船舶動(dòng)力定位技術(shù)簡(jiǎn)述

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1、1.動(dòng)力定位技術(shù)背景1.1國(guó)外動(dòng)力定位技術(shù)發(fā)展目前，國(guó)際上主要的動(dòng)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(dòng)力定位系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵組成部分的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。1．動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)是指動(dòng)力定位系統(tǒng)的位置參考系統(tǒng)和傳感器。國(guó)內(nèi)外動(dòng)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(guó)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(zhǎng)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(dá)位置參考系統(tǒng)可選擇RADius500X。羅經(jīng)、風(fēng)傳感器、運(yùn)動(dòng)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(jì)60年代出現(xiàn)了第一代動(dòng)力定位產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用經(jīng)典控制理論來(lái)設(shè)計(jì)控制器，通常采用常規(guī)的PID控制規(guī)律，同時(shí)為了避免響應(yīng)高頻運(yùn)動(dòng)，采用濾波器剔除偏差信號(hào)中的高頻成分。20世紀(jì)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(dòng)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(dòng)力定位系統(tǒng)。

3、近年來(lái)出現(xiàn)的第三代動(dòng)力定位系統(tǒng)采用了智能控制理論和方法，使動(dòng)力定位控制進(jìn)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(cè)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(xiàng)的新產(chǎn)品—綠色動(dòng)力定位系統(tǒng)（GreenDP），將非線性模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)成功地引入到動(dòng)力定位系統(tǒng)中。GreenDP控制器由兩部分組成：環(huán)境補(bǔ)償器和模型預(yù)測(cè)控制器。環(huán)境補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)是為了提供一個(gè)緩慢變化的推力指令來(lái)補(bǔ)償一般的環(huán)境作用力；模型預(yù)測(cè)控制器是通過(guò)不斷求解一個(gè)精確的船舶非線

4、性動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用以預(yù)測(cè)船舶的預(yù)期行為。模型預(yù)測(cè)控制算法的計(jì)算比一般用于動(dòng)力定位傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)更加復(fù)雜且更為耗時(shí)，主要有三個(gè)步驟：1.從非線性船舶模型預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)；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(jì)80年代初期即確定了關(guān)于推進(jìn)器和動(dòng)力定位的研究計(jì)劃，并開(kāi)展了動(dòng)力定位的模型實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括：①推進(jìn)器和推進(jìn)器之間的相互作用；②推進(jìn)器和船體之間的相互作用；③環(huán)境力和船舶的低頻運(yùn)動(dòng)。研究結(jié)果產(chǎn)生了應(yīng)用于動(dòng)力定位的模擬程序RUNSIM，

5、包括模擬實(shí)驗(yàn)的程序DPCON和理論模型計(jì)算的程序DPSIM。初步進(jìn)行了流力、風(fēng)力、二階波浪漂移力、推進(jìn)器力的計(jì)算，控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的PID控制算法[2]和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，風(fēng)力采用前饋的形式。同時(shí)，Marin還開(kāi)展了下述工作：動(dòng)力定位系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)聯(lián)合使用的情況；擴(kuò)展了動(dòng)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(dòng)力定位控制系統(tǒng)的基本要求；動(dòng)力定位設(shè)計(jì)階段的性能評(píng)估、功率需求估算。一般認(rèn)為，Marin在動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究方面已走在世界前沿。挪威在20世紀(jì)90年代做過(guò)動(dòng)力定位方面的實(shí)驗(yàn)，他們將重點(diǎn)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(jìn)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(jì)不同的狀態(tài)觀測(cè)器，觀測(cè)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(shí)驗(yàn)中證實(shí)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(dòng)性對(duì)船舶動(dòng)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(shì)的H∞控制理論和魯棒控制越來(lái)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(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了控制結(jié)果的有效性。目前，國(guó)際上應(yīng)用得較為成熟的動(dòng)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(xí)模糊控制等)及實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算二階波浪慢漂力以提升更高精度的動(dòng)力定位系統(tǒng)研制是一種趨勢(shì)，世界各國(guó)都正在加緊研制中。在國(guó)外，有些大學(xué)以船舶運(yùn)動(dòng)為對(duì)象進(jìn)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(yùn)動(dòng)控制，加州大學(xué)的Girard、Hedrick等研究的協(xié)調(diào)動(dòng)力定位理論和實(shí)驗(yàn)等。由美國(guó)海洋學(xué)會(huì)組織的國(guó)際動(dòng)力定位年會(huì)，近年來(lái)發(fā)表的文章主要從技術(shù)層面出發(fā)，研究動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。2006年，挪威Kongsberg公

8、司的Jens-sen發(fā)表的“基于模型的流估計(jì)”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(dòng)力定位系系統(tǒng)”、美國(guó)Prasad、Elgamiel發(fā)表的“半潛式平臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)”、挪威Kongsberg公司的Halyard發(fā)表的“綜合控制系統(tǒng)的改進(jìn)方法”，都對(duì)各自動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的研究進(jìn)行了論述。挪威科學(xué)與技術(shù)大學(xué)與挪威的Kongsber