起重船动力定位系统推力优化分配技术研究(附件)【字数：11384】
摘 要摘 要21世纪是海洋经济时代，随着海洋产业的高速兴起，动力定位系统对于海洋钻井平台、起重铺管船、布缆船、平台供应船、大型耙吸挖泥船等海洋工程船舶/平台来说，已成为其海上作业特别是深海作业时必不可少的支持系统，是我国加快海洋资源开发不可缺少的海洋工程装备。推力分配策略是动力定位控制系统重要组成部分，其性能的好坏不仅会影响系统的定位精度，还会影响到推进系统的能耗、排放和磨损。本文针对具体对象，对外界风浪流载荷、船舶运动模型等进行分析。描述了推进器与推进器之间，推进器与船体之间的推力干扰特性。重点研究了推力分配优化问题，针对装备两个隧道式推进器和两个全回转推进器的起重船，给出了降低推进器的总功率、减少推力误差、降低推进器磨损的推力优化分配目标函数，同时确定推力优化分配问题的约束条件。最后，根据建立的模型，运用序列二次规划算法（SQP）对此问题进行求解，并使用matlab软件进行仿真分析，证明了序列二次规划算法在推力分配问题中应用的可行性。关键词 动力定位系统；推力分配优化；全回转推进器；序列二次规划算法
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 推力分配国内外研究现状 1
1.3 动力定位系统概述 3
1.3.1 动力定位系统组成 3
1.3.2 动力定位系统功能 4
1.3.3 动力定位系统工作原理 4
1.4 本文研究内容 6
第二章 起重船动力定位系统数学建模 7
2.1 起重船主要参数 7
2.2 环境载荷模型 7
2.2.1 风载荷 7
2.2.2 流载荷 8
2.2.3 浪载荷 9
2.3 船舶运动模型 9
2.4 推进器数学模型 10
2.5 本章小结 11
第三章 起重船推进器系统 12
3.1 船体坐标系 12
3.2 推进器类型 12
3.2.1 隧道式推进器 12
3.2.2 全回转推进器 13
3.3 推进器布置 14
3.4推进器推力禁区的处理 15
3.5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
推进器与船体之间的相互干扰 16
3.6 本章小结 17
第四章 序列二次规划算法在推力分配问题应用 18
4.1序列二次规划简介 18
4.1.1 序列二次规划算法思想 18
4.1.2 Matlab求解二次规划问题 19
4.2 推力分配问题描述 20
4.2.1 推力分配模型 21
4.2.2 QP综合模型1 22
4.2.3 QP综合模型2 23
4.3 SQP算法数值算例及matlab仿真 25
4.4 本章小结 30
结论和展望 31
参考文献 32
致谢 33
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
社会的高速发展带来了日益严重的能源和资源问题。于是海洋中的资源吸引了人们的目光，在海洋探索时，各种海运工程船舶占据重要地位。在海洋资源需求的刺激下，船舶动力定位技术逐渐发展起来。
船舶动力定位技术是一种比较复杂先进的船舶运动控制技术。动力定位系统是指动力定位船安装的所有子系统,包括动力系统，推进器系统，控制系统。在进行海洋作业时，为了使船舶定位在指定的位置或者轨迹上，需要动力定位系统的支持，动力定位系统更是成为了工程船舶不可缺少的系统。
本文主要研究动力定位系统中推力分配环节,动力定位系统中最重要的部分就是推力分配环节,推力分配环节具有根据力定位系统的控制器输出指令,为各个推进器分配合适的推力的功能。所以说推力分配单元应当是动力定位系统研究重点，更是其不可缺少的部分。
1.2 推力分配国内外研究现状
推进器是动力定位系统中产生力和力矩的一个元件，主要功能消除外界干扰力保证船舶运动状态。动力定位系统在计算推力分配时，考虑到三个基本等式，分别是控制器的纵向力等于推进器合纵向力、控制器横向力等于推进器合横向力，控制器艏向力矩等于推进器合力矩。正常情况下这三组基本等式之中变量比较多，这个方程组就会有多组解，推力分配问题就是找出其中满足条件的最优化解。
国外早期的推力分配研究方法是Johan Winchers[1]的推力器分组法，此方法的思想归类推进器，形成多个小组，每个小组负责指定方向和大小的推力。2002年C.C.Liang[2]在深入研究了配备有五个全回转推进器的船舶后，设计了一套较为先进的序列二次规划（SQP）优化算法，最后实现了船舶动力定位系统的经济性和有效性。2004年，T.A. Johansen[3]将推理分配问题转化为寻优问题，给定推力大小与推力角约束，运用序列二次规划算法，设置推进系统的功率消耗为目标函数，同时考虑了非奇异的问题。最后通过仿真实验证明了此方法可以降低燃油消耗，避免奇异结构，同时可以增加系统的可操纵性。
关于推力分配问题的求解，国内学者也做了大量的研究工作，获得了丰硕的研究成果，提出了包括乘子法、序列二次规划算法、伪逆法等多种方法以及固定角度模式、可变角度模式等分配策略。许琳凯等采用乘子法求解迅速转向角推进器的优化问题。这种算法把推进器推力变化率、角度变化率等项作为惩罚项写入到目标函数之中，将推力分配问题转化为无约束最优化问题的求解，虽然简化了计算，但是对于复杂约束推力分配问题的求解，这种算法的实时性还需要进一步提高。金超[4]采用改进型二次规划算法成功避免了马尔托斯效应，提高了算法的收敛性，但是初始可行解对于此算法的最优解影响很大。周兴等[5]采用QP算法求解推力分配问题时，跟据当前控制周期的推力可行域给定一个初始可行解，通过去等式约束保证了Hessian矩阵的正定性，这种算法实时性很好。当海洋环境力较小但方向多变的时，为了减少推进器的磨损，一般会采用固定角度模式进行分配。施小成等[6]对于固定角度模式下的推力分配问题，首次采用了伪逆法求解。此方法采用截断、退出分配处理推进器的饱和问题，但是在环境力小且方向多变海样环境中会出现分配失败的问题。在航空航天领域，研究飞机火箭的推力分配问题时，提出了直接分配算法。这种算法将控制分配问题转化为了几何问题进行求解，根据推进器的推力可行域构造力和力矩的可达集凸多面体，通过搜索期望输出力和力矩矢量与可达集凸多面体面的交点得到相应的推进器推力输入[7]。
推力分配优化问题是一个非线性有约束规划问题。求解非线性规划问题的算法,按照不同的设计思路,可以大致分为以下三类:
(1)直接法。直接法早期用来研究非线性约束优化问题,原理类似于无约束优化问题。因此具有计算简单方便,直观易懂等优点。当然这类算法也有着寻优效果不好，收敛速度较慢等缺点。这些缺点的影响很大，因此工程应用上是不会运用这种方法的。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 推力分配国内外研究现状 1
1.3 动力定位系统概述 3
1.3.1 动力定位系统组成 3
1.3.2 动力定位系统功能 4
1.3.3 动力定位系统工作原理 4
1.4 本文研究内容 6
第二章 起重船动力定位系统数学建模 7
2.1 起重船主要参数 7
2.2 环境载荷模型 7
2.2.1 风载荷 7
2.2.2 流载荷 8
2.2.3 浪载荷 9
2.3 船舶运动模型 9
2.4 推进器数学模型 10
2.5 本章小结 11
第三章 起重船推进器系统 12
3.1 船体坐标系 12
3.2 推进器类型 12
3.2.1 隧道式推进器 12
3.2.2 全回转推进器 13
3.3 推进器布置 14
3.4推进器推力禁区的处理 15
3.5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
推进器与船体之间的相互干扰 16
3.6 本章小结 17
第四章 序列二次规划算法在推力分配问题应用 18
4.1序列二次规划简介 18
4.1.1 序列二次规划算法思想 18
4.1.2 Matlab求解二次规划问题 19
4.2 推力分配问题描述 20
4.2.1 推力分配模型 21
4.2.2 QP综合模型1 22
4.2.3 QP综合模型2 23
4.3 SQP算法数值算例及matlab仿真 25
4.4 本章小结 30
结论和展望 31
参考文献 32
致谢 33
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
社会的高速发展带来了日益严重的能源和资源问题。于是海洋中的资源吸引了人们的目光，在海洋探索时，各种海运工程船舶占据重要地位。在海洋资源需求的刺激下，船舶动力定位技术逐渐发展起来。
船舶动力定位技术是一种比较复杂先进的船舶运动控制技术。动力定位系统是指动力定位船安装的所有子系统,包括动力系统，推进器系统，控制系统。在进行海洋作业时，为了使船舶定位在指定的位置或者轨迹上，需要动力定位系统的支持，动力定位系统更是成为了工程船舶不可缺少的系统。
本文主要研究动力定位系统中推力分配环节,动力定位系统中最重要的部分就是推力分配环节,推力分配环节具有根据力定位系统的控制器输出指令,为各个推进器分配合适的推力的功能。所以说推力分配单元应当是动力定位系统研究重点，更是其不可缺少的部分。
1.2 推力分配国内外研究现状
推进器是动力定位系统中产生力和力矩的一个元件，主要功能消除外界干扰力保证船舶运动状态。动力定位系统在计算推力分配时，考虑到三个基本等式，分别是控制器的纵向力等于推进器合纵向力、控制器横向力等于推进器合横向力，控制器艏向力矩等于推进器合力矩。正常情况下这三组基本等式之中变量比较多，这个方程组就会有多组解，推力分配问题就是找出其中满足条件的最优化解。
国外早期的推力分配研究方法是Johan Winchers[1]的推力器分组法，此方法的思想归类推进器，形成多个小组，每个小组负责指定方向和大小的推力。2002年C.C.Liang[2]在深入研究了配备有五个全回转推进器的船舶后，设计了一套较为先进的序列二次规划（SQP）优化算法，最后实现了船舶动力定位系统的经济性和有效性。2004年，T.A. Johansen[3]将推理分配问题转化为寻优问题，给定推力大小与推力角约束，运用序列二次规划算法，设置推进系统的功率消耗为目标函数，同时考虑了非奇异的问题。最后通过仿真实验证明了此方法可以降低燃油消耗，避免奇异结构，同时可以增加系统的可操纵性。
关于推力分配问题的求解，国内学者也做了大量的研究工作，获得了丰硕的研究成果，提出了包括乘子法、序列二次规划算法、伪逆法等多种方法以及固定角度模式、可变角度模式等分配策略。许琳凯等采用乘子法求解迅速转向角推进器的优化问题。这种算法把推进器推力变化率、角度变化率等项作为惩罚项写入到目标函数之中，将推力分配问题转化为无约束最优化问题的求解，虽然简化了计算，但是对于复杂约束推力分配问题的求解，这种算法的实时性还需要进一步提高。金超[4]采用改进型二次规划算法成功避免了马尔托斯效应，提高了算法的收敛性，但是初始可行解对于此算法的最优解影响很大。周兴等[5]采用QP算法求解推力分配问题时，跟据当前控制周期的推力可行域给定一个初始可行解，通过去等式约束保证了Hessian矩阵的正定性，这种算法实时性很好。当海洋环境力较小但方向多变的时，为了减少推进器的磨损，一般会采用固定角度模式进行分配。施小成等[6]对于固定角度模式下的推力分配问题，首次采用了伪逆法求解。此方法采用截断、退出分配处理推进器的饱和问题，但是在环境力小且方向多变海样环境中会出现分配失败的问题。在航空航天领域，研究飞机火箭的推力分配问题时，提出了直接分配算法。这种算法将控制分配问题转化为了几何问题进行求解，根据推进器的推力可行域构造力和力矩的可达集凸多面体，通过搜索期望输出力和力矩矢量与可达集凸多面体面的交点得到相应的推进器推力输入[7]。
推力分配优化问题是一个非线性有约束规划问题。求解非线性规划问题的算法,按照不同的设计思路,可以大致分为以下三类:
(1)直接法。直接法早期用来研究非线性约束优化问题,原理类似于无约束优化问题。因此具有计算简单方便,直观易懂等优点。当然这类算法也有着寻优效果不好，收敛速度较慢等缺点。这些缺点的影响很大，因此工程应用上是不会运用这种方法的。
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