态量，以推进器的推力变化率为控制量，基于所述船舶推力预测模型的成本函数和约束条件滚动优化，求解得到各推进器的推力值、推力方位角并分配给对应的推进器；

步骤S3中所述成本函数记为J：

J＝min(J_P+J_s+J_β)；

其中，J_P表示功率消耗项，J_s表示推力误差项，J_β为奇异值项；

其中，N_s表示优化步长，ΔF(k)＝[ΔF_1x(k),ΔF_1y(k),...,ΔF_nx(k),ΔF_ny(k)]^T；ΔF_ix(k)、ΔF_iy(k)表示第k时刻第i推进器在船体坐标系x轴、y轴推力分量的增量，权值矩阵Q_P为正定对角矩阵；

其中，τ(k)为k时刻全部推进器的推力合力，τ_d(k)为k时刻船舶控制器期望的推力合力，权值矩阵Q_s为正定对角矩阵；

其中，T(k)＝[F_1y(k),F_2y(k),...,F_ny(k)]，β(k)＝[0,β_1y(k),...,β_ny(k)]^T表示推力偏置向量；F_xi、F_yi表示k时刻第i推进器的推力相量在船体坐标系y轴的推力分量；

元素β_iy(k)＝|τ_d(k)|r_iarctan(α_ib)，α_ib为第i推进器的偏置角度，r_i为第i推进器在纵荡方向上产生的最大推力的系数，权值矩阵Q_β为正定对角矩阵；

步骤S3中所述约束条件为：

F_i(0)＝F_i,0；

其中，F_i(0)表示第i推进器推力幅值的初值，F_i,0表示为第i推进器预设的推力幅值初值；

F_i(k)表示k时刻第i推进器推力幅值；F_i(k)表示F_i(k)的上、下限；F_xi(k)、F_yi(k)表示k时刻第i推进器的推力向量在船体坐标系x轴、y轴的推力分量；

u_i(k)为k时刻第i推进器的推力幅值变化率，u_i(k)表示k时刻第i推进器的推力幅值变化率上、下限；

u_xi(k)、u_yi(k)为k时刻第i推进器在船体坐标系x轴、y轴的推力分量变化率；

α_i为第i个推进器的方位角，F_xi、F_yi表示第i推进器的推力向量在船体坐标系x轴、y轴的推力分量；表示α_i的变化率；表示的上、下限；

第i推进器的方位角变化率、在船体坐标系x轴、y轴的推力分量满足以下约束条件：

F_i为第i推进器推力幅值，F_xi、F_yi表示第i推进器的推力向量在船体坐标系x轴、y轴的推力分量；F_xi表示F_xi的上、下限；F_yi表示F_yi的上、下限；F_i表示F_i的上、下限；

u_i为第i推进器的推力幅值变化率，u_i为u_i的上下限；u_xi、u_yi为第i推进器在船体坐标系x轴、y轴的推力分量变化率；u_xi为u_xi的上、下限；u_yi为u_yi的上、下限。