動(dòng)力定位船舶推力優(yōu)化分配研究

劉 凱，文 武，夏 義

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動(dòng)力定位船舶推力優(yōu)化分配研究

劉 凱，文 武，夏 義

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)動(dòng)力定位船舶處于環(huán)境力較小而方向頻繁變化的特殊海洋環(huán)境中定位作業(yè)的推力分配問題，采用組合偏置策略進(jìn)行推力優(yōu)化分配，研究了偏置量大小對(duì)組合偏置效果的影響規(guī)律，并針對(duì)組合偏置后存在能量消耗過大的問題，提出了基于能耗最優(yōu)的二次推力分配方法。仿真結(jié)果揭示了偏置量不同對(duì)組合偏置效果的影響規(guī)律，驗(yàn)證了二次推力分配方法對(duì)降低推進(jìn)系統(tǒng)組合偏置后能量消耗的有效性。

動(dòng)力定位 組合偏置 能耗最優(yōu) 二次推力分配

0 引言

在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中定位作業(yè)的船舶可能會(huì)由于單個(gè)或多個(gè)推進(jìn)器的故障而失去預(yù)定位置，這種位置的喪失將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，DP船舶的推進(jìn)系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以滿足DP船舶在任何情況下水平面上不同方向推力和力矩的需求[1]。關(guān)于推力分配優(yōu)化問 題的建模與求解，有關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果[2,3]。

當(dāng)船舶處于環(huán)境力較小而方向頻繁變化的特殊海洋環(huán)境中定位作業(yè)時(shí)，采用常規(guī)的推力分配方法將會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)器的方位角也頻繁地變化，但由于推進(jìn)器本身的物理特性，方位角轉(zhuǎn)動(dòng)速度有限，很可能出現(xiàn)方位角的滯后現(xiàn)象而影響船舶的定位精度，同時(shí)也會(huì)加速推進(jìn)器的磨損。針對(duì)這類問題，Kongsberg[4]提出了偏置的思想，即對(duì)DP船舶的推進(jìn)器進(jìn)行分組，允許推進(jìn)器之間推力相互抵消。這種方法雖然額外消耗了部分功率，但避免了因推進(jìn)器頻繁轉(zhuǎn)向而降低定位精度及加速推進(jìn)器磨損等問題，在實(shí)際工程中有重要應(yīng)用價(jià)值。Veksler[5]采用組合偏置算法以減少DP船舶在復(fù)雜工況下船舶電站的功率大幅度波動(dòng)。國內(nèi)學(xué)者施小成、魏玉石等人針對(duì)組合偏置算法提出了自適應(yīng)組合偏置策略[6]，仿真結(jié)果表明自適應(yīng)組合偏置策略能有效地提高船舶的動(dòng)態(tài)性能，但是沒有系統(tǒng)研究偏置量的大小對(duì)偏置效果的影響，而且在組合偏置后存在推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗過大的問題。

為揭示偏置量的大小對(duì)偏置效果的影響規(guī)律，解決組合偏置后存在推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗過大的問題，本文以一艘DP船舶為研究對(duì)象，將系統(tǒng)研究偏置量對(duì)偏置效果的影響，并提出二次推力分配算法以降低組合偏置后推進(jìn)系統(tǒng)的能量消耗。

1 推力分配數(shù)學(xué)模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

為了滿足DP船舶的作業(yè)精度和燃油消耗率最小的要求，本文以船舶電站的能耗最小和推力偏差最小為目標(biāo)函數(shù)：

1.2 約束條件

1.2.1等式約束

1.2.2不等式約束

在推力分配過程中，需要考慮各推進(jìn)器的最大推力限制、推力變化率限制、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器最大角度限制及其轉(zhuǎn)動(dòng)變化率限制，則不等式約束可表示為：

2 推進(jìn)系統(tǒng)組合偏置算法

在船舶定位過程中，當(dāng)外界環(huán)境力較小而方向頻繁大角度變化時(shí)，采用推進(jìn)器組合偏置的策略可以有效地解決全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器方位角頻繁大角度變化而導(dǎo)致方位角滯后的問題，從而提高船舶的定位精度，降低推進(jìn)器的磨損。

2.1 組合偏置原理

組合偏置是指對(duì)DP船舶上的推進(jìn)器進(jìn)行分組，允許推進(jìn)器之間的推力相互抵消，其中推力相互抵消量稱為偏置量[8]。可以將偏置分為組內(nèi)偏置和組間偏置，組內(nèi)偏置是指允許組內(nèi)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器之間的推力相互抵消；組間偏置是指將各個(gè)組內(nèi)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器等效成一個(gè)推進(jìn)器，允許等效后推進(jìn)器組之間的推力相互抵消。向外偏置是指兩全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器抵消力的方向背離兩推進(jìn)器連線的中點(diǎn)；向內(nèi)偏置是指兩全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器抵消力的方向指向兩推進(jìn)器連線的中點(diǎn)。

2.2 組合偏置推力分配算法

圖1 推進(jìn)器布置示意圖

將推進(jìn)器1和2等效為一個(gè)推進(jìn)器，則它們?cè)赬軸和Y軸方向的分力以及其產(chǎn)生的力矩可以表示為公式（5）。

式中，為偏置量系數(shù)。

則自適應(yīng)偏置量可以表示為：

2.3 二次推力分配方法

應(yīng)用組合偏置推力分配算法得到的推進(jìn)器角度變化是比較平穩(wěn)的，但推進(jìn)器推力大小相對(duì)于偏置前會(huì)大幅度增加，從而導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)燃油消耗增加。針對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗過大問題，本文提出二次推力分配方法，它的主要思路是在應(yīng)用組合偏置法得到各推進(jìn)器角度的基礎(chǔ)上，以能量最優(yōu)為目標(biāo)，重新計(jì)算當(dāng)前角度下的最優(yōu)推力，避免推進(jìn)器的方位角的突變，減小推進(jìn)器的磨損，及燃油消耗。

二次推力分配方法的計(jì)算流程為：

1）通過優(yōu)化算法求解推力分配問題，得到各推進(jìn)器的最優(yōu)推力和角度；

2）應(yīng)用組合偏置將推進(jìn)器分成不同等級(jí)的組，計(jì)算偏置量，得到偏置后的推力和角度；

3）通過二次推力分配方法計(jì)算當(dāng)前角度的最優(yōu)推力，得到推進(jìn)器所需發(fā)出的推力以及偏轉(zhuǎn)的角度。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證上述方法的有效性，本文以一艘DP船舶為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。仿真中模仿DP船舶的定位過程，待分配力和力矩如圖2所示。推進(jìn)器的布置如圖3所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示，其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推力最大變化率為10 N ?s-1，最大角度變化率為10 deg ?s-1；5號(hào)和6號(hào)推進(jìn)器的推力最大變化率為5 N ?s-1。

圖2 待分配的控制力和力矩

圖3 推進(jìn)器布置圖

表1 推進(jìn)器有關(guān)參數(shù)

推進(jìn)器編號(hào)技術(shù)參數(shù) 安裝坐標(biāo)(m)最大推力(N) 推進(jìn)器1（-1.680，0.175）49.050 推進(jìn)器2（-1.680，-0.175）49.050 推進(jìn)器3（0.500，0.175）49.050 推進(jìn)器4（0.500，-0.175）49.050 推進(jìn)器5（1.365，0.000）14.715 推進(jìn)器6（1.245，0.000）14.715

圖4 推進(jìn)器1推力變化

圖5 推進(jìn)器1方位角變化

圖4和圖5分別表示推進(jìn)器1進(jìn)行組合偏置后取不同偏置量時(shí)推力和方位角的變化曲線，圖9表示推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行組合偏置后取不同偏置量時(shí)能量消耗的變化曲線。從圖5和圖6表明隨著偏置量的增大，推進(jìn)器發(fā)出的推力也增大，而推進(jìn)器方位角的變化越平穩(wěn)，推進(jìn)器的磨損也越小；比較當(dāng)ε=0.2和ε=0.3時(shí)，推進(jìn)器的角度變化相近，其中推進(jìn)器1和推進(jìn)器2的角度分別保持在40°和-40°附近，這樣可以有效地減小兩個(gè)推進(jìn)器之間的水動(dòng)力干擾，降低推進(jìn)器的推力損失，但ε=0.3時(shí)推進(jìn)器發(fā)出的推力比ε=0.2時(shí)發(fā)出的推力有較大幅度的增加，表明當(dāng)偏值量處于某一臨界值時(shí)繼續(xù)增加偏值量對(duì)推力分配效果的改善很小，而船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能量消耗因推進(jìn)器抵消的推力增大而大幅度增加，從而造成不必要的能量浪費(fèi)，如圖6所示。故偏值量的設(shè)定并非越大越好，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況合理選取。

圖6 推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗對(duì)比

圖7 推進(jìn)器1推力變化

圖8 推進(jìn)器1方位角變化

為了檢驗(yàn)組合偏置后進(jìn)行二次推力分配方法的有效性，取偏置量系數(shù)ε=0.2時(shí)計(jì)算得到的組合偏置后各推進(jìn)器的方位角，并采用二次推力分配方法計(jì)算當(dāng)前方位角下各推進(jìn)器的最優(yōu)推力。圖7和圖8表示推進(jìn)器1在不同分配策略下推力和方位角的變化曲線，圖9表示推進(jìn)系統(tǒng)在不同分配策略下能量消耗的變化曲線。從圖7可以看出，二次推力分配后的推力比二次推力分配前的推力有較大幅度的減小。從圖9可以看出，二次推力分配后推進(jìn)系統(tǒng)的能量消耗比二次推力分配前有大幅度的降低。因此，在組合偏置后采用二次推力分配方法不僅可以保留組合偏置的優(yōu)點(diǎn)，使推進(jìn)器方位角的變化趨于平穩(wěn)，減小推進(jìn)器之間的水動(dòng)力干擾，而且有效地降低了組合偏置后推進(jìn)器的能量消耗，避免了不必要的能量浪費(fèi)。

圖9 推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗對(duì)比

4 結(jié)論

組合偏置策略在DP船舶作業(yè)中有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文以一艘DP船舶為仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)研究了組合偏置中偏置量大小對(duì)偏置效果的影響規(guī)律，并以減小組合偏置后動(dòng)力系統(tǒng)能耗為目的，提出了二次推力分配方法。仿真結(jié)果表明，隨著偏置量的增大，推進(jìn)器發(fā)出的推力也增大，而推進(jìn)器方位角的變化越平穩(wěn)，但當(dāng)偏值量增加到某一臨界值時(shí)繼續(xù)增加偏值量對(duì)推力分配效果影響很小，卻會(huì)因推進(jìn)器抵消的推力增大而大幅度增加推進(jìn)系統(tǒng)的能量消耗，從而造成大量的能量浪費(fèi)；組合偏置后采用二次推力分配方法不僅可以使推進(jìn)器方位角的變化趨于平穩(wěn)，減小推進(jìn)器之間的水動(dòng)力干擾，而且能有效地降低組合偏置后動(dòng)力系統(tǒng)的燃油消耗，減少大氣排放。

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Research on Optimal Thrust Distribution of Dynamic Positioning Ship

Liu Kai, Wen Wu, Xia Yi

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273

A

1003-4862（2018）09-0039-05

2018-4-19

文武（1993-），男，碩士。研究方向：船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)。Email: ww199305058@163.com