过驱动水面航行器的控制分配技术研究

摘要

随着陆地与近海油气资源的开发不断向深海区域拓展，各类水面船舶与海洋结构物对推力器系统的工作性能提出了更高的要求。全驱动、过驱动的推进系统配置应经成为半潜式钻井平台、钻井船舶、供给船、穿梭油轮等作业类与辅助作业类水面航行器进行深海作业的主要选择。合理、高效地利用冗余的推进装置，建立综合考虑控制分配算法、系统多样运行模式与海洋环境变化以及推力器故障的控制分配管理系统，对提高过驱动水面航行器海上作业的安全性、经济性与可靠性具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
　　 本文综述了国内外过驱动系统的控制分配技术研究现状，全面总结了控制分配方法的研究现状以及过驱动系统控制分配研究的关键技术、主要研究成果和存在的问题。阐述了过驱动水面航行器的控制分配问题，给出了最优化解的求解模型。在分析了过驱动水面航行器控制分配时所涉及的执行机构约束条件与功率约束条件的基础上，给出了水面航行器各类执行机构的控制分配可行域。
　　 针对水面航行器不同的推力器配置，探讨了基于不同推力器配置矩阵的广义逆分配策略。对基于能量消耗最优为目标函数控制分配求解时可能出现的奇异情况而导致推力的不合理输出，应用奇异值分解对广义逆分配算法进行优化，通过对当前最优推力方向下的推力器配置矩阵的最小增益的监测来判断奇异情况的发生。受奇异值分解思想的启发，提出了考虑奇异值分解的推力器系统配置方案来优化设计推力器系统的总体布置以及推力器在配电系统中的组合排布，并在981深水钻井平台上对该优化配置方法进行了验证。
　　 考虑到传统的推力分配根据推力器的布置情况预先设定并始终执行一种推力分配逻辑已经不能适应水面航行器的作业海况与作业任务的变化，基于监督器的多模切换理论，建立了基于监督器的的控制分配切换结构，上层的监督控制器综合考虑系统当前的运行模式、外界海洋环境条件以及推力器系统的故障情况等因素进行控制分配器间的自动切换，在下层的控制分配策略集合中建立了固定方向角模式与可变方向角模式的分配策略，使带有可转向推力器的推力器系统可以根据外界海况的变化或系统运行模式的改变灵活调整运行域。
　　 为了提高水面航行器控制系统对推力器系统故障的容错能力，对推力器系统的故障模式及其影响进行了分析。在广义逆法的基础上提出了基于故障推力器权值惩罚、推力器系统配置改变以及约束条件调整的容错再分配策略，开展了可转向推力器的推力故障容错与回转故障容错的仿真与水池试验。对一全回转推力器系统开展了故障模式与影响分析，由于实际系统中故障模式的风险因子往往很难准确界定其危险程度，采取模糊集合对故障的发生率、故障的严重度与系统对故障的可检测程度进行描述，在此基础上引入模糊权重因子对传统风险优先数评估中忽略故障的发生率、严重度与可检测度三者之间的相对重要性而进行改进，并探讨了灰色关联理论在风险优先数评估上的应用。