船舶動力定位技術(shù)簡述

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1、1.動力定位技術(shù)背景1.1國外動力定位技術(shù)發(fā)展目前，國際上主要的動力定位系統(tǒng)制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。下面分別介紹動力定位系統(tǒng)各個關(guān)鍵組成部分的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。1．動力定位控制系統(tǒng)1)測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)是指動力定位系統(tǒng)的位置參考系統(tǒng)和傳感器。國內(nèi)外動力定位控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家均根據(jù)船舶的作業(yè)使命選擇國內(nèi)外各專業(yè)廠家的產(chǎn)品。位置參考系統(tǒng)主要采用DGPS，水聲位置參考系統(tǒng)主要選擇超短基線或長基線聲吶，微波位置參考系統(tǒng)可選擇ArtemisMk4，張緊索位置參考系統(tǒng)可選擇

2、LTWMk，激光位置參考系統(tǒng)可選擇FanbeamMk4，雷達位置參考系統(tǒng)可選擇RADius500X。羅經(jīng)、風傳感器、運動參考單元等同樣選擇各專業(yè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。2)控制技術(shù)20世紀60年代出現(xiàn)了第一代動力定位產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用經(jīng)典控制理論來設(shè)計控制器，通常采用常規(guī)的PID控制規(guī)律，同時為了避免響應(yīng)高頻運動，采用濾波器剔除偏差信號中的高頻成分。20世紀70年代中葉，Balchen等提出了一種以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的控制技術(shù)-最優(yōu)控制和卡爾曼濾波理論相結(jié)合的動力定位控制方法，即產(chǎn)生了第二代也是應(yīng)用比較廣泛的動力定位系統(tǒng)。

3、近年來出現(xiàn)的第三代動力定位系統(tǒng)采用了智能控制理論和方法，使動力定位控制進一步向智能化的方向發(fā)展。智能控制方法主要體現(xiàn)在魯棒控制、模糊控制、非線性模型預(yù)測控制等方面。2001年5月份，挪威著名的KongsbergSimrad公司首次展出了一項的新產(chǎn)品—綠色動力定位系統(tǒng)（GreenDP），將非線性模型預(yù)測控制技術(shù)成功地引入到動力定位系統(tǒng)中。GreenDP控制器由兩部分組成：環(huán)境補償器和模型預(yù)測控制器。環(huán)境補償器的設(shè)計是為了提供一個緩慢變化的推力指令來補償一般的環(huán)境作用力；模型預(yù)測控制器是通過不斷求解一個精確的船舶非線

4、性動態(tài)數(shù)學(xué)模型，用以預(yù)測船舶的預(yù)期行為。模型預(yù)測控制算法的計算比一般用于動力定位傳統(tǒng)的控制器設(shè)計更加復(fù)雜且更為耗時，主要有三個步驟：1.從非線性船舶模型預(yù)測運動；2.尋找階躍響應(yīng)曲線；3.求解最佳推力?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖所示[1]：圖1.1Green-DP總體控制圖荷蘭的Marin在20世紀80年代初期即確定了關(guān)于推進器和動力定位的研究計劃，并開展了動力定位的模型實驗，內(nèi)容包括：①推進器和推進器之間的相互作用；②推進器和船體之間的相互作用；③環(huán)境力和船舶的低頻運動。研究結(jié)果產(chǎn)生了應(yīng)用于動力定位的模擬程序RUNSIM，

5、包括模擬實驗的程序DPCON和理論模型計算的程序DPSIM。初步進行了流力、風力、二階波浪漂移力、推進器力的計算，控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的PID控制算法[2]和擴展卡爾曼濾波算法，風力采用前饋的形式。同時，Marin還開展了下述工作：動力定位系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)聯(lián)合使用的情況；擴展了動力定位系統(tǒng)在航跡控制方面的應(yīng)用，航跡控制功能現(xiàn)已成為動力定位控制系統(tǒng)的基本要求；動力定位設(shè)計階段的性能評估、功率需求估算。一般認為，Marin在動力定位系統(tǒng)實驗研究方面已走在世界前沿。挪威在20世紀90年代做過動力定位方面的實驗，他們將重點放在

6、控制理論和控制方法上面，在滿足李雅普諾夫大范圍漸進穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的方法，采取狀態(tài)反饋和輸出反饋兩種形式，設(shè)計不同的狀態(tài)觀測器，觀測速度和干擾，并以此代替卡爾曼濾波，在比例為1：70的船模實驗中證實定位的效果。由于系統(tǒng)模型的不精確性，以及所受環(huán)境力的擾動性對船舶動力定位系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大的影響，因此在解決穩(wěn)定性方面存在優(yōu)勢的H∞控制理論和魯棒控制越來越受到了人們的關(guān)注。日本的九州(Kyushu)大學(xué)還在1：100的船模實驗中驗證了控制結(jié)果的有效性。目前，國際上應(yīng)用得較為成熟的動力定位控制系統(tǒng)一般都采用

7、第二代控制方法，而基于第三代控制方法(如自適應(yīng)模糊控制、自學(xué)習模糊控制等)及實時測量和計算二階波浪慢漂力以提升更高精度的動力定位系統(tǒng)研制是一種趨勢，世界各國都正在加緊研制中。在國外，有些大學(xué)以船舶運動為對象進行深入的控制理論研究。如麻省理工學(xué)院的Triantafyllou和Hover所研究的船舶運動控制，加州大學(xué)的Girard、Hedrick等研究的協(xié)調(diào)動力定位理論和實驗等。由美國海洋學(xué)會組織的國際動力定位年會，近年來發(fā)表的文章主要從技術(shù)層面出發(fā)，研究動力定位系統(tǒng)的設(shè)計與改進。2006年，挪威Kongsberg公

8、司的Jens-sen發(fā)表的“基于模型的流估計”和“基于能量最優(yōu)的推力使用”、日本Akishima發(fā)表的“深海鉆井船‘CHIKYU’的動力定位系系統(tǒng)”、美國Prasad、Elgamiel發(fā)表的“半潛式平臺模型實驗”、挪威Kongsberg公司的Halyard發(fā)表的“綜合控制系統(tǒng)的改進方法”，都對各自動力定位控制系統(tǒng)的研究進行了論述。挪威科學(xué)與技術(shù)大學(xué)與挪威的Kongsber