依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法

本发明涉及的是一种船舶控制领域的技术，具体是一种依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法。

背景技术：

1、推力分配方法是实现多喷水推进船舶矢量运动控制的基础，近年来有很多针对推力分配方法的研究。这些已有的对喷水推进器推力分配的研究大多采用物理机理建模+求解最优化问题的技术路线，从物理现象出发对多喷水推进器矢量推力建立数学模型，以推力分配误差最小为目标建立最优化问题，以喷水推进器设备硬件能力(功率限制、喷口角度限制、倒航斗角度限制)建立约束条件，通过松弛变量应对推力分配无解的情况。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术控制器无法应对无解问题，存在导致运动控制失效的风险以及无法有效应对无解情况下的推力分配且优化问题求解计算量大、消耗时间长、存在性能浪费的问题，提出一种依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法，从控制逻辑出发建立双喷水推进器矢量推力可行域模型，并依托可行域的特点进行喷水推进矢量推力分配，显著提升喷水推进船舶的自动化程度的同时计算速度更快、能够更好应对无解情况、普适性更强、对喷水推进器性能发挥更充分。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法，从控制逻辑出发建立双喷水推进器矢量推力的可行域模型，根据可行域的边界条件引入距离松弛变量应对约束条件，通过带权重系数的优化算法应对无解情况下的推力分配问题后，将每个喷水推进器的分配结果翻译为控制命令并输出。

4、本发明涉及一种实现方法的依托可行域的喷水推进矢量推力分配系统，包括：确定控制量上下限确单元、建立可行域模型数学表达式单元、计算可行域边界面单元、建立推力分配优化问题单元、将可行域边界约束引入优化问题单元和迭代优化计算推力分配结果单元六个部分，其中：确定控制量上下限确单元根据输入的上一时刻左右喷水推进器的状态和喷水推进器的性能约束条件，通过计算和换算，得到当前时刻的控制量的上下限条件；建立可行域模型数学表达式单元根据上一单元得到的当前时刻的控制量的上下限条件，通过矢量合成关系，得到当前控制周期的可行域的数学模型表达式；计算可行域边界面单元根据上一单元得到的当前控制周期的可行域表达式，通过得到构成该可行域外表面的曲面片的表达式；建立推力分配优化问题单元根据输入的期望矢量力和得到的当前时刻的控制量的上下限条件，通过加权二次误差函数定义推力分配优化问题；将可行域边界约束引入优化问题单元在上一单元建立的优化问题的基础上，通过距离松弛变量将控制量的上下限约束条件改写为可行域边界面约束条件，并纳入优化问题表达式，得到面向计算的优化问题；最终，迭代优化计算推力分配结果单元对前面建立的优化问题进行迭代计算，得到最优化推力分配结果，翻译为控制指令后发送给下位机执行机构。

5、技术效果

6、本发明从控制逻辑的角度，使用推力合力和推力分力系数对喷水推进系统进行描述并构建可行域数学模型，相比现有公开技术中使用主机功率、喷口角度和倒航斗角度作为自变量，这建模方式更符合控制逻辑和推力分配需要，自变量和运动控制之间的关联更密切，有效地减少自变量的数量，同时实现不同自变量之间的解耦，有效降低边界约束条件的复杂度，减少后续数学计算上的难度。本发明通过求解可行域外表面的数学表达式，并将其纳优化问题，对期望矢量力落在可行域外的情况实现最优化问题的三维空间搜索降维为二维距离搜索，降低对约束条件的处理难度，提高计算收敛速度。本发明通过在最优化问题中纳入权重系数并通过迭代优化计算发挥作用，重新定义最接近的概念，使得期望的矢量力落在可行域外时，本发明在控制过程中能够优先确保权重较高的自由度上的运动控制，这些自由度上的误差收敛后，再处理次要的自由度上的运动误差，并在控制过程中不断循环所述的过程，分步实现不同自由度上的期望矢量推力，实现轮流收敛的运动误差，达到可行的、相对较好的控制效果。

7、本发明为描述喷水推进器矢量推力可行域提供完整的分析方法和建模思路，解决现有技术无法有效应对期望矢量力落在可行域外时的推力分配，导致部分自由度上的力(或力矩)与期望的力(或力矩)相反，因此运动控制失效的问题。相比现有技术通常使用主机功率、喷口角度和倒航斗装置对水流的偏折角度作为自变量，三个自变量与矢量推力的关系不够直观，且三种自变量对矢量推力的影响相互耦合，建模结构较为复杂。本发明通过基于控制逻辑的可行域建模实现更清晰直观的可行域描述和自变量解耦。相比现有技术中通常采用人为添加限制条件的方式来保留最优化问题最优解搜索空间的凸性，相当于舍弃部分可行解，浪费喷水推进器的部分潜在性能。本发明通过对可行域边界的处理实现全可行域内的迭代优化计算，并未放弃可行域内任何解，因此能够更加充分地发挥出喷水推进器的性能。

1.一种依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法，其特征在于，从控制逻辑出发建立双喷水推进器矢量推力的可行域模型，根据可行域的边界条件引入距离松弛变量应对约束条件，通过带权重系数的优化算法应对无解情况下的推力分配问题后，将每个喷水推进器的分配结果翻译为控制命令并输出。

2.根据权利要求1所述的依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法，其特征是，具体包括：

3.根据权利要求1所述的依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法，其特征是，所述的步骤2，具体包括：

4.根据权利要求3所述的依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法，其特征是，所述的步骤2.3，具体包括：

5.根据权利要求4所述的依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法，其特征是，所述的终止条件包括：

6.根据权利要求1所述的依托可行域的喷水推进矢量推力分配方法，其特征是，所述的步骤3，具体为：将步骤2迭代优化得到最优化条件根据所部署的喷水推进器的推力特性曲线，将左右喷水推进器的推力合力、推力分力系数翻译为主机输入功率、喷口角度和倒航斗角度控制指令，发送给下位机执行。

7.一种实现权利要求1-6中任一所述方法的依托可行域的喷水推进矢量推力分配系统，其特征在于，包括：确定控制量上下限确单元、建立可行域模型数学表达式单元、计算可行域边界面单元、建立推力分配优化问题单元、将可行域边界约束引入优化问题单元和迭代优化计算推力分配结果单元六个部分，其中：确定控制量上下限确单元根据输入的上一时刻左右喷水推进器的状态和喷水推进器的性能约束条件，通过计算和换算，得到当前时刻的控制量的上下限条件；建立可行域模型数学表达式单元根据上一单元得到的当前时刻的控制量的上下限条件，通过矢量合成关系，得到当前控制周期的可行域的数学模型表达式；计算可行域边界面单元根据上一单元得到的当前控制周期的可行域表达式，通过得到构成该可行域外表面的曲面片的表达式；建立推力分配优化问题单元根据输入的期望矢量力和得到的当前时刻的控制量的上下限条件，通过加权二次误差函数定义推力分配优化问题；将可行域边界约束引入优化问题单元在上一单元建立的优化问题的基础上，通过距离松弛变量将控制量的上下限约束条件改写为可行域边界面约束条件，并纳入优化问题表达式，得到面向计算的优化问题；最终，迭代优化计算推力分配结果单元对前面建立的优化问题进行迭代计算，得到最优化推力分配结果，翻译为控制指令后发送给下位机执行机构。