船舶動力定位系統(tǒng)及其控制技術(shù)

張新放++關(guān)克平

【摘 要】 為使船舶或作業(yè)平臺在海上航行或作業(yè)時更好地保持航跡或穩(wěn)定在某一工作水域范圍內(nèi)，對船舶的定位精度提出更高的要求。闡述船舶動力定位系統(tǒng)的定義、組成、工作原理、研究狀況及其數(shù)學(xué)模型等，指出控制技術(shù)的快速發(fā)展和智能化，使其在動力定位系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛；分析幾種不同時期基于不同控制技術(shù)的船舶動力定位控制器的原理，闡述船舶動力定位系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，從而對今后的研究起到一定的參考作用。

【關(guān)鍵詞】 動力定位系統(tǒng)；控制技術(shù)；船舶；數(shù)學(xué)模型

隨著海洋經(jīng)濟(jì)時代的到來，人們對海洋資源的需求越來越多。由于深海環(huán)境復(fù)雜多變，因而對獲取海洋資源的裝置定位精度要求也越來越高。傳統(tǒng)的錨泊系統(tǒng)有拋起錨操作過程繁瑣、定位精度和機(jī)動性差等缺陷，難以符合定位精度的要求；而船舶動力定位系統(tǒng)（以下簡稱“DP系統(tǒng)”）則在保持航跡或保持位置方面具有突出的優(yōu)勢，已被逐漸應(yīng)用到海上航行船舶和作業(yè)平臺上，快速發(fā)展的控制理論在DP系統(tǒng)中的應(yīng)用，取得了很好效果。[1]

1 DP系統(tǒng)概述

1.1 定 義

DP系統(tǒng)是指不依靠外界的輔助，通過固有的動力裝置來對船舶或作業(yè)平臺進(jìn)行定位的一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是其核心。

1.2 組成

DP系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和推力系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，對測得的信息和外界干擾信號進(jìn)行處理，能夠通過計算推算出抵抗外界干擾的推力，并傳遞給推力系統(tǒng)。測量系統(tǒng)能夠獲得船舶運(yùn)動所需要的信息，其種類有DGPS、電羅經(jīng)、張緊索系統(tǒng)、水下聲吶系統(tǒng)、垂直參考系統(tǒng)、風(fēng)力傳感器等。推力系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)計算出的推力來控制船舶。

1.3 研究狀況

第1代DP系統(tǒng)的研發(fā)始于1960年。鉆井船“Eureka”號是世界上第一艘基于自動控制原理設(shè)計的DP船舶。該船配備的DP模擬系統(tǒng)與外界張緊索系統(tǒng)相連。該船除裝有主推力系統(tǒng)外，在還在船首和船尾裝有側(cè)推力系統(tǒng)，在船身底部也安裝有多臺推進(jìn)器。

第2代DP系統(tǒng)始于1970年，具有代表性的是“SDEC0445”號船，該船安裝有多臺推進(jìn)器，系統(tǒng)的控制器采用kalman濾波等現(xiàn)代控制技術(shù)，且控制系統(tǒng)中的元件有冗余，其安全性、穩(wěn)定性和作業(yè)時間均有了較大的改善和提高。

第3代DP系統(tǒng)始于1980年。系統(tǒng)采用微機(jī)處理技術(shù)和Muti-bus、Vme等多總線標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)。代表性的第3代DP系統(tǒng)有挪威Konsberg公司的AD-P100、AD-P503系列產(chǎn)品和法國的DPS800系列產(chǎn)品。

我國對DP系統(tǒng)的研究開展得較晚，研究力量集中在高校和科研院所。我國自主研制和建造的“大洋一號”科考船（圖1），是我國首艘安裝DP系統(tǒng)的船舶。[2]

圖1 “大洋一號”科考船

2 DP系統(tǒng)的工作原理

DP系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

DP系統(tǒng)中的測量系統(tǒng)在獲得信息（內(nèi)外部噪聲、船舶搖蕩、船舶傾斜、環(huán)境干擾等信息）后，將信息與系統(tǒng)初始設(shè)定值加以比較，對干擾信號進(jìn)行弱化，消除不正確的信息；DP系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)由獲取的差值計算出所要施加的力，將其按照一定的方法進(jìn)行分配；DP系統(tǒng)中的推進(jìn)系統(tǒng)計算出完全抵抗外界干擾的力的大小：閉環(huán)系統(tǒng)最終使船舶穩(wěn)定在預(yù)期的位置或航跡線上。[3]

3 DP系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

船舶在海上作業(yè)或處于航行狀態(tài)時，其運(yùn)動（包括高頻運(yùn)動和低頻運(yùn)動）情況是極其復(fù)雜而多變的。由于高頻運(yùn)動不會使船位發(fā)生變化，故在建模時忽略其影響，只考慮低頻運(yùn)動引起的干擾。

3.1 定位坐標(biāo)系的建立

建立水平面內(nèi)的固定坐標(biāo)系NE和隨船坐標(biāo)系XY（圖3）。

船舶的位置和艏向矢量為 =[x，y， ]T，速度矢量為 =[u，v，r]T，（其中： x，y分別為船舶縱向、橫向位置坐標(biāo)； 為船舶艏向角； u，v為船舶橫蕩、縱蕩速度； r為船舶艏向角速度。

兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下。

=J（ ） （1）

其中轉(zhuǎn)換矩陣J（ ）為：

J（ ）=（2）

且J（ ）為非奇異陣，即：

JT（ ）=J -1（ ）（3）

3.2 數(shù)學(xué)模型的建立

為便于描述船舶的運(yùn)動，假設(shè)船舶質(zhì)量分布均勻、左右對稱且視為剛體，得經(jīng)簡化的船舶的運(yùn)動模型

M + D（ ） =C + S（4）

式中： M為慣性矩陣； 為速度的變化率； D（ ）為阻尼系數(shù)矩陣； C為控制輸入量； S 為外界干擾力矩。

M=（5）

式中： m為船舶質(zhì)量； mX，mY，mN為船舶在縱蕩、橫蕩、艏搖上的附加質(zhì)量； xG 為船舶重心在縱向的位置坐標(biāo)； FY為耦合的附加質(zhì)量； I為船舶轉(zhuǎn)動慣量。

阻尼系數(shù)矩陣為D（ ）=（6）

式中：a，b，c，d，e為三自由度的線性阻尼系數(shù)。

可選取某一船模為對象，利用Clarke整理的水動力導(dǎo)數(shù)估算公式計算M和D（ ）。

4 DP系統(tǒng)的控制技術(shù)

4.1 傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)

第1代DP系統(tǒng)的控制器采用的是傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)，對船舶在縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度進(jìn)行分析，剔除高頻干擾。PID控制技術(shù)因其為線性系統(tǒng)，故其缺點(diǎn)是系數(shù)的選擇較復(fù)雜；而DP系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，這使得其他控制技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用到DP控制器的設(shè)計之中。

4.2 非線性控制技術(shù)

非線性理論具有性能改善、非線性分析、處理模型中不確定項(xiàng)等特點(diǎn)。由于DP系統(tǒng)以及外界的干擾均為復(fù)雜的非線性，用該方法處理有一定的優(yōu)越性。對DP船舶設(shè)計一個非線性觀測器，其穩(wěn)定性通過Lapunov理論證明，能從輸出值中估計船舶的位置和速度以及環(huán)境干擾力等信息。[4] 針對DP控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，將自抗擾控制器（ADRC）引入到DP系統(tǒng)中，用三階擴(kuò)張狀態(tài)觀測器估計船舶的艏向、速度等信息，通過反饋對誤差和干擾加以補(bǔ)償，設(shè)計一種具有較強(qiáng)魯棒性和適應(yīng)性的控制器。[5]

4.3 自適應(yīng)控制技術(shù)

自適應(yīng)控制技術(shù)基于數(shù)學(xué)模型，解決參數(shù)的不確定性，將外界的干擾值看作常量，基于矢量逆推非線性設(shè)計工具，引入積分環(huán)節(jié)，設(shè)計DP系統(tǒng)的自適應(yīng)PID控制器，最后用Lyapunov函數(shù)證明該控制器的穩(wěn)定性，并控制律使得艏向、速度等信息漸近于期望值。

4.4 智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)采用的是人的思維具有非線性的特點(diǎn)加以控制，具有較好的效果。在DP系統(tǒng)中引入自適應(yīng)模糊控制，通過提出基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法，能夠任意調(diào)節(jié)目標(biāo)函數(shù)適應(yīng)高精度的定位和節(jié)約能量，前饋控制能適應(yīng)不同的環(huán)境干擾。[6]

將幾種控制方法相結(jié)合來設(shè)計新型組合式的控制系統(tǒng)，能夠融合各自控制方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一控制方法自身的缺點(diǎn)，在今后的研究中將會受到廣泛的關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬超，莊亞鋒，陳俊英.船舶動力定位系統(tǒng)技術(shù)[J].中國造船，2009（11）：52-57.

[2] 趙志高，楊建民，王磊.動力定位系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r及研究方法[J].海洋工程，2002（1）：91-97.

[3] 邊信黔，付明玉，王元慧.船舶動力定位[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[4] 何黎明，田作華，施頌椒.動力定位船舶的非線性觀測器設(shè)計[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2003（6）：964-968.

[5] 趙大威，邊信黔，丁福光.非線性船舶動力定位控制器設(shè)計[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2011（1）：57-61.

[6] 李定，顧憋祥.自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于船舶動力定位系統(tǒng)[J].中國造船，1995（4）：20-28.