DP推进系统水动力干扰及最优推力分配算法研究

论文摘要

本论文主要围绕动力定位推进系统水动力干扰以及最优推力分配算法等相关方面展开研究,首先进行了动力定位推进系统的初步设计,为后续工作包括模型试验以及数值研究奠定基础,然后重点就动力定位推进系统中所涉及到的水动力干扰,如:桨-桨干扰、桨-船干扰展开模型试验以及数值研究,旨在改善推进系统的水动力性能,提高推进系统的运行效率以及安全系数,为推进系统的设计安装以及动力定位系统的设计安装提供参考。研究表明,桨-船干扰所造成的推力损失可高达45%以上,桨-桨干扰可高达70%。造成桨-船干扰的因素主要有科安达效应、摩擦损失以及双浮体的影响（半潜平台）,桨-桨干扰的大小主要和推力器之间的有效距离以及相对方位角的有关。事实证明,可以通过合理的对推力器进行设计安装,能有效的降低水动力干扰,如倾斜导管或整体倾斜推力器,同时有效增大推力器之间的距离,并在推力分配逻辑中设置禁止角约束等等方法。同时就动力定位控制系统中推力分配逻辑算法展开可行性研究,包括伪逆方法和序列二次规划方法,分析其时效性以及稳定性问题,并对典型的约束条件进行算例分析,目的是提高动力定位系统的稳定性、可控性以及经济性等等性能。研究表明,伪逆方法能较快速有效的求解推力分配结果,但前提是推力器角度固定,或方位角已进行优化。因此本文为半潜平台的推力分配逻辑推出了一种较为简单且可行的推力器方位角的确定方法,并能解决较为复杂的约束问题,对此本文通过几个简单的数值试验分别进行论证。序列二次规划方法求解迅速,能有效求解各种复杂的约束问题,但为了保证推力分配逻辑的可行性及稳定性,仍然需要有效的对目标函数以及约束条件进行简化,以求降低算法对于初值的依赖,就此本文比较了若干种不同的边界条件的算例,包括禁止角约束和无禁止角约束等,并考虑系统的能耗情况,分析各种约束条件的简化以及可行性问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 动力定位系统
• 1.2.1 动力定位系统的基本原理
• 1.2.2 动力定位系统的构成
• 1.3 动力定位系统发展应用及研究方法
• 1.4 动力定位系统现存的关键问题
• 1.5 本文的研究内容
• 1.5.1 本文的研究背景
• 1.5.2 本论文的研究目标及拟解决的关键问题
• 1.5.3 本论文的研究方法
• 1.5.4 本论文的主要创新点
• 第二章 动力定位系统数学模型
• 2.1 动力定位系统的概念
• 2.2 旋转变换矩阵
• 2.3 外载荷模型
• 2.3.1 风载
• 2.3.2 流载
• 2.3.3 波浪载荷
• 2.4 推进系统模型
• 2.5 平台运动方程
• 2.6 基本操纵方程
• 2.7 本章小结
• 第三章 动力定位推进系统的设计
• 3.1 动力定位推进系统
• 3.1.1 设计要求
• 3.2 具体设计思路
• 3.3 推力校核
• 3.4 本文小结
• 第四章 动力定位推进系统水动力干扰研究
• 4.1 推力损失的成因
• 4.1.1 桨-桨干扰的成因
• 4.1.2 桨-船干扰成因
• 4.2 数值模拟
• 4.2.1 CFD 理论基础及应用
• 4.2.2 DP 推进系统干扰模拟分析
• 4.2.3 数值模拟结果
• 4.3 模型试验
• 4.3.1 模型试验方法及结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 动力定位系统最优推力分配算法研究
• 5.1 目标函数与边界条件的确定
• 5.1.1 目标函数
• 5.1.2 边界条件的确定与简化
• 5.2 伪逆方法
• 5.2.1 拉格朗日法
• 5.2.2 奇异分解法
• 5.2.3 伪逆方法数值算例
• 5.2.4 伪逆方法的优缺点
• 5.3 序列二次规划方法
• 5.3.1 理论基础
• 5.3.2 SQP 数值算例
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要的研究工作总结
• 6.2 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 在学期间科研成果、获奖及专利情况
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书