动力定位船舶全回转推进器工作区优化
动力定位船舶推进器系统介绍
动力定位船舶推进器系统介绍推进器的型式和制造厂很多。
推进器的基本功能是提供反抗环境因素的力和力矩，以便使船处于规定的回旋圈内。
推进器分类推进器一般是用来提供动力，提高速度的。
按照原理不同，有螺旋桨、喷气推进器、喷水推进器、特种推进器。
特种推进器又有许多种类，有变距螺旋桨、导管螺旋桨、直翼推进器、喷射推进器、磁流体推进器等。
随着科学技术的发展，推进器在不断发展，会出现各种形式的新型推进器。
应用到动力定位船上的推进器主要有三种：主推进器，槽道推进器和全回转推进器。
这些推进器在动力定位船舶上的布置图如下图所示：推进器布置图1).主推进器对于常规的船舶而言，单轴或双轴的主推进器基本相似。
对于DP船舶，这样的主推进器构成了DP功能的一部分，推进器通常选用可变螺距类型，以恒转速运转。
这将易于使用轴传动交流发电机，如果轴传动装置不以恒速转动将无法使用。
如果安装变频控制系统，可使用变速交流电动机与定螺距推进器联合使用。
下图是一个主推进器：主推进器2).全回转推进器全回转推进器由一个安装在较短槽道内的可控螺距或固定螺距的推进器组成。
该类型推进器凸出于船舶底部，可通过旋转提供任意方向的推力。
全回转推进器利用锥齿轮由上部驱动。
某些情况下，整个推进器可以收到船壳之内。
全回转推进器的优点在于其可以提供任意方向的推力，其经常被用作主推进器。
但是，其难以实现合适的安装，若安装在船舶底部将显著增大船舶的排水量。
如下图所示：全回转推进器3）槽道推进器槽道推进器主要是沿船舶的纵向贯穿安装于船壳上。
其通过锥齿轮由上部电机或柴油机驱动，向左舷或右舷旋转叶片，或者调整转速和方向可以产生推力。
通常可以在船艏或船艉安装2个或3个槽道推进器。
槽道推进器当船舶没有显著的前进或后退时，由槽道推进器产生的作用于船舶上的合回转力矩将十分显著。
当船舶具有运动时，上述推进器产生的效果将急剧减小。
3.2推进器在动力定位系统中的作用推进器使得船舶具有了操作性。
船舶推进系统分析与优化探讨
船舶推进系统分析与优化探讨摘要：船舶推进系统的核心内容就是要将现有类型的发动机和推进器进行优化组合，形成最佳的推进装置配置方案，现代船舶应根据船型及其计划运输服务范围选择最佳推进系统方案对于提高现代船舶运行效率具有特别重要的实际意义。
下面就船舶推进系统进行具体分析探讨并谈谈我的认识。
关键词：船舶推进系统；分析；优化1．二冲程柴油机船舶推进系统分析及其优化配置二冲程柴油机船舶推进系统采用直接驱动定距螺旋桨配置，是当今民船上最通用的推进装置形式。
我认为，选择螺旋桨转速具有特别重要的意义，因为随着螺旋桨转速的降低推进效率大为提高。
因此，为大型高速船舶特别研制了特低转速（60-80 rpm）的二冲程柴油机。
这些长冲程柴油机，有效效率可达50%，燃油初级能量的直接利用率最高。
此外，部分废气能量还可使用在废热锅炉内生产热水或饱和蒸汽或加热热油系统。
回收的废热在船上可以用于预热目的。
我认为，整个推进系统的操作性能取决于柴油机和定距桨之间的相互作用。
在船舶整个寿命期间，从起动（海上试验条件）到特别不利条件下作业，螺旋桨特性变化范围可能很宽。
全速航行时只有在发动机具有适当功率贮备时才有可能，现在选用的发动机，大多数在海上航行试验时，留有10-15%的功率贮备。
我认为，在安装大功率发动机的船上，可以废热锅炉生产的过热蒸汽送到涡轮发电机，提供船上所需要的电能，这样比较经济，但要对取代柴油发电机所节省的燃料费用与增设废热锅炉和涡轮发电装置所花的较高的基本建设投资进行对比。
我认为，现代二冲程船用柴油机的结构型式一般为4-12气缸直列式、转速约为60-200 rpm，单缸功率400-5500kW、使用恒压涡轮增压的柴油机。
由于增大了冲程/缸径比，气缸换气效率得到改善，所以直流扫气被证明是最优越的换气系统。
二冲程船用柴油机的进一步发展应该致力于降低生产和维护费用、降低燃油消耗、减少废气污染和缩减机舱尺寸研究。
此外，定距螺旋桨推进受空化作用，螺旋桨尺寸和其在尾流中的位置受到限制。
船舶动力系统的综合优化与改进
船舶动力系统的综合优化与改进船舶作为重要的水上交通工具，其动力系统的性能直接关系到船舶的航行效率、安全性和经济性。
随着科技的不断进步和航运业的快速发展，对船舶动力系统进行综合优化与改进已成为一个至关重要的研究领域。
船舶动力系统的组成较为复杂，通常包括主机、传动系统、推进器以及各种辅助设备。
主机是动力的核心来源，常见的有内燃机、蒸汽机和燃气轮机等。
传动系统负责将主机产生的动力传递到推进器，其类型包括齿轮传动、电力传动等。
推进器则是将动力转化为船舶前进的推力，如螺旋桨、喷水推进器等。
在过去，船舶动力系统的设计和优化主要侧重于提高功率和速度。
然而，随着环保要求的日益严格和能源成本的不断上升，如今的优化与改进目标已发生了显著变化。
节能和减排成为了首要考虑的因素。
通过采用先进的燃烧技术和优化燃油喷射系统，可以提高燃油的利用率，减少有害气体的排放。
例如，高压共轨燃油喷射技术能够精确控制燃油喷射量和喷射时间，使燃烧更加充分，从而降低油耗和污染物排放。
除了节能减排，提高船舶动力系统的可靠性和可维护性也是至关重要的。
在复杂的海上环境中，动力系统一旦出现故障，可能会导致严重的后果。
因此，采用冗余设计和故障诊断技术能够有效提高系统的可靠性。
例如，为关键部件配备备用设备，一旦主设备出现故障，备用设备能够迅速投入使用，保证船舶的正常运行。
同时，利用传感器和数据分析技术实时监测动力系统的运行状态，及时发现潜在的故障隐患，并进行预防性维护，能够减少故障发生的概率，降低维修成本。
在船舶动力系统的综合优化中，材料的创新应用也发挥着重要作用。
高强度、耐腐蚀的新型材料可以减轻动力系统的重量，提高其耐用性。
例如，使用钛合金制造关键部件，不仅能够减轻重量，还能抵抗海水的腐蚀，延长部件的使用寿命。
此外，智能化技术在船舶动力系统中的应用也越来越广泛。
通过引入智能控制系统，可以根据船舶的航行状态和负载情况自动调整动力系统的运行参数，实现最优的性能匹配。
船舶动力系统的综合优化与改进研究与应用
船舶动力系统的综合优化与改进研究与应用船舶作为重要的水上交通工具，其动力系统的性能直接影响着船舶的航行效率、安全性和经济性。
随着科技的不断发展和航运业对船舶性能要求的不断提高，船舶动力系统的综合优化与改进成为了一个备受关注的研究领域。
船舶动力系统的组成较为复杂，通常包括主机、传动系统、推进器以及相关的辅助设备等。
主机是动力系统的核心，常见的有内燃机、蒸汽机和燃气轮机等。
传动系统负责将主机产生的动力传递给推进器，其类型包括机械传动、液力传动和电力传动等。
推进器则是将动力转化为推力，推动船舶前进，常见的有螺旋桨、喷水推进器等。
在过去，船舶动力系统的设计和优化往往侧重于某一个方面，例如提高主机的功率输出或者优化推进器的效率。
然而，这种局部优化的方法已经难以满足现代船舶对动力系统高性能、低能耗和高可靠性的要求。
因此，综合考虑船舶动力系统各个组成部分之间的相互关系，进行整体优化和改进成为了必然的趋势。
在综合优化方面，首先需要建立准确的船舶动力系统模型。
这个模型要能够反映动力系统各个部件的工作特性和相互之间的动态关系。
通过对模型进行仿真分析，可以预测不同工况下动力系统的性能，从而为优化提供依据。
例如，通过模拟船舶在不同负载、不同航速和不同海况下的运行情况，分析主机的燃油消耗、功率输出、排放水平以及传动系统和推进器的效率等参数，找出系统中的瓶颈和潜在的优化空间。
同时，优化算法的选择也是至关重要的。
常见的优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法和模拟退火算法等。
这些算法可以在庞大的设计空间中快速搜索到最优解或者接近最优解的方案。
例如，遗传算法通过模拟生物进化的过程，对设计变量进行编码、交叉和变异操作，逐步筛选出性能更优的个体；粒子群优化算法则是通过模拟鸟群的觅食行为，让粒子在解空间中不断更新自己的位置和速度，以找到最优解。
在船舶动力系统的改进方面，新技术和新材料的应用发挥着重要作用。
例如，采用新型的涡轮增压技术可以提高内燃机的进气效率，从而增加功率输出和降低燃油消耗；使用高强度、耐腐蚀的材料制造推进器，可以减轻重量、提高效率和延长使用寿命。
高效能多功能动力定位船设计与优化
高效能多功能动力定位船设计与优化船舶定位技术在海洋工程、海上作业和海上救援等领域发挥着重要作用。
为了满足不同任务需求，高效能多功能动力定位船的设计与优化变得至关重要。
本文将探讨该主题，并提出设计和优化方面的建议。
首先，高效能多功能动力定位船的设计需要考虑以下几个方面。
首先是船体结构的设计。
船体应具备良好的强度和稳定性，以应对恶劣海况下的挑战。
其次是船舶定位系统的设计。
定位系统应具备高精度和稳定性，能够准确测量船舶的位置、姿态和速度。
此外，船舶的推进系统和动力装置也需进行合理设计，以确保船舶能够在需要时快速响应和实现精确定位。
其次，针对高效能多功能动力定位船的设计与优化，还需要考虑以下几个方面。
首先是船舶的多功能适应性。
船舶应具备灵活的配置和布局，以适应不同任务需求的变化。
例如，可根据具体任务需要配置不同的作业设备或救援装置。
其次是能源效率的优化。
为了提高船舶的能源利用效率，可以采用节能设计和装置，如先进的推进系统、能效化发电系统和智能能源管理系统。
此外，船舶的自动化控制系统也应得到优化，以便实现有效的船舶操作和自动化作业。
为了优化高效能多功能动力定位船的设计过程，可以采用以下几种方法。
首先是基于性能需求进行系统化的设计。
通过分析不同任务需求下的性能指标，并结合船舶特点进行设计，可以确保设计的有效性和可行性。
其次是综合考虑船体结构、定位系统和推进系统等方面的设计。
通过协调各个子系统的设计，可以实现整体设计的优化。
同时，还可以利用仿真和模拟技术，对设计方案进行验证和优化。
此外，需要注意的是，在设计过程中考虑船舶的可维护性和可操作性，以便在实际运营中提高船舶的可靠性和可用性。
针对高效能多功能动力定位船的优化问题，可以采用以下几种方法。
首先是性能优化方法。
通过设计优化算法和优化模型，对船舶的各项性能指标进行优化。
这些方法可以包括多目标优化、遗传算法、模拟退火算法等。
其次是结构优化方法。
通过优化船体结构参数、材料选择和结构布局等方面的设计，可以降低船舶的重量和阻力，从而提高船舶的性能和效能。
船舶科技中的动力系统优化
船舶科技中的动力系统优化一、引言船舶科技是当前世界各国高度关注的科技领域之一，也是船舶工业的核心领域。
船舶科技中的动力系统优化是非常重要的一个方向，在船舶工业中占有重要地位。
因此，本文将从动力系统的角度出发，探讨船舶科技中的动力系统优化问题。
二、船舶动力系统的组成船舶动力系统由船舶动力装置、传动装置、推进器、舵及配套的电气系统和自动控制系统等组成。
1. 船舶动力装置船舶动力装置是舰艇发展的核心部分。
动力装置的品质和技术决定着舰艇的战斗力和航行能力。
船舶动力装置主要包括汽油机、柴油机、蒸汽机、燃气轮机和核动力等多种形式。
2. 传动装置船舶传动装置是将船舶动力转化为具有推进功用的动力。
船舶传动装置主要包括传动轴和螺旋桨。
3. 推进器推进器是用于推动船舶前进的设备。
常见的推进器有螺旋桨、水喷推进器和叶轮直接推进器等。
4. 舵舵用于控制船舶的航向，是船舶自动控制系统中的重要组成部分。
5. 电气系统和自动控制系统电气系统和自动控制系统用于调节船舶的动力和运动状态，保证航行的安全和稳定性。
三、船舶动力系统的优化船舶动力系统的优化是指在维持动力总量或推力不变的情况下，通过改进动力装置、传动装置、推进器、舵及配套的电气系统和自动控制系统等，使其在航行中能够达到更好的效率、更低的能耗、更少的污染、更高的可靠性和更安全的性能等。
下面就船舶动力系统的优化问题进一步展开讨论。
1. 动力装置的优化船舶动力装置采用的是内燃机，因此动力的质量和技术决定着舰艇的出动能力和航行能力。
因此，对于船舶动力装置，应该采用最新的技术，如复合材料等，来提高动力技术的水平，从而实现优化目的。
2. 传动装置的优化传动轴和螺旋桨是船舶传动装置的主要组成部分。
因此，在传动装置的优化方面，应优先关注这两个方面的优化。
传动轴优化应考虑材料的优化和结构的优化。
螺旋桨优化应考虑叶片的数量和形状、镟修精度、镟轮计算和设计等。
3. 推进器的优化推进器是船舶前进的重要设备，其优化应该从推进器类型、尺寸、泵速等方面来进行。
船舶动力系统的优化调节策略
船舶动力系统的优化调节策略船舶作为重要的水上交通工具，其动力系统的性能直接关系到船舶的航行效率、安全性和经济性。
为了满足不断提高的航行要求，优化调节船舶动力系统至关重要。
船舶动力系统是一个复杂的综合性系统，涵盖了多种设备和技术，包括主机、辅机、传动系统、推进器等。
优化调节策略的目的是使这些组件协同工作，以实现最佳的性能表现。
首先，了解船舶动力系统的组成部分是进行优化调节的基础。
主机通常是船舶动力的核心，如内燃机（柴油机、汽油机等）或蒸汽轮机。
辅机则负责提供电力、辅助动力以及满足船上其他设备的能源需求。
传动系统将主机产生的动力传递给推进器，常见的传动方式有机械传动、液压传动和电力传动。
推进器的类型多样，如螺旋桨、喷水推进器等，其性能也会对船舶的动力输出产生影响。
在优化调节船舶动力系统时，燃料管理是一个关键环节。
选择合适的燃料类型和品质对于提高燃烧效率、降低污染物排放和节约成本具有重要意义。
不同类型的主机对燃料的要求不同，例如，柴油机通常对燃料的硫含量有严格限制。
通过优化燃料的喷射时间、喷射压力和喷射量，可以提高燃烧的完整性，从而增加主机的功率输出并减少油耗。
同时，采用新型的燃料添加剂也能够改善燃料的性能，降低摩擦和磨损，延长发动机的使用寿命。
另一个重要的方面是动力系统的运行参数调节。
主机的转速、负荷、缸内压力和温度等参数的合理控制对于提高动力系统的效率和可靠性至关重要。
例如，根据船舶的航行速度和负载情况，实时调整主机的转速和负荷，使其工作在最佳工况点附近。
此外，监测和控制冷却系统的水温、油温等参数，能够保证发动机在适宜的温度范围内运行，减少热损失和机械磨损。
对于采用涡轮增压的主机，合理调节涡轮增压器的转速和增压压力，可以提高进气量，增强燃烧效果。
船舶动力系统的智能化控制也是当前优化调节的一个重要趋势。
通过安装传感器和监测设备，实时采集动力系统的运行数据，如压力、温度、转速、油耗等，并将这些数据传输到中央控制系统进行分析和处理。
船舶动力系统的能效提升与优化技术
船舶动力系统的能效提升与优化技术在当今全球经济和环境的大背景下，船舶作为重要的运输工具，其动力系统的能效提升与优化技术变得愈发关键。
高效的船舶动力系统不仅能够降低运营成本，增强船舶在市场中的竞争力，还能减少对环境的负面影响，符合可持续发展的要求。
船舶动力系统的类型多种多样，常见的包括内燃机动力系统、蒸汽轮机动力系统、燃气轮机动力系统以及电力推进系统等。
不同类型的动力系统在能效表现上各有特点，也面临着不同的优化挑战。
内燃机动力系统是目前船舶应用最为广泛的动力形式之一。
然而，内燃机在燃烧过程中存在能量损失，如不完全燃烧、冷却损失和排气损失等。
为了提高内燃机的能效，一系列技术手段被应用。
例如，采用高压共轨燃油喷射技术，能够精确控制燃油喷射量和喷射时间，实现更充分的燃烧，从而提高燃油利用率。
另外，优化进气和排气系统，增加涡轮增压和中冷技术，也有助于提高发动机的充气效率和功率输出，降低燃油消耗。
蒸汽轮机动力系统虽然在现代船舶中的应用相对较少，但在一些大型船舶上仍有使用。
对于蒸汽轮机系统，提高蒸汽发生器的热效率是关键。
采用更高效的锅炉设计，提高蒸汽的温度和压力，可以显著增加系统的输出功率和能效。
同时，优化蒸汽轮机的叶片设计，减少蒸汽在流动过程中的能量损失，也是提升能效的重要途径。
燃气轮机动力系统具有功率密度大、启动迅速等优点。
但燃气轮机的高温排气中蕴含着大量的能量，如果直接排放将造成巨大的能量浪费。
通过采用余热回收技术，利用这部分排气能量来驱动蒸汽发生器或加热其他介质，可以有效提高整个动力系统的综合能效。
此外，优化燃气轮机的燃烧过程，控制燃烧温度和空燃比，也能够提高燃烧效率，降低燃料消耗。
电力推进系统是近年来船舶动力领域的一个重要发展方向。
在电力推进系统中，通过优化发电机、电动机和电力控制系统，可以提高电能的转换和传输效率。
采用先进的变频调速技术，能够根据船舶的运行工况灵活调整电动机的转速，实现精准的功率输出控制，从而降低能源消耗。
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与 文 献 [6] 相 同 的 效 果 ； 朱 梦 飞 和 徐 海 祥 [11] 针 对 动力定位船舶所处海况环境载荷较小的情况，设 置了推进器的固定角度工作模式，利用增广拉格 朗日乘子法求解了推力分配问题，仿真结果表 明，该方法可进一步降低磨损及功耗；陈亚豪等[12] 采用组合偏置思路，设计了一种能量最优组合的 偏置推力分配算法，但并未考虑固定禁止角约 束。虽然固定角度工作模式和组合偏置推力分配 算法可部分解决外界环境下推进器方位角的设置 问题，但在实际动力定位中，通常需要面对多样 的外界环境，若不同方位角区间受到推力的限制 时，系统各方向的性能也不尽相同。可见，这都 是确定推进器最佳工作区间需要解决的实际问题。
为克服传统动力定位推力分配中奇异性研究 难以考虑推进器推力限制、外界不同环境力等不 足，本文将以动力定位船舶自航模型为研究对 象，采用遍历推进器推力、方位角的方法，考虑推 力限制和禁止角约束，建立轴向最大能力数据 库。然后根据外界环境确定全回转推进器的最佳 工作区间，使推进器系统既能保证一定的控制能 力且保持定位精度，又能进一步减小推进器磨 损。最后，通过模型试验检验所提方法的有效性。
第 15 卷 第 2 期 2020 年 4 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol. 15 No. 2 Apr. 2020
引用格式：尚留宾, 王威, 刘志华. 动力定位船舶全回转推进器工作区优化 [J]. 中国舰船研究, 2020, 15(2): 104–110. SHANG L B, WANG W, LIU Z H. Workspace optimization of azimuth thrusters applied by dynamic positioning [J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(2): 104–110.
1 传统奇异性指标分析
图 1 所示为某动力定位船舶的推进器布置。
该船配备有 2 个全回转推进器 (1#和 2#) 和 1 个侧
向 推 进 器 （ 3#） ， 1#， 2#， 3#推 进 器 的 坐 标 分 别 为
(−lx, −ly)， (−lx, ly)， (ls, 0)。 图 中 ， lx， ly， ls均 为 正 值 ， α1 和 α2 分别为 1#，2#全回转推进器的方位角。假 设上层控制器要求推进器系统产生目标广义力为
动力定位船舶全回转推进器 工作区优化
尚留宾*，王威，刘志华
海军工程大学 舰船与海洋学院，湖北 武汉 430033
摘 要:［目的］为使动力定位全回转推进器及时响应外界环境力，避免推进器产生大范围旋转，实现动力定
位控制的高精度，开展全回转推进器最佳工作区间研究。［方法］以安装有两个全回转推进器和一个侧向
奇异性作为控制能力指标，最早来自机器人 机 械 臂 的 应 用 研 究 。 Yoshikawa[1] 首 先 提 出 了 以 “可操作度椭球”的体积作为机械臂的可操作度 指标；Klein 等[2] 随后列举了最小奇异值、条件数 等多个指标，用来衡量和优化机械臂的灵活性； 姚建初等[3-4] 提出基于任务的方向可操作度，进一 步拓展了灵活性指标。奇异性在机器人控制领域 的研究应用可以作为动力定位推进器奇异性研究 的参考。在假设全回转推进器能够反转的前提 下，Sørdalen[5] 利用奇异值分解详细分析了奇异性 产生的机理，结果表明，奇异值本质上是推力向 量到广义力向量（横向力、纵向力、转艏力矩）的 增益；Johansen 等[6] 利用序列二次规划算法，提出 将推进器配置矩阵的行列式值作为奇异性指标， 引导全回转推进器在最佳工作区间运行。此后， 有 许 多 学 者 均 采 用 上 述 方 法 来 避 免 奇 异 性 。 [7-9] 但 此 算 法 较 复 杂 ， 难 以 保 证 实 时 性 。 Xu 等 [10] 针 对半潜平台，采用更简单的全回转推进器方位角 方差作为奇异性指标，并通过时域仿真，取得了
点定位试验。［结果］结果表明，所提方法能够克服奇异性指标存在的不足，实现推进器方位角在 50°范围
内变化，定点定位达到 0.1 m 半径位置和 0.5°艏向的控制精度。［结论］所述方法可替代奇异性指标，满足船
模动力定位试验要求，具备一定的工程实用价值。
关键词：动力定位；全回转推进器；推力分配；最佳工作区间；奇异性
奇异性指标是推力分配的重要优化目标之 一。该指标的主要作用是优化推进器方位角，避 免推进器系统在某些方位角组合区间内无法产生 特定方向的力，导致船舶在某个控制维度内丧失 控制能力，从而严重影响动力定位控制的精度。 虽然全回转推进器可 360°旋转，但其方位角回转 速度较慢，一旦推进器系统进入奇异状态，船舶 就需要较长的时间才能恢复控制能力，从而造成 控制精度急剧下降。因此，如何解决推力分配奇 异性问题，确定推进器最佳工作区间，对于提高06 修回日期: 2019–12–23 网络首发时间: 2020–04–13 14:23 作者简介: 尚留宾，男，1992 年生，博士生。研究方向：船舶动力定位系统。
王威，男，1964 年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：复杂系统。 刘志华，男，1981 年生，博士，副教授。研究方向：舰船水动力性能。 *通信作者: 尚留宾
中图分类号: U664.82
文献标志码: A
DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01819
Workspace optimization of azimuth thrusters applied by dynamic positioning
SHANG Liubin*, WANG Wei, LIU Zhihua
对推进器配置矩阵进行奇异值分解，则有
推进器的动力定位自航模型为研究对象，首先，分析当前推力分配奇异性优化指标存在的问题，在此基础上
考虑推进器的推力限制，并采用遍历推进器推力及方位角的方法，建立轴向最大能力矩阵；然后，根据外界环
境力大小及变化，计算得到各轴向的最低性能要求，结合禁止角，确定推进器在不同外界环境下的最佳工作
区间，获得新的推力分配逻辑框架；最后，基于传统奇异性指标与最佳工作区间的动力定位船模，分别开展定
τcontrol，则有
B ∗ F = τcontrol
(1)
式 中 ： B为 推 进 器 配 置 矩 阵 ； F 为 推 进 器 推 力 向 量 。
F1
1#
α1 lx
3#
ly
F2
2# α2
O
ls
Fs
X
Y 图 1 随船运动坐标系 Fig. 1 Ship motion coordinate system
第2期
尚留宾等：动力定位船舶全回转推进器工作区优化
105
0 引 言
动力定位船舶推进器是过驱动控制系统，其 控制自由度大于运动自由度，故需针对目标力和 力矩分配推力。在动力定位控制流程中，推力分 配模块主要以上层控制器发出的横向力、纵向力 和转艏力矩为目标，在考虑推进器推力限制、方 位禁止角等约束的条件下，优化推进器的总功 率、方位角磨损、奇异性等目标，最终得到各个推 进器应执行的推力和方位角。本质上，推力分配 是有约束的多目标优化问题，而奇异性指标和禁 止角约束条件则共同决定推进器系统方位角的工 作区间。区间不同，其克服和响应外界环境力的 能力也不尽相同，从而会进一步影响动力定位控 制精度。禁止角约束属固定方位角约束，处理较 为简单直接，但推力分配奇异性问题则较为复 杂，故得到了众多学者的关注。
College of Naval Architecture and Ocean Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
Abstract: ［Objectives］In order to make the dynamic positioning of azimuth thrusters respond to external environmental forces in time, avoid the large-scale rotation of the thrusters and achieve high precision dynamic fixed-point positioning control, research on the optimal workspace of azimuth thrusters is carried out. ［ Methods］ Taking the dynamic positioning self-driven model with two azimuth thrusters and a lateral thruster as the research object, the problem of the current thrust allocation singularity optimization index is analyzed, and the thrust limits of the thrusters are further considered. The method of traversing the thrust and azimuth of the thruster to establish the axial maximum capability matrix is applied. According to the external environmental force mean and variance, the minimum axial capability requirements are calculated, the optimal workspaces of the thrusters in different external environments are determined by combining the prohibition angle, and a new thrust allocation logic framework is proposed. The fixed-point positioning experiment of a dynamic positioning ship model based on the traditional singularity index and optimal workspace is carried out. ［Results］The experimental results show that the proposed method can overcome the shortcomings of the previous singularity index and achieve control accuracy of 0.1 m radius position and 0.5 degree direction control accuracy under the propeller azimuth within the range of fifty degrees.［Conclusions］This method can replace the singularity index; it also satisfies the requirements of the ship model dynamic positioning experiment and has certain practical engineering value. Key words: dynamic positioning；azimuth thruster；thrust distribution；optimal workspace；singularity