• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      動力定位船舶槳-槳干擾處理策略研究

      2019-01-28 01:11:02孟得東
      船電技術(shù) 2019年1期
      關(guān)鍵詞:推進器禁區(qū)分配

      文 武,夏 義,孟得東

      ?

      動力定位船舶槳-槳干擾處理策略研究

      文 武,夏 義,孟得東

      (武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)

      本文針對動力定位船舶在推力分配中槳-槳之間的水動力干擾問題,基于二次規(guī)劃算法提出了一種改進的避免槳-槳干擾的策略。以一艘海洋平臺供應(yīng)船模型為研究對象,通過仿真驗證了該算法可以有效地降低推進器的推力損失,提高船舶的定位精度,降低推進系統(tǒng)的能耗。

      動力定位 推力分配 槳-槳干擾 二次規(guī)劃算法

      0 引言

      推力優(yōu)化分配模塊是動力定位系統(tǒng)(dynamic position System, DPS)的重要組成部分,其主要工作任務(wù)是將控制器給出的期望力和力矩合理均衡的分配給DP船舶或平臺的各推進器,使船舶保持在預(yù)定位置和艏向上[1]。推力優(yōu)化分配問題的本質(zhì)是一個非線性的最優(yōu)化問題,求解該問題的算法有多種[2]。國內(nèi)外很多學(xué)者對此做了大量的研究,提出了基于偽逆算法、乘子法、遺傳算法、二次規(guī)劃算法、序列二次規(guī)劃算法等算法來解決該問題[3]。

      為了能夠滿足定位的要求,DP船舶通常會配備多個全回轉(zhuǎn)推進器,而相鄰槳-槳之間的水動力干擾會降低推進效率,影響船舶的定位精度,增加推進系統(tǒng)能耗。其主要原因是上游螺旋槳所產(chǎn)生的尾流會導(dǎo)致下游螺旋槳進水口處的水流速度增加、進速系數(shù)增大,從而導(dǎo)致螺旋槳的推進效率降低,推力和扭矩減少,研究表明最大推力損失甚至可達30%以上[4]。因此在推力分配中需要充分考慮槳-槳之間的水動力干擾對船舶定位精度的影響。本文主要針對該問題提出一種改進的方法,與傳統(tǒng)的解決方法進行了對比,并通過仿真驗證了該方法的可行性和有效性。

      1 推力分配數(shù)學(xué)模型

      推力分配的數(shù)學(xué)模型通常以減少功率消耗、提高定位精度、減少推進器磨損為目的來構(gòu)建目標(biāo)函數(shù):

      式中,為DP船舶的推進器個數(shù),為各推進器推力,為推力偏差,,和分別表示推力、推力偏差和角度變化率的權(quán)值矩陣。為了能盡可能減少推力偏差,權(quán)值矩陣的選取需要盡可能大。

      由于推進器的物理限制,分配給各推進器的推力大小和方向指令滿足推進器推力大小、推力變化率及角度變化率的要求,其約束條件可表示為:

      推力優(yōu)化分配問題的本質(zhì)是一個非線性的最優(yōu)化問題,求解該類型問題的算法有多種。但是DP系統(tǒng)是一個實時控制的系統(tǒng),對算法的精確性和實時性要很高。二次規(guī)劃優(yōu)化算法可以充分考慮推進器的物理約束,且具有求解精度高、實時性好的優(yōu)點[5],因此本文采用該算法來求解推力分配問題。

      2 避免槳-槳干擾的處理策略

      國外學(xué)者Lehn對影響相鄰螺旋槳推進效率的因素進行了實驗研究,研究結(jié)果表明槳-槳之間水動力干擾的因素主要與槳-槳之間的距離、槳軸之間的夾角以及槳-槳之間的轉(zhuǎn)速比有關(guān)[4]。為了避免槳-槳之間的水動力干擾的影響,在推力分配計算中主要采用的傳統(tǒng)策略是:

      策略1:直接設(shè)置固定禁區(qū)角

      由于相鄰?fù)七M器槳軸之間的夾角越小,推進器的利用率越低。因此在推力優(yōu)化分配中,為了減少相鄰?fù)七M器之間的干擾,對全回轉(zhuǎn)推進器設(shè)置禁區(qū)角,避免推進器在禁區(qū)角內(nèi)發(fā)力。禁區(qū)角的大小可以通過以下經(jīng)驗公式進行計算[6]:

      式中,表示相鄰螺旋槳之間的軸間距離(單位/m);表示螺旋槳的直徑(單位/m)。

      考慮推力方向禁區(qū)后的可行域可表示為:

      圖1 禁區(qū)角示意圖

      采用該策略時,雖然能夠有效避免推進器在禁區(qū)范圍內(nèi)發(fā)力。但是推進禁區(qū)的存在會降低整個推進系統(tǒng)的最大能力,尤其在配備全回轉(zhuǎn)推進器較多的DP船舶或者平臺上,單個推進器的推力可行域上可能會出現(xiàn)兩個甚至多個禁區(qū)范圍。由于一般全回轉(zhuǎn)推進器的角度變化率不高,通常不足以在一個周期內(nèi)跨越禁區(qū)范圍,從而會減少推進器的推力可行區(qū)域,導(dǎo)致整個推進系統(tǒng)的最大定位能力降低。

      策略2:限制禁區(qū)內(nèi)的推力上限

      由于推進器之間的干擾還與上游推進器的轉(zhuǎn)速有關(guān),上游推進器的轉(zhuǎn)速越低,對下游推進器的影響也越小,因此可以通過降低上游推進器的轉(zhuǎn)速,來減少槳-槳之間的水動力干擾[7]。即當(dāng)全回轉(zhuǎn)推進器的方位角在禁區(qū)角范圍內(nèi)時,限制推進器的推力上限,如下式所示:

      式中,表示推力上限的限制系數(shù)。

      圖2 推力可行域的示意圖

      采用該策略時,可能會出現(xiàn)部分全回轉(zhuǎn)推進器的方位角長時間處于禁區(qū)范圍內(nèi),從而導(dǎo)致推進器的利用率降低。而為了滿足期望控制力和力矩的要求,其它推進器則需要承擔(dān)更多的推力分配任務(wù),長期處于高負載情況下作業(yè),導(dǎo)致推進器使用壽命降低。

      本文針對上述兩種策略存在的問題,設(shè)計了一種的避免推進器之間水動力干擾的改進策略。允許推力角度的最優(yōu)解在禁區(qū)角范圍內(nèi),當(dāng)推進器方位角在禁區(qū)內(nèi)時,需要限制其最大推力,但是當(dāng)全回轉(zhuǎn)推進器的方位角長時間處于禁區(qū)范圍內(nèi)時,強制其在就近的禁區(qū)角邊界上發(fā)力。這樣不僅能夠使全回轉(zhuǎn)推進器的方位角通過禁區(qū),最大化利用推進器的有效推力,而且能夠避免推進器長時間在禁區(qū)范圍內(nèi)發(fā)力而導(dǎo)致長期推力分配不均的問題。

      3 仿真結(jié)果與分析

      為了驗證本文提出的避免槳-槳之間水動力干擾策略的有效性,以一艘海洋平臺供應(yīng)船的模型為對象進行仿真驗證。船模推進器的布置圖如圖3所示,其中1號和2號為全回轉(zhuǎn)推進器,3號和4號為側(cè)推進器,推進器的有關(guān)參數(shù)如表1所示。

      圖3 推進器布置圖

      表1 推進器有關(guān)參數(shù)

      圖4 期望控制力和力矩變化

      圖6 2號推進器推力變化

      由圖6所示的2號推進器角度變化可知,采用策略1時,雖然可以有效的避免全回轉(zhuǎn)推進器在禁區(qū)范圍內(nèi)發(fā)力,但是隨著期望控制力方向發(fā)生較大變化,在約第330個周期后,計算得到2號推進器的最優(yōu)方向在禁區(qū)范圍另一側(cè)。由于在單個周期內(nèi)全回轉(zhuǎn)推進器無法跨越禁區(qū)范圍,導(dǎo)致2號全回轉(zhuǎn)推進器只能在禁區(qū)范圍邊界發(fā)力。由圖11的系統(tǒng)功率變化可知,在第330個周期后,推進系統(tǒng)消耗的功率也明顯高于另外兩種策略,導(dǎo)致燃油消耗增加。

      圖7 3號推進器推力變化

      圖8 4號推進器推力變化

      圖9 1號推進器角度變化

      由圖5和圖6所示的推力變化可知,采用策略2時,在第270周期到370個周期中,2號推進器在禁區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生推力,其推力上限受到限制,而為了滿足期望控制力的要求,1號推進器需要承擔(dān)更多的分配任務(wù),從而導(dǎo)致推進器推力分配不均的問題。考慮到DP船舶需長期在海上作業(yè),采用該策略時,可能會出現(xiàn)某個或多個推進器長期在禁區(qū)范圍內(nèi)發(fā)力,導(dǎo)致其它推進器長期處于高負載的情況下運行,出現(xiàn)推力分配不均的問題。而且推進器長期處于高負載下工作也會導(dǎo)致推進器的使用壽命減少。

      圖10 2號推進器角度變化

      圖11 推進系統(tǒng)功耗變化

      由圖9和圖10所示的角度變化可知,采用本文所改進的策略時,在第270個到295個周期時,2號推進器在禁區(qū)范圍發(fā)力時,其推力上限受限,但是在第295個周期后,推進器在就近的禁區(qū)范圍的邊界上發(fā)力。這樣可以有效減少推進器在禁區(qū)范圍的發(fā)力時間。因此與策略2相比,可以有效避免推進器在禁區(qū)范圍發(fā)力而導(dǎo)致推力長期分配不均的問題。此外,從圖11的系統(tǒng)功率變化圖可知,采用本文改進的策略所消耗的功率與策略1相比,可以有效地減少整個推進系統(tǒng)的功耗,降低燃油消耗。

      4 結(jié)論

      仿真結(jié)果表明本文提出的避免槳-槳干擾的處理策略與傳統(tǒng)的處理策略相比,不僅可以有效的避免推進器之間的水動力干擾,降低推進系統(tǒng)的能耗,降低DP 船舶的運營成本,還可以合理均衡利用各推進器,避免部分推進器長期處于高負載下工作,導(dǎo)致其使用壽命降低的問題。

      [1] 邊信黔, 付明玉, 王元慧. 船舶動力定位[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2011: 1-11.

      [2] Fossen Johansen. A survey of control allocation methods for ships and underwater vehicles[C]. 14th Mediterranean Conference on Control and Automation,2006: 109-127.

      [3] 袁偉, 俞孟蕻, 朱艷. 動力定位系統(tǒng)舵槳組合推力分配研究[J]. 船舶力學(xué), 2015, (04): 397-404.

      [4] Lehn. Pratical methods for estimation of thrust losses[R]. Marintek Publication, 1990, R-102.80.

      [5] Wit. Optimal thrust allocation methods for dynamic positioning of ships[D]. Delft University of Technology, 2009.

      [6] 金超. DP 系統(tǒng)的推力分配優(yōu)化算法研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2013.

      [7] Li Bo, Wang Lei. Thrust allocation with dynamic forbidden sectors in dynamic positioning system[J]. Journal of Ship Mechanics, 2014, 18(9): 1024-1034.

      Research on the Interference Between Propeller and Propeller in Dynamic Positioning Vessel

      Wen Wu, Xia Yi, Meng Dedong

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

      U664.14

      A

      1003-4862(2019)01-0028-04

      2018-04-25

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

      猜你喜歡
      推進器禁區(qū)分配
      肖文儒:為生命禁區(qū)帶去希望
      肖文儒:為生命禁區(qū)帶去希望
      肖文儒:為生命禁區(qū)帶去希望
      基于CFD扇翼推進器敞水性能預(yù)報分析
      應(yīng)答器THR和TFFR分配及SIL等級探討
      遺產(chǎn)的分配
      一種分配十分不均的財富
      績效考核分配的實踐與思考
      發(fā)揮考核“指揮棒”“推進器”作用
      不讓你去的五大旅游禁區(qū)
      海外星云(2016年7期)2016-12-01 04:18:10
      广灵县| 柳江县| 太白县| 广安市| 若尔盖县| 万载县| 普格县| 临洮县| 营山县| 泽州县| 博兴县| 皋兰县| 鄂托克前旗| 连州市| 天峨县| 德州市| 高尔夫| 政和县| 金华市| 托克托县| 运城市| 滦南县| 郴州市| 垣曲县| 望奎县| 临夏县| 富民县| 荣成市| 香河县| 西平县| 塔河县| 宁武县| 镇沅| 富民县| 邛崃市| 买车| 墨脱县| 上犹县| 清原| 瑞金市| 陇南市|