[发明专利]一种基于模型预测控制的船舶电力推进系统推力分配方法

摘要

对船舶多推进器的推力进行优化分配是改善船舶电网稳定性的有效方法之一，本文提出了一种基于模型预测控制的船舶电力推进系统推力分配方法。该推力分配方法通过协调推进器来调节能耗，从而抵消船舶其它用电设备负载变化引起的整个电网的波动，在减少负载变化影响的前提下不增加系统整体功耗，并且有效地控制船舶的速度和位置偏差。该推力分配方法可以提高船舶的控制精度、电网稳定性，并且具有良好的实时性。

主权项

1.一种基于模型预测控制的船舶电力推进系统推力分配方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立推力分配算法应用于电力推进船的系统结构；高阶运动控制器，接收来自全球定位系统的船舶位置参考η_d和速度参考v_d，计算并产生可以使船舶到达设定位置的总合力的参考值τ_d；推力分配算法协调推进器，使推进器产生的总合成力τ_e与该参考值τ_d相匹配；能量管理系统通过船舶电站告知推力分配算法来自用电设备的瞬时负载变化P_ff、最大可用功率P_max和当前使用功率P_prev等信息，接收来自推力分配算法提供的推力指令f；低阶推进控制器将推力指令f映射成每分钟转速的脉冲信号送到各个螺旋桨的变频器上，使螺旋桨产生的作用在船舶上的合力为τ_e；高阶运动控制器接受到船舶运动反馈的位置偏差和速度偏差的估计值，产生新的期望指令；步骤二、建立描述电力推进船特征的低速船舶运动数学模型；建立描述电力推进船特征的低速船舶运动的数学模型，该模型用于估计推力分配算法中的推力指令偏差的影响；(1)数学模型将船舶建模为一个三自由度的刚体：1)纵荡；2)横荡；3)艏摇，分别用运动学方程和动力学方程来描述船舶模型：1)运动学：船的位置在北东坐标系NED中描述，X轴指向北方，Y轴指向东方；NED中的位置与船体坐标系中的速度v之间的关系可以通过艏摇角ψ表示为其中2)动力学：通常用最方便的方式来表达在船体坐标系中作用在船上的力其中，M是包含流体附加质量的矩阵，是作用在船体上的作用力的总和；C(v)v代表向心力和地转偏向力；对于低速情况下，阻尼力可近似为与船速成比例，即‑Dv，其中D是常数矩阵；地转偏向力和向心力也可以被忽略，将公式(3)表示为其中，3)推进器：让位于船上的推进器i在[l_xi l_yi]^T处，并且在方位角α_i产生等于K_iiF_i的力，其中F_i∈[‑1 1]，K_ii为常系数；该推进器施加在船上的力可以表示K_iiF_i[cosα_i sinα_i]^T，围绕船体中心的扭矩T将为K_iiF_i(‑l_yicosα_i+l_xisinα_i)，i的取值为1或2；整理上述，单个推进器产生的力为由所有推进器产生的合力的表达式τ＝B(α)Kf                  (6)其中矩阵B(α)∈R^3×N的列由[cosα_i,sinα_i,‑l_yicosα_i+l_xisinα_i)]^T组成,同时f＝[f₁,f₂,....f_N]^T，K＝diag(K₁,K₂,.....K_N)；步骤三、分析推力偏差造成的影响并对数据滤波；让推进器功率低于推进器产生期望推力所需的最小功率，允许期望的推力τ_d和实际产生推力τ_e之间的微小的偏差；忽略流体动力的差异，则可以从(3)中提取加速度的偏差估计时间T_e处的速度偏差v_e和位置偏差η_eδt为推力分配算法在下一个解被求解出来之前当前解作用在控制系统上的时间，将T定义为推力分配算法的当前迭代被求解并且输出被发送到推进器控制器的时间，T_e＝T+δt是推力分配算法的下一次迭代的输出可用于推进器控制器的时间；只考虑由推力分配算法修正的偏差，忽略高阶运动算法的修正；速度偏差估计和位置偏差的估计如下：步骤四、运用模型预测控制控制解决推力分配最优化问题；将约束化为线性不等式约束，将二次型性能指标求解最优控制变成一个动态二次规划问题：其中推进器的功耗估算为非线性关系来自高阶运动控制器或操纵杆的合力指令表示为τ_d；令合力τ_d和实际合力B(α)Kf之间存在显着的偏差，权重矩阵为Q₁；如果运行情况需要功率偏置，则确保推力分配算法中的功耗可以通过可调参数P_bias减小，同时仍然分配命令的推力；设置足够大的可用功率P_max来避免无法进行优化的情况，设置P′_bias＝min(P_bias,P_max‑P_min)；导数和以及通过离散化来计算，使用一阶惯性滤波，即f(T)＝f是变量，而f(T‑δt)是一个常数参数，f(T‑δt)等于算法的前一次迭代的f(T)；功率前馈项表示推力分配算法与上一次迭代中的功耗相比增加或减少其功耗的软约束；P_others是船上其他消费者的电力消耗；取决于是正数还是负数改变(12)中功率前馈项Θ的值；通过对该优化问题进行求解，最小化目标函数求得推力分配的最优解并输出到推进器。