船舶動力定位控制系統設計

呂永惠

摘 要：船舶深海作業的核心技術之一是動力定位系統。本文基于海洋工程中常見的船舶動力定位系統，通過介紹其系統的發展現狀，針對動力定位系統的基本構架和控制技術進行了分析和設計。

關鍵詞：船舶；定位控制；推力分配

當今世界隨著經濟的高速發展，在能源和資源方面帶來了嚴重的問題，海洋資源的開發和爭奪非常激烈。另一方面，海洋作業的工作環境非常復雜，因此開發海洋資源需要先進的技術支撐。當前船舶定位主要采用動力定位、錨泊定位以及第三種錨泊+動力綜合定位。錨泊定位因其簡單的結構和高可靠性多應用在淺水區域。當水深1500m時，定位方式多為錨泊輔助動力定位方式。隨著水深進一步增加，錨泊定位系統經濟成本嚴重增加。當前多數系統采用錨泊系統與動力定位系統聯合定位。水深在一定條件下時，浮式生產系統的主要定位方式為錨泊定位，但由于水深增加，導致了錨泊系統降低了其抓底能力，使得拋錨難度增加，這樣大大增加了其重量，導致海上布鏈作業難度上升，增加了系泊錨鏈經濟成本，大大限制了其定位功能。

1 動力定位控制系統概述

動力定位系統為閉環模式，屬于高新控制技術之一，被廣泛應用在船舶作業中。其最大的特點是無錨泊系統時，實時監測船舶實時位置與目標位置的偏差，結合自身計算能力，綜合考慮外界流、浪、風等因素計算得到船舶前進到目標位置所需的動力，并將推力合理分配至船舶的推力器上，由其所屬的各推力器產生對應大小的推力，使船盡量到達并穩定地保持在海平面的目標位置。動力定位系統主要由推力系統、位置測量系統以及最重要的控制系統組成。眾所周知，海洋結構物運動的產生是波浪、推水力器、流和風等綜合影響的結果。其中，低頻運動由水流、風、推力器和二階波浪慢漂力造成；波頻運動則是由一階波浪引起的。低頻運動導致海洋結構物向遠離原來的位置的方向緩慢漂浮，因此必須加以控制；波頻運動則引起結構物發生高頻往復運動。當動力定位系統在對高頻位移嘗試進行控制時，會大大增加推力器系統的磨損和能耗，因此這種操作應當盡力避免。此外，海洋中的流、風、浪的存在也會對海洋結構物的運動造成動力干擾，并最終導致結構物模型的參數發生相應的變化。因此，在動力定位控制中，需要保證海洋結構物在面對海洋復雜多變的環境下仍能使船舶保持較高的性能指標。

2 船舶動力定位控制系統設計

2.1 位置測量系統

位置測量系統的主要構成有：風速風向儀、測深儀、DGPS 系統、航向傳感器、回聲傳感器、雷達系統、氣象傳真等。這些系統可以實時測量船舶的相對位置以及完整位置。在動力定位系統當中，最核心的問題是能通過合適的位置測量系統，及時在船舶工作時間段實時傳輸其所測得測量數據。

2.2 推進器系統

推進器系統是一種執行機構（圖1），接受動力定位系統的指令后通過它傳遞給下一機構。常見的推進器形式有吊艙式推進器、全回轉推進器以及槽道式推進器三種。槽道推進器可以提供橫向力，且其安裝時位置靠近艏艉兩端。全回轉推進器能夠提供任意方向上的推力，方便船舶定位。由于動力定位控制的運動其方向為水平方向，運動方式為：橫蕩、艏搖、縱蕩。為使推進器系統完成其功能，為船舶固定位置相對提供足夠動力，其必須具備兩種能力：提供足夠大的推力來抵消環境因素產生的作用力；必須提供足夠快的響應速度，在船舶上的外力發生變化時能及時作出反應。

2.3 動力定位系統控制器

船舶動力定位系統（圖2）由多個部分構成，其首先通過控制臺給出所需的推進指令，保證船舶安全穩定作業。在動力定位系統進行操作時，控制器自動接收系統中由各種傳感器傳輸的相關數據，完成接受后及時進行數據處理，從而對船舶所在進行估算，DP控制臺上會顯示估算值，并實時更新。如果系統可以切換到自動定位模式，此時DP操作員必須預先設置期望的能自由定位的定位點，比如鉆井作業中存在的連接角、船舶位置或首向等。控制器將會對期望設定點和船舶的估算位置或者是首向位置進行對比，結合設計規定的控制運算，及時將推進指令發給推進器，不斷調整偏差。到達設定點后，系統自動對環境作用力進行補償，保證船舶動態穩定在設定點附近。為擺脫海洋環境影響，保證船舶能穩定地保持在設定點，DP 系統在設計階段建立數學模型時綜合考慮了多種因素影響。

3 結論

船舶動力定位技術是船舶設備在海洋作業過程中的關鍵的核心技術，和傳統的錨泊方式相比，其具有的優點是機動性強、定位精準、方便快捷且不受水深限制等優勢，對于海洋開發和提高海洋經濟效益有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]周利，王磊，陳恒.動力定位控制系統研究[J].船海工程，2008，37（2）：86-91.

[2]陳國洋，吳欠欠，宋華屏.提升“海洋石油 201”深水鋪管起重船DP性能的可行性分析[J].船舶工程，2010，32（Z1）：29-32.