Chinese Journal of Ship Research
基于遗传算法的多模式推力分配策略模拟分析
赵伟*，刘焕卫
略，并验证其有效性。
1 动力定位的推力分配
8动力定位系统配有 个全回转推进器。首先，通过比较平台当前状态与期望位置之间的差异，控制器输出需求控制力及力矩，以抵消作用于平台的风、浪、流等环境载荷，然后，推力分配算法8则将控制力及力矩分配给 个推进器，最后推进器通过控制转速达到期望的推力来实现动力定位1的功能。系统的具体工作流程如图 所示。
为了使所有推进器产生的合力及合力矩满足控制器的需求控制力和力矩，推进器的推力角和推力应满足［10］
其中，
式中：τ =
cos αi sin αi cos αi + lxi
的经济性。系统的能耗功率P可表示为2πKQ 8 8 | Ti | 32 ρ DKT式中：K 和 K 分别为推进器的扭矩系数和推力Q T系数；D为推进器直径；ρ为海水密度。推力分配的优化要求系统能耗低、推进器磨损和推力误差小，且系统具备良好的操纵性，因此，得出推力分配的目标优化函数为
Min J (
P = Pi = i =1 i =1
Dα
8
P(Ti ) + (Dα)T Ω(Dα) + i =1 δ
ε + det
（2）
qs+
（3）
约束条件为： = - T T min max DT Tt - Tt DT min - 1 max 4 Dα αt - αt Dα （ ） min - 1 max式（3）中 1 ：目标函数的第 项表示所有推进器的消2耗功率；第 项通过推力角 α 的变化率表示推进器的磨损，其中 = KΩ ´ ，KΩ 8 3为单位矩阵；第 项引入8
了松弛变量
1下也能得到一组最优解， q = Kq ´
，K q 0.1为推力误差的权值系数；最后一项用来避免系统奇异的发生，ε > 0是一个足够小的值，用来避0，δ免分母为 0 是一个权值系数，如果系统发生奇异，则 det(B(α)BT(α)) = 0 ，最后一项的值会ΔT很大，相当于惩罚项。约束条件中的 ， min ΔT ，Δα ，Δα 分别为推力及推力角变化max min max
1
的情况下，分别比较使用限选法和不使用限选法时在系统功率、推进器磨损以及 Fx ，Fy ，M 方向6 7误差方面的差异，如图 和图 所示。
8海洋钻井平台的动力定位系统配备有 台全16回转推进器，目标函数的自变量有 个，遗传算60，种群数量为50。法的最大进化代数为为了满足复杂海况下半潜式平台的定位需3求，根据推进器布置、外部环境扰动制定了 种推力分配模式。1）半可变半固定推力角模式。该模式适用于环境载荷较小但方向变化频繁的海况，或者定位精度要求不高时也可采用此种模式。这种模式主要可避免因环境扰动方向变化频繁而引起的推进器过度磨损及能耗。同时，考1~4虑到要避开推力禁区，设定 号推进器的推力30°，150°，210°和 330°，5~8角分别为 号推进器的推力角完全可变。此种模式因可避免奇异结构的发生，故目标函数种不需要惩罚项。2）半可变半限制推力角模式。该模式适用于环境载荷较大且方向变化频繁3为了验证复杂海况下这 种推力分配模式的合理性，对文献［11］中的需求控制力及力矩做了3一定的处理，以使其海况符合这 种模式。在此3基础上，比较了 种推力分配模式在系统能耗、推2进器磨损、推力误差方面的差异，如表 所示。2 Zone 1从表 中可看出，对于 的需求控制力1及力矩，模式 在推进器磨损及推力误差方面都2 3略要优于其他 种模式，而功率消耗仅比模式1 Zone 2，模 1高，故模式 最适合；对于 式 的功率3消耗过高，而模式 在 Fx ，Fy 及 M 方向的推力2 Zone 3，模误差都过大，故模式 最合适；对于3 1，其他方式 仅在推进器磨损方面略逊于模式2 3面都优于另外 种模式，故模式 最合适。综上3所述，本文针对不同海况下提出的 种推力分配
10 中，5~8标出。图 号推进器的推力角与需求控5号制力方向大致相同，主要是为了降低能耗，且推进器的推力角也始终位于推力禁区之外，说明
给出的推进器布设及推力分配模式能够有效降低桨-桨干涉造成的推力损失。图11中，3号推进器的推力角因为背离需求控制力方向，所以推力值12 中，5~8较小。图 号推进器的推力变化趋势大致相同，这与他们的推力角跟随需求控制力方向
的变化有关。13 14从图 和图 中可以看出，单位采样时间内的推力变化未超过±46.7 kN/s，转角未超过±10°，符合式（4）给出的推力及推力角的约束条件。