DP船推进系统水动力干扰及推力分配方法研究

摘要

随着我国对深海探索和开发不断深入，海洋船舶或平台对动力定位系统的依赖性越来越高。动力定位系统中的推力分配单元按照运动控制器指令，合理的为各个推进器分配推力，以抵抗外界干扰力作用，使船舶保持在目标位置上进行海上作业。由于相邻推进器间干扰会造成一定的推力损失，导致推进系统实际输出推力与控制器指令间存在偏差，无法实现高精度的动力定位，严重时甚至导致动力定位失败，因此对推进器系统水动力干扰及推力分配方法的研究具有重要的工程价值和理论意义。
　　本文依托工信部高技术船舶项目——“水下工程安全作业仿真测试装备研制及关键技术研究”课题，对海洋石油286铺管起重船推进系统的水动力干扰进行数值仿真分析，对考虑推进器回转禁止角约束的推力分配方法展开了深入研究。
　　首先，以286铺管起重船的动力定位系统为研究对象，建立了船舶三自由度运动学、动力学模型和环境载荷模型。对船舶对环境干扰的运动响应特性进行了仿真分析，为后续推力分配方法研究奠定了基础。
　　然后，针对相邻推进器间干扰问题，建立了286船主推进器的三维模型，基于CFD数值模拟方法，对不同间距、不同方位角、不同进速下的螺旋桨推力损失进行了计算。分析结果表明，推进器间水动力干扰随着桨桨间距增大而减弱，达到27倍螺旋桨直径以上时可忽略不计。左侧主推进器方位角处于[70°，110°]时，右侧主推进器的推力减额最高可达75％;右侧主推进器方位角处于[250°，290°]时，左侧主推进器的推力减额最高可达75％。
　　最后，设定左侧主推进器方位角禁域为[70°，110°]，右侧主推进器方位角禁止域为[250°，290°]。结合推力极值条件、权值矩阵参数对SQP法进行了优化，并基于伪逆法提出了一种改进的推力分配方法。根据286船推进器的布置特点，建立了一种过驱动矢量推进系统的数学模型，并就上述推力分配方法的可行性、有效性及特点进行了仿真分析。在此基础上结合船舶运动数学模型、环境载荷模型及控制器模型构建了DPS模型，从方位角约束、推进器完整模式下复位能力及推进器故障模式下定位能力三方面入手，就改进推力分配方法在DPS中运行时的有效性及定位能力进行了仿真分析。结果表明，伪逆法时实性更高，但只能进行单目标优化，需做出改进。序列二次规划法分配结果更精确，但对初值依赖性高，需做出简化。改进推力分配方法考虑了对推进器回转禁止域和回转速率的约束，能够实时地对过驱动推进系统的推力进行分配，减少推进器损耗，保证动力定位船舶作业的安全性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2船舶动力定位系统概述

1．2．1动力定位系统发展

1．2．2动力定位系统原理及组成

1．3推力分配方法研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4论文主要研究内容

第2章船舶运动学及环境载荷模型

2．1引言

2．2运动坐标系

2．3船舶动力学模型

2．4船舶运动学模型

2．5环境载荷模型

2．5．1海风载荷模型

2．5．2海浪载荷模型

2．5．3海流载荷模型

2．6铺管起重船运动响应仿真分析

2．7本章小结

第3章推进器水动力建模及桨-桨干扰研究

3．1引言

3．2推力损失成因

3．2．1推进器概述

3．2．2桨-桨干扰

3．2．3桨-船干扰

3．2．4推力损失改善方法

3．3螺旋桨水动力建模及敞水特性计算

3．3．1螺旋桨建模与计算域确定

3．3．2控制方程与湍流模型

3．3．3网格划分与边界条件

3．3．4螺旋桨敞水特性

3．4桨-桨干扰数值模拟

3．4．1不同进速下推力减额

3．4．2不同间距下推力减额

3．4．3不同回转方位角下推力减额

3．5本章小结

第4章推进系统建模及推力分配方法研究

4．1引言

4．2铺管起重船推进系统数学建模

4．2．1推力分配模块

4．2．2推进器布置特点及约束条件

4．2．3推进系统合推力与合推力矩

4．3过驱动推力分配方法研究

4．3．1推力分配的数学模型

4．3．2推力分配求解算法

4．4矢量推进系统推力分配方法仿真分析

4．4．1推力分配算法仿真分析

4．4．2 SQP法权值矩阵仿真分析

4．4．3改进伪逆法仿真分析

4．5本章小结

第5章动力定位系统仿真分析

5．1引言

5．2铺管起重船动力定位系统仿真模型

5．2．1 PID控制器设计

5．2．2推进器及推力分配方法选取

5．2．3动力定位系统仿真模型

5．3动力定位能力分析

5．3．1定位能力曲线计算原理

5．3．2计算结果分析

5．4铺管起重船动力定位系统仿真分析

5．4．1推进器方位角约束下动力定位仿真分析

5．4．2推进器完整模式下定位能力仿真分析

5．4．3推进器故障模式下定位能力仿真分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢