文摘
复杂的海洋环境和船用设备的高能源消耗构成挑战的长期导航自主无人驾驶的船只。在波浪诱导运动惯性陀螺减摇技术用于抵消能源通过电波传播,但能源的大量消费不利于长期无人船的导航。本文利用波能量传播的陀螺来提高无人船的电力供应。首先,陀螺减摇装置的非线性耦合模型,建立了无人驾驶船。其次,考虑各种模型约束和物理约束的设备、能源评估目标函数的非线性模型预测控制(NMPC)设计。模拟,提出的控制方法能有效地提取电能从不同的波。
1。介绍
控制的无人地面车辆(USV)是具有挑战性由于不可预测的干扰的复杂的海洋环境,模型的不确定性,造成的地震信号控制器(1- - - - - -3]。其中,波扰动对无人驾驶车辆导航中应该更加关注(4- - - - - -7]。为了减少波浪对船舶横摇的影响当它是静止的或在海洋里航行,陀螺减摇技术已成为一个可行的解决方案。然而,设备主要由陀螺系统能源系统而不是从海洋获得能量(8- - - - - -10]。
与有效地从海洋中提取能量的目的,一些研究者关注的发电控制惯性海浪能量转换器(ISWEC) [11- - - - - -14]。例如,Raffero等人分析了阻尼的影响的动力输出装置(专利和商标局)轴陀螺仪和改善控制性能的考虑的最大动力输出转矩约束(15]。Vissio等人提出的线性二次调节器(等)优化能源生产效率ISWEC设备(16]。Bracco等人介绍了模型预测方法的最优控制系泊发电(17- - - - - -19]。然而,上述研究实现基于名义线性模型,非线性项和不匹配引起的时变模型的进化将被忽略。由于控制器是通过将线性系统开发作为参考模型,很难克服波励磁。为了研究非线性特征的影响在波浪能量转换器(WEC)级等人Merigaud和灵伍德利用WEC的非线性表示模型(20.,21]。尽管如此,作者更多关注的WEC发电系泊状态。
惯性海浪能量转换器可以被纳入浮式系泊平台;因此,可以提供电能的波浪发电站海岸。目前,能源上限制无人船的范围。当电提取的惯性波能量转换器集成到无人船的电力管理系统,一个新的混合供电系统的无人船可以建立。它能增强耐力和海洋能源有效利用无人驾驶的船只。
研究Bracco et al .,设备的外壳由松弛保留系泊。因此,它能够调整的态度相对于海浪本身,和系统可以通过投球从波中提取能量来回浮动容器。而ISWEC设备的无人船是海洋中航行而不是在一个固定的锚定状态,船模型特征是不同的。一方面,无人驾驶船舶和跟踪期望路径导航能力的海洋中。ISWEC设备预计将占据更少的空间、能耗低。另一方面,没有必要考虑限制的螺旋角系泊浮体的船体。然而,过度的横摇角会影响船舶的航行安全。独特的动态特性帆船带来更多挑战的设计控制器。
从能量传递的角度,陀螺稳定器是一种机器,可以将海洋波能转换成机械动能的陀螺旋进运动。当船导航在海洋的不利情况下,船周围的血管会动摇滚轴由于表面的脉动波(22]。船舶横摇伴随着飞轮转子的旋转运动产生的陀螺效应,产生一个力矩陀螺稳定器的进动轴上。而美国专利商标局与进动轴阻尼器,进动轴上的转矩可以用来驱动发电机(23,24]。利用陀螺系统的优点是,设备是完全封闭的,和机械部分不暴露在恶劣的海洋环境。波的能量可以通过ISWEC提取具有高可靠性和安全性(25]。考虑到船和ISWEC系统之间的强耦合,不方便完全解耦方程;和非线性模型参数的不确定性和外部干扰扮演一个伟大的对控制性能的影响26]。为解决这一问题,设计的控制器将处理时变波励磁预测的方式(27- - - - - -30.]。
与线性二次调节器优化方法相比,MPC方法可以显著提高波浪能量转换器的发电,同时满足控制转矩和进动约束(31日- - - - - -34]。预测控制可以考虑系统的未来状态和输出,并采用多步迭代预测模型来构造目标函数。它不仅更关注系统的非线性特征但也考虑各种约束条件在实际控制(35,36]。针对优化发电ISWEC系统整体性能指标的控制可以通过引入反映成本函数。定义的物理约束系统的机械特性。非线性模型预测控制方法已成功应用于锂离子电池的最优估计,风力发电机的安全疲劳设计和涡轮轴发动机的快速响应37- - - - - -39]。
摘要动机是研究陀螺波浪发电提高船舶能源供应;NMPC方法介绍应对发电问题耦合动力系统包括船,陀螺仪,美国专利商标局。动力输出转矩的局限性、进动角和进动角速度是实际系统的关键因素。在现有的研究中,陀螺波浪能量转换器的数学模型主要是基于线性模型的船。摘要非线性轧制模型推导出减少之间的最小偏差预测控制器的输出和实际结果尽快。错误的影响可以通过添加适当的约束得到改善。CasADi解算器是用来获得非线性优化问题的结果在线(40]。大量进行模拟测试,以验证该控制策略的可行性,以及船上的发电ISWEC与不同的控制方法进行比较和分析。
论文的其余部分组织如下。节2,每个部分的动态模型ISWEC发电系统的描述,建立了整个系统的动态模型。节3、NMPC控制方法介绍和具体控制方案NMPC框架设计。节4并给出了仿真结果和讨论,评估了该方法的有效性。最后,给出的结论是在部分5。
2。系统模型
2.1。波激励模型
研究发电性能ISWEC机制是一个自治的船,首先需要建立一个合适的波激励模型来模拟实际的水文条件。通常有两种类型的波:规则波和随机波。可以描述规则波的波高和波的周期 。规则波的形状就像一个正弦曲线,可以描述由以下公式: 在哪里还是波高相对水位和角频率 定义了波的周期性。
随机波动模型可以分为二维随机海浪模型long-crested波和不规则短峰波的三维随机海浪模型。海浪long-crested指波传播在一定方向。波峰和波谷是相互平行和垂直于波的前进方向。生成的短峰波风激励。由于风向的随机,随机海浪向四面八方传播。在这篇文章中,二维不规则long-crested波作为随机波激发研究船的动态特性。
目前对这艘船被海浪波面斜率的功能。描述波的斜率曲面模型的随机波,波频谱应该获得的。常用的海浪谱包括Pierson-Moskowitz谱光谱(PM), ITTC双参数谱光谱(ISSC)和AK Fung频谱。自点光谱适用于无限水深,它已被广泛用于海洋工程和船舶工程。在这篇文章中,点光谱修正1969年被选中作为模拟光谱(41),它可以列出如下: 在哪里有效波高和吗平均周期。根据波谱函数 ,表面波的频谱函数的斜率可以得到如下: 在哪里重力加速度。表面波的斜率函数可以被看作是一个零均值平稳随机过程,并获得通过转换波的频域表达式地面坡度的时域表达式;因此波的斜率定点在海洋表面波可以定义如下所示: 在哪里是谐振角频率,表明内均匀分布随机相角 ,和反映了谐波选择的数量。遇到角频率可以得到的方程 ,在哪里是波数,船的速度,表示航向角。
2.2。非线性动力学模型
自治的船只在水面移动生产各种振荡运动由于海浪的干扰22,42]。因为阻尼辊通道将非常小,它带来了更大的振幅振动。设备的发电效率可以提高ISWEC技术的帮助。的入射波被认为是一个二维long-crested海浪,和船舶运动的耦合效应在不同程度的自由是被忽视的。在这篇文章中,入射波之间的相互作用和飞机上的设备进行定义的船体纵轴和横轴的船体43]。
根据动态平衡理论,动态方程的自治船辊通道可以如下: 在哪里船舶横摇角,船体的惯性矩,船体的附加惯性矩,的总和和表明船体的总惯性矩。此外, 横摇阻尼的时刻, 定义了滚恢复力矩, 描述了波激发的时刻,接触角的频率。
当横摇角很小(一般 ),选择线性形式来描述船舶横摇阻尼力矩。然而,线性形式的阻尼力矩带来更多错误计算横摇角太大。因此,有必要确定这种治疗的严谨在选择阻尼力矩的非线性形式取代线性形式。目前,第一个常见的非线性形式的阻尼力矩等于线性阻尼和阻尼广场之和(44]。此外,阻尼力矩可以获得线性阻尼和立方阻尼(的总和45,46]。在本文中,后者选择阻尼力矩表达式: 阻尼系数是直接从船上获得参数表。
恢复力矩影响辊,音高和船舶升沉;因此,建模目前是很困难的。因为只有转动自由度是本文摘要船被忽略的其他渠道(43]。船舶稳定高度是定常的,所以恢复力矩可以表示为 恢复力矩系数在哪里 , ,和从船上获得参数表。
波激发的时刻可以表示为一个函数波表面的斜率如下: 在哪里船的位移,是横稳心高度,是表面波的斜率。基于上述讨论,用上述方程方程(5),非线性动力学方程滚船兴奋的波可以获得如下: 在哪里 ; 。
ISWEC设备的发电原理如下:海浪作用于船体使船周而复始 - - - - - -船舶轴框架,内部的能量传播到陀螺系统的船。陀螺系统是在船的中心,主要部分是一个垂直轴旋转的飞轮在高速。陀螺系统工作时,陀螺效应是飞轮转速的结果和船辊速度 ,产生转矩在进动轴。然后传输到旋转扭矩驱动发电机。产生的电力可以集成到船的电力供应。
坐标系如图1。首先,基本坐标系回转装置的,是固定的船和陀螺系统之间的连接点,轴指向弓,轴指向船的左舷,和轴的垂直方向船体甲板上。船体横摇角的纵轴是 。的坐标系坐标系统可以被视为一个旋转坐标系相对于 ,那里的轴是旋转飞轮转子和轴轴是陀螺进动轴。不管陀螺的运动影响船舶减摇装置的其他自由度,方程忽略了高阶项。因此,减摇陀螺的运动方程相对于旋转坐标系统可以根据牛顿建立平衡方法: 在哪里是飞轮转子的惯性矩相对于轴,代表相对于转子的惯性力矩和轴,转子速度是常数的值 ,定义了进动角的转子轴。 , ,和外部的组件的时刻吗在每一个方向的分别坐标系坐标系统。 表明减摇动量不变的陀螺仪。的轴被视为输出轴和陀螺仪受阻尼器的时刻 ;因此,植物输出转矩获得的轴。的输出转矩坐标系平移坐标系中表示 。由于高速旋转的飞轮、陀螺效应的角速度随着相比非常小 ,所以二阶项被忽略。方程(10)可以简化:
从上面的公式可以看出,陀螺效应不仅产生转矩的方向进动轴但也带来了类似的转矩和轴。在轴角速度引起的和总是与轧制方向,通常被用来抵消船倾侧运动引起的海浪。这就是为什么陀螺稳定器可以减少船滚动。在轴,所产生的干扰力矩的角速度和可以增加船的振动在偏航通道。然而,当一对相反的方向旋转的陀螺稳定剂和相同的转速是船,船的偏航方向的扰动力矩陀螺系统引入的可以改善。在建模的过程中自主船ISWEC发电装置,动态模型的多个陀螺设备可以相当于一个陀螺动态模型。
本文在前面的一部分,波激励模型,船舶动力学模型,列出和陀螺装置模型。前面提到的模型可以结合获得整个系统的联合动力学模型如下: 在哪里美国专利商标局的阻尼转矩。
在上面的提到的模型中,当发生奇异陀螺的输出设备时,陀螺的进动角体系仍在或与此同时,陀螺的进动设备不能进动轴旋转,最后设备失去了它的发电能力。为了避免奇异陀螺的输出设备,设备的重心应该是获得低重力复原力矩。联合动态模型可以得到: 在哪里是距离重心的陀螺进动轴,是陀螺质量,是陀螺数字。
2.3。线性动态模型
系统运动方程所描述的非线性和耦合。为了评估系统的动态特性,应该解决数值方程。非线性系统简化为在平衡点线性化方程。线性化近似进行了系统的稳态点 。以下公式给出了陀螺动力学方程的线性形式:
在前面的部分,弗劳德提出的线性阻尼+立方阻尼由确定船舶的阻尼力矩的通道。多项式的形式用于近似恢复力矩的船。然而,当船的滚动角很小,船的阻尼力矩和恢复力矩可以表示线性形式,只有一阶项保留在原始多项式(41]。因此,简化轧制动力学方程给出:
因此,联合线性系统的动态模型可以通过替换原有的非线性模型线性化船辊模型和陀螺模型:
3所示。控制方案
3.1。NMPC方法
ISWEC发电可以控制的被动控制和主动控制的方法。当设计无源控制器,影响系统的主要参数的变化应该分析吸收能力。然后最好的发电电力设备参数在特定的水文条件下可以确定。因此,可以保证最大发电。此外,系统控制参数在整个发电过程中保持不变。被动控制的优点是,参数只能确定一次,而且方法简单。然而,船航行在一个多变的水文环境,和被动控制系统不能实时更新参数,只能确保确定参数最优值的统计视图。发电效率每一步不优化。因此,许多控制器实时控制功能引入ISWEC的发电控制设备,是一种主动控制的发电设备。其中,模型预测控制已经得到了越来越多的关注在利用海洋能源由于其预测能力和能力有效地处理多个性能指标和多个约束。
模型预测控制方法主要包括三个步骤:基于模型预测未来状态,使用数值方法解决优化问题,并应用第一个组件系统的最优控制序列。MPC的特点,比如实时更新、滚动优化和模型预测,使MPC控制器有更多的鲁棒性,它仍然保持更好的控制性能的高不确定性的被控对象本身和带来的外部干扰波。
3.2。控制器设计
在ISWEC,电能来自于陀螺的进动运动设备。的陀螺效应产生的进动运动是由造成的滚动波和飞轮的转动。因此,生成的权力ISWEC设备进动轴等于产品的进动角速度和阻尼转矩;也就是说,
发电的有效控制是通过调整实现动力输出的阻尼转矩。上面的公式描述之间的关系总体控制对象和控制输入,并可以看出系统优化发电通过调整动力输出阻尼力矩。权力是优化的主要指标。能量传递和转换的关系在ISWEC系统如图2。
为了优化能量转换,电源应该最大化的控制设计方案。美国专利商标局也应用到进动轴的控制输入。为了优化能源生产,控制扭矩必须最小化。因此,控制输入应该被视为一个成本函数的控制指标。此外,两个指标的重要性可以被交易的加权系数。状态变量如下:
因此,NMPC方法的成本函数可以表示如下: 在哪里和的加权矩阵。
等方面的成本函数方法可以表示如下: 在哪里 , ,和的加权矩阵。
通常有两种类型的控制器限制在设计模型预测控制器。第一个是动态约束。在上述关节动力学模型,控制器的设计应该考虑实际系统的电气和机械的限制。进动角和进动角速度必须符合的要求不能超过物理约束和预定的区域。另一个约束是限制范围的控制变量。阀门的开启和关闭是有限的和系统的控制变量是不允许超过阀门的机械约束。因此,所有的约束包括进动角,进动角速度,控制输出范围ISWEC设备应合理调整。在时间 ,当预测范围和控制范围 ,进动角、进动角速度和系统的控制输出范围可以证实,可表示如下: 在哪里是控制量的约束,而和是国家限制。应该注意的是, 。
由于离散时间模型应该为MPC控制器,提供近似动态系统的顺序是由零保持者。国家和ISWEC系统离散采样时间。为了简化上面的方程,时间变量代表整个采样时间;也就是说, 。上面的成本函数和离散时间状态空间方程可以表示在以下形式: 在哪里 预测范围和吗 代表了运动预测的系统状态。
4所示。结果和讨论
4.1。参数设置
在仿真实验中,采取渔政船的船参数作为一个例子(41),不同方法的优化效果ISWEC发电研究。船的基本参数以及陀螺系统如表所示1。
在仿真参数配置,设置谐波频率的一步 ,积分时间步长 ,仿真时间是200年代,航向角 。设计了陀螺转子的总质量和框架 ,飞轮的惯性力矩是 ,进动轴的转动惯量是 ,飞轮的转速 。一双陀螺仪是用来发电。因为较低的电机是陀螺仪装置的一部分,陀螺仪的重心向下移动 。初始条件配置如下: 。
在MPC方法中,当预测范围设置过长,非线性规划求解的计算负担可以增加,当预测范围设置太短,MPC方法可能失去了关于系统的预测能力。在实验仿真,可以发现,当预测范围大于或等于4,ISWEC不能的能量转换效率显著提高。此外,计算速度能满足实时的要求,所以预测的值范围是4。
等方法的状态反馈控制器是唯一由权重矩阵 , ,和 ,这样的价值 , ,和应设置正确。权重系数不当可能导致系统控制精度的下降甚至不稳定。在仿真实验中,最优 , ,和矩阵后得到了很多重复测试(18]。控制器的参数设置如下: , ,和 等方法,同时,在NMPC方法, , ,预测范围是 ,控制范围是 ,进动角的范围 ,和进动角速度范围 。
应该注意的是,尽管等方面和MPC方法获得最优控制解决方案的成本函数,它们的工作原理不同,导致不同的成本函数描述和参数在面对相同的控制指标。从结构上看,等控制器无法在约束优化的解决方案;因此,进动角速度在成本函数应该是有限的,这是一种软约束。在MPC,进动角速度约束表达式可以上市,这是一种硬约束。不同工作原理的两种成本控制方法使他们的功能不同。上的软约束和硬约束在MPC控制扭矩的同时存在,但硬约束应该满足在任何情况下。在正常发电的情况下,转矩控制可以完全硬约束的限制。因此,相对应的权重系数控制力矩的成本函数可以设置为零。当无人船存在没有风浪,生成的力量不足以补偿控制器的电力消耗。此时,权重系数将被设置为一个较大的值,和系统保持着静止。
4.2。仿真结果和分析
数据3- - - - - -6显示进动角的比较结果,旋进的速度,控制转矩,和平均功率在NMPC等控制器,分别。图3表明陀螺进动角的反应的高度和时间随机波有所不同。它可以指出NMPC进动角的变化趋势类似于输入信号时等方面是相同的,但变化范围大于控制器等。然而,考虑到MPC方法限制了陀螺进动角的范围,NMPC不能超过的最大进动角ISWEC设备的极限。因此,陀螺系统仍能保持正常运行。
图中描述的一样4根据变化调整,控制转矩的随机波的波高和周期参数。通过观察两种不同控制系统的系统响应性能,它可以得出,在各种不同的随机波浪荷载下,NMPC方法可以调整控制阻尼较小的国家范围内,从而确保能源成本更小。
如图5,ISWEC陀螺进动角速度变化的高度和周期随机波改变。它可以证明,当自主船航行在不同情况下,陀螺进动角速度响应NMPC控制器在更大的范围内变化等方面。旋进的空气阻力消散的能量的一部分。然而,由于陀螺的进动速度远低于飞轮的速度,造成的能量耗散岁差运动相比可以忽略飞轮电动机消耗的能量。
图6描述的变化所产生的力量ISWEC当随机波的高度和时间不同。在同一波输入条件下,生成的能源高峰NMPC通过转换波的能量远远大于等控制器,这表明,NMPC方法利用海洋能源有更多的潜力。然而,更多的关注应该致力于动力输出的最大功率参数的选择发电机,以确保电力系统的正常运行。
为了比较MPC法和等方法的表现在发电方面,可以进行定量分析记录功率优化百分比。表2显示了平均功率和功率优化MPC的百分比和等暴露在不同波励磁,就是力量优化NMPC相对比例等方面。的表达式如下:
ISWEC发电的变化显示在图7当随机海浪有效波高和平均波的周期有所不同。在不同浪高和平均波时期,电力转换MPC方法基于非线性模型比生成的权力等方面的方法。此外,在随机波刺激的条件下,发电ISWEC只是与有效波高和平均波的周期。它可以获得有效波高变大,平均波的周期变得越来越小,ISWEC的发电系统可以提高。
作为显示在图8时,ISWEC发电不同常规的波高和周期参数改变。类似于随机波浪的发电效率NMPC方法优于等方面。此外,由于规则波的周期是恒定的,更容易与船体的固有频率产生共鸣。全面、整体发电效率在规则波情况下比从随机获得一个波。
飞轮电动机消耗的能量主要是用于驱动转子在高速旋转,所以相关的能源消耗主要是角速度的飞轮的惯性力矩陀螺转子。角动量的jw - 80 (10 kW)陀螺转子从上海Jiwu科技有限公司有限公司类似于角动量设计实验。 用于表示的补偿效应ISWEC jw - 80电力系统,陀螺生成器可以补偿呢电力系统的能源消耗。相比,功率补偿率等方法和NMPC方法图9。
NMPC由于较高的发电效率,船舶电力系统的补偿效果优于等控制器,图中列出9。此外,当波的周期变长,波高变得越来越小,越来越权力差异NMPC和等。因此,它可以得出,在不同类型的波励磁,NMPC方法优于等方法提高发电效率。
5。结论
本文同时动力输出装置发电系统的动态模型,回转装置,和这艘船在辊通道建立非线性模型,并介绍了非线性模型预测控制方法来提高陀螺装置的发电效率。提出的控制方法可以实现在线优化的帮助下一个有效的非线性规划求解。目标函数及其约束条件通过综合考虑到功率输出转矩,进动角,进动角速度饱和度在真实的系统。采用所提出的控制方法的控制模拟线性和非线性动态模型。结果证明,基于非线性模型控制方法具有较高的发电效率比线性控制方法暴露在不同类型的波励磁。一定意义的优化和提高无人船的能量存储结构在未来。
缩写
| NMPC: | 非线性模型预测控制 |
| ISWEC: | 惯性海浪能量转换器 |
| WEC: | 波浪能量转换器 |
| 美国专利商标局: | 动力输出装置 |
| USV: | 无人地面车辆 |
| 等方面: | 线性二次调节器。 |
数据可用性
船的一部分参数从上海Jiwu科技有限公司有限公司,上海,中国,和波的一部分数据被称为中国国家海洋局的公共数据。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
吴Nailong Shaonan陈概念研究;Nailong吴和鑫源陈负责调查方法和数据;鑫源陈负责软件,进行数据管理和可视化研究;鑫源陈、吴Nailong Haodong元验证数据和准备初稿;鑫源陈、杰气和吴Nailong正式执行分析;Shaonan陈负责资源;吴Nailong Haodong元审查和编辑稿件;王Yueying研究执行监督;吴Haodong元Nailong参与项目管理;吴Nailong负责融资收购。
确认
本文研究得到了国家自然科学基金(52101346),中央大学的基础研究基金(2232019 d3 - 61),和最初的研究基金,东华大学的青年教师。