多级联合喷气智能协同控制系统及控制方法

1.本发明涉及船舶减阻技术领域，更具体地说，涉及一种多级联合喷气智能协同控制系统及控制方法。


背景技术：

2.船舶绿色化智能化发展刻不容缓，而船舶气体减阻技术的应用是其中重要环节。
3.船舶气体减阻技术即通过在船体湿表面注入气体形成均匀稳定的气层，减小船体湿表面所受剪切力，达到减小摩擦阻力效果的技术。但船舶航速、航态和喷气量的配合，决定了气层分布的均匀性和稳定性，从而决定了气体减阻的效果。船舶喷气减阻控制系统针对船舶航速、航态，调整喷气策略，极大地保证了气层的均匀稳定性，进而保证了气体减阻正收益，推动了船舶绿色智能发展。
4.一般的船舶喷气减阻控制系统可调节的自变量较少，通常只以喷气口流量的大小为基准，多为单级喷气提供应用，或对多个喷气口进行相同的控制，针对多级喷气中不同喷气装置间的协同配合的少有涉及，对不同喷气装置的喷气量、喷气角度、喷气压力施加不同的控制方式，并对不同装置进行协同运作尚未获得开发及应用。船舶多级喷气系统工作时，前一喷气装置产生的气泡运动到后续装置喷气口时，势必对此区域气层产生较大影响，但作用机制尚未得到充分研究。
5.传统的喷气控制系统缺少针对多级喷气装置之间的协调和配合，难以兼顾喷气装置的独立性与喷气系统整体性，不仅使喷气减阻效果经常达不到目标，还限制了气体减阻的减阻率上限。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于，提供一种多级联合喷气智能协同控制系统及控制方法，其针对船体湿表面气体稀薄未形成稳定气层处和气体冗余可能增加形状阻力处，对不同喷气区域的气量和喷气角度等进行个性化调整，使各级喷气装置协同配合，在船底整体形平整、稳定的气层，提高喷气减阻效率和稳定性。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多级联合喷气智能协同控制系统，包括设置在船底板上的缝多级联合喷气减阻装置，所述多级喷气装置包括从右到左依次设置的第一级缝状喷气装置、第二级孔状喷气装置和第三级孔状喷气装置；包括多级联合喷气优化模块和命令模块；
8.所述多级联合喷气优化模块用于对第一级缝状喷气装置、第二级孔状喷气装置和第三级孔状喷气装置所需个性化调整的喷气流量、喷气区域和喷气角度参数进行预测，得到当前船舶航态时最佳多级联合的喷气形式；
9.所述命令模块用于控制多级联合喷气装置按照预测的参数分别对喷气区域、喷气流量进行针对性的调节，再由气层监测模块对船底气层状况重新评估，对喷气方案进行不断迭代。
10.按上述方案，置上设置有多个孔状喷气的前排喷孔区域，第三级孔状喷气装置上设置有多个孔状喷气的后排喷孔区域。
11.本发明还提供一种多级联合喷气智能协同控制方法，包括以下步骤：
12.s1、对船底气层信息进行监控，汇总分析并评估整个船底气层覆盖情况，标记气体稀薄未形成稳定气层处和气体冗余可能增加形状阻力处气层状态较差区域；
13.s2、选用反向优化算法，对船底气层状态进行反向优化；
14.s3、所述命令模块参照步骤s2预测的多级喷气装置的协同方案，对第一级缝状喷气装置的喷缝区域、第二级孔状喷气装置的前排喷孔区域和第三级孔状喷气装置的后排喷孔区域的喷气参数施加个性化的控制指令，所述喷气参数包括喷气量、喷气角度、喷气区域，使不同的气泡发生装置之间进行协同配合，针对性地调节喷气量、喷气角度和喷气区域；
15.s4、船模试验采用自航方式，通过控制螺旋桨转速改变船模航速，对喷气装置进行调节，使试验结果与数值仿真结果整体趋势一致，当局部数值浮动明显，与数值仿真结果存在出入时，若监测到的气层分布状态达不到目标，则转入步骤s2重新开始优化流程，进行迭代，得到：喷缝倾斜角度为45
°
、喷气量为40m3/h，前排喷孔上下区域减小喷气量，中间区域提高喷气量，倾斜角度为90
°
、喷气总量为30m3/h，后排喷孔倾斜角度为45
°
、喷气量为20m3/h。持续监测气层质量，通过多次迭代直至在船底整体形平整、稳定的气层。
16.按上述方案，所述步骤s2中，反向优化算法包括以下步骤：
17.s201：生成初始解；
18.s202：生成候选解；
19.s203：a替代初始解u0，并缩小收索步长；
20.s204：检查停止准则。
21.按上述方案，所述步骤s201中，以当前的航速和喷气参数为初始解u0，设置气层监测特征点气层最大厚度和最小厚度等参数为约束，以合理增加气体稀薄区域气层厚度并减小气体冗余处气层厚度为优化目标，u0为n维向量，约束条件为n维向量，n为参数的数量。
22.按上述方案，所述步骤s202中，围绕初始解u0进行第一次迭代，沿着搜索中心的负梯度方向生成候选解，公式如下：
23.a＝u
0-g
·
l
ꢀꢀꢀ
(1)
24.a为维度为n的向量，代表一个候选解，
[0025][0026]
g为梯度方向，
[0027]
l＝rand
·
(upperlimit-lowerlimit)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0028]
l为限制内随机生成的搜索步长，
[0029]
f＝∑wi[di(x1,x2,...,xn)-μ]2ꢀꢀꢀ
(4)
[0030]
f为目标函数；x为参变量；di为各气层监测点与喷气参数相关的气层厚度预测值；wi为每个气层监测特征点的权重系数，由在船底的分布位置决定和航行环境决定；μ为di的平均值。
[0031][0032]
h为扰动常数，取5
×
10-4
到1
×
10-3
。
[0033]
按上述方案，所述步骤s204，若各气层监测特征点预测的气层厚度的加权方差f小于某个与fr相关的函数值，或者迭代步数达到设定值，则停止迭代，预测出当前船舶航态时多级喷气装置的最佳协同方案：
[0034][0035]
j为迭代次数，s为设置的迭代步数。
[0036]
按上述方案，所述最佳协同方案为：喷缝倾斜角度为45
°
、喷气量为40m3/h，前排喷孔采用直喷，直喷的倾斜角度为90
°
、喷气量为20m3/h，后排喷孔采用直喷且喷气量为20m3/h。
[0037]
实施本发明的多级联合喷气智能协同控制系统及控制方法，具有以下有益效果：
[0038]
本发明对多级联合喷气装置统进行智能协同控制，在给定航态下，对不同区域喷气装置的喷气量、喷气角度、喷气压力施加不同的个性化控制指令，使不同的气泡发生装置之间进行喷气量，喷气角度，喷气区域的协同配合，而不是对所有喷气口单一地进行相同的控制，从而使气层减阻率和船底气层状况得到提升。在一定程度上提高了船底气体利用率，减小了喷气系统的功耗。
附图说明
[0039]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0040]
图1是本发明缝多级联合喷气减阻装置的船底布置结构示意图；
[0041]
图2是本发明多级联合喷气智能协同控制系统的智能协同控制方法流程图；
[0042]
图3是本发明多级联合喷气智能协同控制系统的算法实现流程图；
[0043]
图4是本发明的阻力同船舶航行速度和喷气速度变化的三维图；
[0044]
图5是本发明的不同喷气区域协同喷气时减阻率随喷气流量变化曲线图；
[0045]
图6是本发明的气减阻率随喷气流量变化曲线图。
具体实施方式
[0046]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0047]
如图1所示，本发明的多级联合喷气智能协同控制系统，包括设置在船底板4上的缝多级联合喷气减阻装置，多级喷气装置包括从右到左依次设置的第一级缝状喷气装置1、第二级孔状喷气装置2和第三级孔状喷气装置3；第一级缝状喷气装置1底端设置有缝状喷气的喷缝区域，第二级孔状喷气装置2上设置有多个孔状喷气的前排喷孔区域，第三级孔状喷气装置3上设置有多个孔状喷气的后排喷孔区域。包括多级联合喷气优化模块和命令模块。
[0048]
多级联合喷气优化模块用于对第一级缝状喷气装置1、第二级孔状喷气装置2和第
三级孔状喷气装置3所需个性化调整的喷气流量、喷气区域和喷气角度参数进行预测，得到当前船舶航态时最佳多级联合的喷气形式；多级联合喷气优化模块，以改善气层状态为目标进行反向优化设计，同时考虑喷气装置的独立性与喷气系统整体性，对各个喷气装置所需个性化调整的喷气流量、喷气区域和喷气角度参数进行预测，得到当前船舶航态时最佳多级联合的喷气形式。命令模块用于控制多级联合喷气装置按照预测的参数分别对喷气区域、喷气流量进行针对性的调节，再由气层监测模块对船底气层状况重新评估，对喷气方案进行不断迭代。
[0049]
本发明的优选实施例中，从孔缝多级联合喷气减阻装置的船底布置图上看，从右到左依次为第一级缝状喷气装置1、第二级孔状喷气装置2和第三级孔状喷气装置3，每个喷气装置又分为多个喷气区域，本实例从上到下分为三个喷气区域。这些喷气装置，考虑协同作用，追求船底整体气层的均匀和稳定，按照不同的喷气参数进行个性化喷气，共同构成孔缝多级联合喷气减阻系统。
[0050]
本发明还提供一种多级联合喷气智能协同控制方法，包括以下步骤：
[0051]
s1、对船底气层信息进行监控，汇总分析并评估整个船底气层覆盖情况，标记气体稀薄未形成稳定气层处和气体冗余可能增加形状阻力处气层状态较差区域；在本实例中，船舶航行过程中fr＝0.1(v为船舶当前航速，l为船长，g为重力加速度)，多级喷气减阻系统开始工作，气层发生装置(喷缝、前排喷孔、后排喷孔)按照预设参数，同步采用45
°
倾斜角和30m3/h喷气量进行喷气。
[0052]
s2、选用合适的反向优化算法(如涡搜索算法)，对船底气层状态进行反向优化；
[0053]
反向优化算法包括以下步骤：
[0054]
s201：生成初始解；以当前的航速和喷气参数为初始解u0，设置气层监测特征点气层最大厚度和最小厚度等参数为约束，以合理增加气体稀薄区域气层厚度并减小气体冗余处气层厚度为优化目标，u0为n维向量，约束条件为n维向量，n为参数的数量。
[0055]
s202：生成候选解；围绕初始解u0进行第一次迭代，沿着搜索中心的负梯度方向生成候选解，公式如下：
[0056]
a＝u
0-g
·
l
ꢀꢀꢀ
(1)
[0057]
a为维度为n的向量，代表一个候选解，
[0058][0059]
g为梯度方向，
[0060]
l＝rand
·
(upper limit-lower limit)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
l为限制内随机生成的搜索步长，
[0062]
f＝∑wi[di(x1,x2,...,xn)-μ]2ꢀꢀꢀ
(4)
[0063]
f为目标函数；x为参变量；di为各气层监测点与喷气参数相关的气层厚度预测值；wi为每个气层监测特征点的权重系数，由在船底的分布位置决定和航行环境决定；μ为di的平均值。
[0064][0065]
h为扰动常数，取5
×
10-4
到1
×
10-3
。
[0066]
s203：a替代初始解u0，并缩小收索步长；
[0067]
s204：检查停止准则。若各气层监测特征点预测的气层厚度的加权方差f小于某个与fr相关的函数值，或者迭代步数达到设定值，则停止迭代，预测出当前船舶航态时多级喷气装置的最佳协同方案，最佳协同方案为：喷缝倾斜角度为45
°
、喷气量为40m3/h，前排喷孔采用直喷，直喷的倾斜角度为90
°
、喷气量为20m3/h，后排喷孔采用直喷且喷气量为20m3/h，
[0068][0069]
j为迭代次数，s为设置的迭代步数。本发明认为船底当船底气层厚度不全为0值时，船底气层厚度均匀是喷气减阻效果优良的充分不必要条件。
[0070]
喷缝中部以及前排喷口两侧同步直喷状态下，本实例船舶缩比模型数值仿真得到的阻力同船舶航行速度和喷气速度变化的三维图像如图4所示，x轴为船模速度，y轴为喷气速度，z轴为所受阻力。搜索数据库中，在初始解u0附近存在多种典型工况的数值仿真结果如：喷气区域一定时，减阻率同航速和喷气速度的变化的三维云图；航速一定时，减阻率同喷气区域和喷气速度变化的三维云图；喷气区域一定时，减阻率同喷气角度和喷气速度变化的三维云图等等，这些云图在此不做展示。这些典型工况的数值仿真结果，为涡搜索算法提供重要参考和众多候选解。
[0071]
s3、命令模块参照步骤s2预测的多级喷气装置的协同方案，对第一级缝状喷气装置1的喷缝区域、第二级孔状喷气装置2的前排喷孔区域和第三级孔状喷气装置3的后排喷孔区域的喷气参数施加个性化的控制指令，喷气参数包括喷气量、喷气角度、喷气区域，使不同的气泡发生装置之间进行协同配合，针对性地调节喷气量、喷气角度和喷气区域；在某一航速下，不同喷气区域协同喷气时，其减阻率随喷气流量变化曲线差距明显，从曲线顶点可看出饱和气量也不同。不同喷气区域之间的个性化协同喷气能控制船底气层状态，从而达到提高气层减阻效率的目的。
[0072]
s4、在对喷气装置进行调节后，实船运用中喷气减阻效果可能与系统预测存在一些差距。在某典型工况下，船模实际航行时，气减阻率随喷气流量变化如图6所示。为了更好地模拟实际航行状态，船模试验采用自航的方式，通过控制螺旋桨转速改变船模航速。试验结果与数值仿真结果整体趋势一致，但是局部数值浮动明显，与数值仿真结果存在出入是正常的。考虑到这一点，若监测到的气层分布状态达不到目标，则转入步骤二重新开始优化流程，进行迭代，得到：喷缝倾斜角度为45
°
、喷气量为40m3/h，前排喷孔上下区域减小喷气量，中间区域提高喷气量，倾斜角度为90
°
、喷气总量为30m3/h，后排喷孔倾斜角度为45
°
、喷气量为20m3/h。持续监测气层质量，通过多次迭代直至在船底整体形平整、稳定的气层，提高喷气减阻效率。
[0073]
系统会记录气层状态较优时，多级联合喷气减阻装置的工况，为反向优化算法提供候选解，并为之后喷气减阻系统的多级协同使用提供参考，针对由不同的喷气装置组成的多级联合喷气减阻系统，采用合适的反向优化设计算法，设置不同的敏感矩阵。
[0074]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种多级联合喷气智能协同控制系统，包括设置在船底板上的缝多级联合喷气减阻装置，所述多级喷气装置包括从右到左依次设置的第一级缝状喷气装置、第二级孔状喷气装置和第三级孔状喷气装置；其特征在于，包括多级联合喷气优化模块和命令模块；所述多级联合喷气优化模块用于对第一级缝状喷气装置、第二级孔状喷气装置和第三级孔状喷气装置所需个性化调整的喷气流量、喷气区域和喷气角度参数进行预测，得到当前船舶航态时最佳多级联合的喷气形式；所述命令模块用于控制多级联合喷气装置按照预测的参数分别对喷气区域、喷气流量进行针对性的调节，再由气层监测模块对船底气层状况重新评估，对喷气方案进行不断迭代。2.根据权利要求1所述的多级联合喷气智能协同控制系统，其特征在于，所述第一级缝状喷气装置底端设置有缝状喷气的喷缝区域，第二级孔状喷气装置上设置有多个孔状喷气的前排喷孔区域，第三级孔状喷气装置上设置有多个孔状喷气的后排喷孔区域。3.一种根据权利要求1所述的多级联合喷气智能协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、对船底气层信息进行监控，汇总分析并评估整个船底气层覆盖情况，标记气体稀薄未形成稳定气层处和气体冗余可能增加形状阻力处气层状态较差区域；s2、选用反向优化算法，对船底气层状态进行反向优化；s3、所述命令模块参照步骤s2预测的多级喷气装置的协同方案，对第一级缝状喷气装置的喷缝区域、第二级孔状喷气装置的前排喷孔区域和第三级孔状喷气装置的后排喷孔区域的喷气参数施加个性化的控制指令，所述喷气参数包括喷气量、喷气角度、喷气区域，使不同的气泡发生装置之间进行协同配合，针对性地调节喷气量、喷气角度和喷气区域；s4、船模试验采用自航方式，通过控制螺旋桨转速改变船模航速，对喷气装置进行调节，使试验结果与数值仿真结果整体趋势一致，当局部数值浮动明显，与数值仿真结果存在出入时，若监测到的气层分布状态达不到目标，则转入步骤s2重新开始优化流程，进行迭代，得到：喷缝倾斜角度为45
°
、喷气量为40m3/h，前排喷孔上下区域减小喷气量，中间区域提高喷气量，倾斜角度为90
°
、喷气总量为30m3/h，后排喷孔倾斜角度为45
°
、喷气量为20m3/h。持续监测气层质量，通过多次迭代直至在船底整体形平整、稳定的气层。4.根据权利要求1所述的多级联合喷气智能协同控制系统，其特征在于，所述步骤s2中，反向优化算法包括以下步骤：s201：生成初始解；s202：生成候选解；s203：a替代初始解u0，并缩小收索步长；s204：检查停止准则。5.根据权利要求4所述的多级联合喷气智能协同控制系统，其特征在于，所述步骤s201中，以当前的航速和喷气参数为初始解u0，设置气层监测特征点气层最大厚度和最小厚度等参数为约束，以合理增加气体稀薄区域气层厚度并减小气体冗余处气层厚度为优化目标，u0为n维向量，约束条件为n维向量，n为参数的数量。6.根据权利要求4所述的多级联合喷气智能协同控制系统，其特征在于，所述步骤s202中，围绕初始解u0进行第一次迭代，沿着搜索中心的负梯度方向生成候选解，公式如下：
a＝u
0-g
·
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)a为维度为n的向量，代表一个候选解，g为梯度方向，l＝rand
·
(upperlimit-lowerlimit)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)l为限制内随机生成的搜索步长，f＝∑w
i
[d
i
(x1,x2,...,x
n
)-μ]2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)f为目标函数；x为参变量；d
i
为各气层监测点与喷气参数相关的气层厚度预测值；w
i
为每个气层监测特征点的权重系数，由在船底的分布位置决定和航行环境决定；μ为d
i
的平均值。h为扰动常数，取5
×
10-4
到1
×
10-3
。7.根据权利要求4所述的多级联合喷气智能协同控制系统，其特征在于，所述步骤s204，若各气层监测特征点预测的气层厚度的加权方差f小于某个与fr相关的函数值，或者迭代步数达到设定值，则停止迭代，预测出当前船舶航态时多级喷气装置的最佳协同方案：j为迭代次数，s为设置的迭代步数。8.根据权利要求7所述的多级联合喷气智能协同控制系统，其特征在于，所述最佳协同方案为：喷缝倾斜角度为45
°
、喷气量为40m3/h，前排喷孔采用直喷，直喷的倾斜角度为90
°
、喷气量为20m3/h，后排喷孔采用直喷且喷气量为20m3/h。

技术总结
本发明涉及一种多级联合喷气智能协同控制系统，包括设置在船底板上的缝多级联合喷气减阻装置，多级喷气装置包括从右到左依次设置的第一级缝状喷气装置、第二级孔状喷气装置和第三级孔状喷气装置；包括多级联合喷气优化模块和命令模块；多级联合喷气优化模块用于对第一级缝状喷气装置、第二级孔状喷气装置和第三级孔状喷气装置所需个性化调整的喷气流量、喷气区域和喷气角度参数进行预测，得到当前船舶航态时最佳多级联合的喷气形式；命令模块用于控制多级联合喷气装置按照预测的参数分别对喷气区域、喷气流量进行针对性的调节，对喷气方案进行不断迭代。本发明在一定程度上提高了船底气体利用率，减小了喷气系统的功耗。减小了喷气系统的功耗。减小了喷气系统的功耗。


技术研发人员：杨留名 柳仕成 裴志勇 吴卫国 孔祥韶
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/10/15