一種基于船舶功率管理系統的推力優化分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種動力定位船推力分配方法，具體地說是一種基于船舶功率管 理系統的推力優化分配方法。
【背景技術】
[0002] 21世紀是海洋經濟時代，隨著海洋產業的高速興起，動力定位系統對于海洋鉆井 平臺、起重鋪管船、布纜船、平臺供應船等海洋工程船舶\平臺來說，已成為其海上作業特 別是深海作業時必不可少的支持系統，是我國加快海洋資源開發不可缺少的海洋工程裝 備。
[0003] 船舶動力定位系統是指不借助錨泊，而利用自身推進裝置有效地產生反作用力和 力矩去抵抗風浪流和其它外力對船舶的作用，使船舶保持在設定位置和艏向，或使船舶精 確地跟蹤給定軌跡的系統。動力定位系統由濾波器、控制器、推力優化分配組成；濾波器剔 除傳感器得到高頻信息后給控制器，控制器根據位置和艏向偏差，計算出需要恢復到設定 位置和艏向的力和力矩，推力優化分配根據控制器計算出的力和力矩，優化出船舶上各個 推進器的推力，然后得到各個推進器的控制指令，使船舶恢復到設定的位置和艏向。
[0004] 由于采用全電力推進方式的船舶無需傳統機械推進方式的軸系，具有布局靈活性 等優點；可根據船舶的航速變化、排水量變化、船上電力負荷的變化而任意調整發電機組的 運行數量，具有高效、節能等較好的經濟性。目前，全電力推進方式已成為海洋工程船特別 是裝備動力定位系統的船舶的標準推進方式。
[0005] 動力定位船上除了占全船較大功率的推進器負載以外，還有波浪補償器、起重機、 絞車、栗、鉆井系統等其他負載，由于推進負載波動和船上其他負載設備的重大負載跳變對 整個船舶電力系統造成較大的沖擊，會影響整個船舶電網的頻率和電壓的變化，從而會加 大發電機組的磨損和能耗，甚至會造成全船電力系統停電故障。現有的推力分配方法只是 根據DP (dynamic positioning，動力定位）控制器或Joystick (操縱桿）控制器給出的合 力和力距計算出最優的各個推進器的轉速或螺距、方位角或舵角指令，而沒有考慮到推進 器負載調節和其它負載功率突變對整個船舶電網頻率和電壓的影響、對發電機組的能效和 磨損的影響。
[0006] 申請號為201210177475. 9,名稱為"一種基于推力分配管理的動力定位船推力分 配方法"的發明專利，發明了一種船舶動力定位系統推力分配方法，但是該發明只是一種經 過推力分配計算得到各個推進器推力的方法。申請號為201210177458. 5,名稱為"基于在 線可用功率的動力定位船推進器負載限制方法"的發明專利，發明了一種基于在線可用功 率的動力定位船推進器負載限制方法，通過電站在線得到每個推進器的限載因子，控制推 進器防止其過載，而沒有考慮到船上其它大功率負載和電站的動態特性對電網的影響。
【發明內容】
[0007] 發明目的：本發明旨在提供一種基于船舶功率管理系統，能夠在船舶遭受其他負 載和環境突變的情況下，在線根據船舶其他負載的變化率，采用推進器偏置的二次推力優 化分配方法動態調節推進器的推力，從而調節整船電力系統，使整船電網頻率和電壓在適 當范圍內波動，防止船舶電力系統斷電故障，提高船舶海上作業的安全性，減少船舶推進系 統的磨損和能耗。
[0008] 技術方案：一種基于船舶功率管理系統的推力優化分配方法，包括如下步驟：
[0009] A)推力分配單元從DP控制器或Joystick控制器獲得當前需要分配的合力和合力 距；
[0010] B)用基本推力分配方法對所述合力和合力矩進行推力優化分配，并將優化計算出 的推進器的推力和最小推進功率發送給功率管理系統；
[0011] C)功率管理系統根據此刻其它負載的重載請求、當前推進器消耗功率、全船總的 剩余功率、船舶電網運行狀況、所需的最小推進功率進行分析，判斷當前所需消耗功率是否 在電網的頻率、電壓波動范圍內之內及經濟效益是否最優，如滿足上述條件，推力分配單元 把用基本推力分配方法優化計算出的各推進器指令發送給各個推進器；如果不滿足則使用 功率調節推力分配方法進行二次分配；
[0012] D)推力分配單元根據功率管理系統給定的推進系統最大允許功率、其它負載功率 變化、當前推進器消耗功率，選擇推進器偏置功率，采用功率調節推力分配方法進行二次推 力優化分配，并將分配后各推進器推力值發送給功率管理系統；
[0013] E)功率管理系統根據推力分配單元中功率調節推力分配方法二次分配后的推力 大小，控制電網中的柴油機啟停、調節柴油機轉速、主斷路器狀態、發電機狀態以及推進器 狀態，從而調節全船電網電壓、頻率，防止全船電網斷電。
[0014] 優選的，步驟D)中所述功率調節推力分配方法以最小功率、推力、推進器功率變 化率與其它負載功率變化率之差和推力誤差為推力分配目的，以推力平衡、功率約束、推進 器動態推力范圍為約束條件，采用拉格朗日優化方法進行優化，采用的推力分配模型為：
[0019] 其中，P。為功率關系向量，K為推力系數矩陣，f為推進器的推力，Ψ為權值矩陣， Θ為功率差變化率因子，為推進器功率變化率，Py為其它負載功率變化率，Q為權值矩 陣，s為松弛因子保證推力分配有解，B (a) Kf為推力方程，τ ,為合力及合力矩，Pniax為當前 推進器最大可用功率，Ρ_為當前推進器最小可用功率，Pblas為推進器偏置功率值，f為推 進器當前推力下限，f +為推進器當前推力上限。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本發明采用的推進器偏置方法，使推進器之間產生互反作用推力，同時不改變 全船所有推進器產生的合力和合力距，彌補了柴油機渦輪增壓系統響應慢的缺點，提高整 船電力系統對突變負載的快速響應；該方法通過功率管理系統調節全船電網，使用最少的 發電機在線，避免柴油機長時間在遠小于額定功率的情況下運行，提高燃油效率，降低了排 放，減少了推進單元的磨損，推進器偏置所帶來的經濟效益遠大于偏置增加的能耗。
[0022] 2、本發明基于船舶功率管理系統采用推進器偏置的方法進行推力優化分配，動態 調節推進器功率，從而調節整船的功率，使全船電力系統可以承受其它負載突變、某個發電 機故障、電力系統部分回路短路故障，防止了全船電力系統斷電，提高了船舶的安全性。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明應用于海洋工程船動力定位系統和電站系統的控制結構圖；
[0024] 圖2為海洋工程船電力系統結構圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖對本發明做更詳細的描述。
[0026] 如圖1所示，海洋工程船動力定位系統和電站系統控制系統中包括：功率管理系 統、電站、船舶推進器、其它負載、DP控制器或Joystick控制器、推力分配單元，推力分配單 元包括基本推力分配單元和功率調節推力分配單元，其中基本推力分配單元使用基本推力 分配方法，功率調節推力分配單元使用功率調節推力分配方法。
[0027] 本發明一種基于船舶功率管理系統的推力優化分配方法，包括如下步驟：
[0028] I. DP控制器或Joystick控制器根據船舶反饋回來的位置及艏向信號與設定值之 差，計算出此刻船舶縱蕩、橫蕩和艏搖方向的合力及合力矩T d，并將^送給推力分配單 J L 〇
[0029] 2.基本推力分配單元用基本推力分配方法對給定的Td進行推力優化分配，將優 化計算出的結果：各個船舶推進器的推力f發送給功率管理系統，所需的最小推進功率？_ 送給功率管理系統；基本推力分配方法以最小功率和推力誤差為推力分配目的，以推力平 衡和船舶推進器機械