船舶動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展與展望

李國材

摘 要：隨著人類對深海的不斷開發(fā)，動力定位系統(tǒng)在海上平臺、海上作業(yè)船舶、軍用艦船及水下潛器中的應(yīng)用也越來越廣泛。本文首先分析了動力定位系統(tǒng)的組成和其工作原理，接著簡要敘述了船舶動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展歷程，之后介紹了一些常用的動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)，最后展望了動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的相關(guān)熱點發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞：動力定位；船舶；控制技術(shù)

隨著人們對海洋經(jīng)濟的發(fā)展，海洋資源的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。復(fù)雜多變的深海環(huán)境，對定位精度也提出了越來越高的要求。導(dǎo)致傳統(tǒng)的錨泊系統(tǒng)無法滿足如今的定位精度要求，而近些年開發(fā)的船舶動力定位系統(tǒng)能準確地保持相關(guān)位置及航跡，因此已被越來越廣泛地應(yīng)用到海洋工程中，而相關(guān)船舶動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的應(yīng)用也越來越關(guān)鍵。為此，本文進行了如下探究。

1 動力定位系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 有關(guān)結(jié)構(gòu)

動力定位系統(tǒng)主要由以下系統(tǒng)組成：即位置測量、控制及推力三大系統(tǒng)。測量系統(tǒng)是一種傳感器系統(tǒng)，它可以準確測量環(huán)境及船舶運動的相關(guān)參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)具有處理由測量系統(tǒng)檢獲得的信息的功能，從而得出推進器控制信號，實現(xiàn)對推進器的控制，進而保證動力定位船舶在相關(guān)外力的推進下，朝向預(yù)訂的航行位置行駛。

1.2 有關(guān)工作原理

動力定位系統(tǒng)基于測量系統(tǒng)測出的信息，對船舶的實際位置艏向與設(shè)計數(shù)值進行比較分析，基于得出的偏差，控制系統(tǒng)可以計算出推力，進而對推力進行合理分配。通過控制系統(tǒng)的調(diào)控，船舶可以抵抗各類力矩的影響，從而保證船舶的航向及位置。如圖1所示為動力定位系統(tǒng)的工作原理。動力定位系統(tǒng)的控制策略是根據(jù)其工作原理制定的，它可以同時兼顧能耗、控制精度和響應(yīng)速度。

2 動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展概況

在上世紀60年代，船舶動力定位系統(tǒng)被首次使用。鉆井船“Eureka”號是第一艘動力定位系統(tǒng)船舶，它是基于自動控制原理進行設(shè)計的。該船的動力定位模擬系統(tǒng)連接著外界張緊索系統(tǒng)。除了主推力系統(tǒng)之外，該船在船的首、尾都安裝了側(cè)推力系統(tǒng)，此外在其船身底部，配備安裝了推進器多臺。而第二代動力定位系統(tǒng)則始于上世紀70年代，系統(tǒng)采用先進的kalman濾波控制技術(shù)，使相關(guān)基準傳感器能夠同時運行使用，在長時間連續(xù)性運行方面具有優(yōu)勢。而第三代動力定位系統(tǒng)始于上世紀80年代。系統(tǒng)采用微機技術(shù)及多種線標準控制系統(tǒng)。代表性系統(tǒng)有AD-P100、AD-P503及DPS800等。但是，中國對定力定位系統(tǒng)的研究相對滯后，其研究主要集中在科研單位和相關(guān)高校?！按笱笠惶枴笨瓶即侵袊灾餮邪l(fā)制造的首艘裝有動力定位系統(tǒng)的船舶。

3 介紹常用的動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)

3.1 PID控制技術(shù)

PID控制技術(shù)代表著早期動力定位控制技術(shù)，基于PID控制技術(shù)，可以實現(xiàn)對船舶的橫蕩、縱蕩及艏搖的控制。通過分析比較得出的位置與艏向的偏差，進行推力大小的計算，進而使推力分配邏輯得以確定，最后推力形成，實現(xiàn)對船舶的定位。目前，這種PID控制技術(shù)已經(jīng)成熟，它具有價格相對較低、應(yīng)用范圍廣及操作方便等特點，所以該種技術(shù)在早期船舶動力定位中得到了廣泛的應(yīng)用。而現(xiàn)今船舶的動力定位系統(tǒng)要求更高的控制精度和更快的航行速度，致使該技術(shù)已逐漸被淘汰。如圖2所示為PID控制技術(shù)的工作原理。

3.2 LQG控制技術(shù)

LQG控制技術(shù)類型為線性二次高斯型，主要采用卡爾曼濾波等最優(yōu)控制技術(shù)，已經(jīng)在第二代動力定位系統(tǒng)中得以廣泛的應(yīng)用。在進行定位控制中，通過該技術(shù)，可以使濾波形成的滯后問題得以解決，相較于PID控制技術(shù)，該控制技術(shù)的節(jié)能、安全及魯棒性能更加優(yōu)異。而且，現(xiàn)在動力定位系統(tǒng)普遍采用LQG控制技術(shù)，其響應(yīng)速度和控制精度均能滿足系統(tǒng)要求。

3.3 模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)

為了提高控制系統(tǒng)的控制精度、改善其魯棒性能。目前，很多學(xué)者基于自適應(yīng)控制，研究了動力定位系統(tǒng)。模型參考自適應(yīng)控制是具有代表性的控制技術(shù)，存在兩種自適應(yīng)律設(shè)計方法：局部參數(shù)最優(yōu)法；穩(wěn)定性理論法。局部參數(shù)最優(yōu)方法的穩(wěn)定性不高。穩(wěn)定性理論方法能使控制器自適應(yīng)的穩(wěn)定得以確保。因此，設(shè)計動力定位控制器使，人們常常采用穩(wěn)定性理論方法。該控制系統(tǒng)包括外環(huán)和內(nèi)環(huán)兩個環(huán)路。外環(huán)負責(zé)對控制器參數(shù)進行調(diào)整；內(nèi)環(huán)由被控對象及控制器組成，它是一種反饋回路。模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)具有自適應(yīng)快、實現(xiàn)方便的優(yōu)點，但是沒有記憶能力。

3.4 反步法

反步法是基于由前往后遞推進行設(shè)計的方法。反步法的原理為：先將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)，再在每個子系統(tǒng)中，設(shè)計中間虛擬控制量和李亞普諾夫函數(shù)，并“后退”經(jīng)過整個系統(tǒng)，集成它們后，整個控制律設(shè)計便完成了。通過縮小實際軌跡和設(shè)定軌跡的偏差，反步法可以全局調(diào)節(jié)或跟蹤系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)的性能指標達到期望值。反步法中的虛擬控制是一種靜態(tài)補償，通過虛擬控制后面子系統(tǒng)，前面的子系統(tǒng)才能實現(xiàn)鎮(zhèn)定控制。因此，構(gòu)造合理的虛擬控制器是反步法設(shè)計中最為關(guān)鍵的步驟。而且，在高階非線性控制方面，反步法具有突出的優(yōu)勢。

3.5 模糊控制技術(shù)

在一定程度上，模糊控制模仿了人類智能的推理方式，它能有效解決非線性及不確定性等各類不適定問題。基于船舶動力定位自身的特點，模糊控制技術(shù)非常適合在船舶動力定位中使用?；谀：刂苿恿Χㄎ?，構(gòu)造了基本的船舶動力定位模型，控制器的輸入量采用位置間的偏差值，輸出量采用推進器的推進力。但是，常常預(yù)先就確定了控制策略，因此，一旦環(huán)境發(fā)生變化，將導(dǎo)致控制效果降低。所以，模糊控制必須引入自我調(diào)節(jié)功能，能針對外界的干擾情況，在系統(tǒng)的運動過程中實現(xiàn)對控制策略的自動調(diào)整。模糊控制有很多優(yōu)點：比如優(yōu)異的魯棒性能、不依靠精確的對象數(shù)學(xué)模型、較快的響應(yīng)速度和極強的抗干擾能力等。但是，模糊控制技術(shù)一般不具備自適應(yīng)及自學(xué)習(xí)功能。

3.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬了生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是智能控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，對于高度非線性及不確定性的對象較為適合。因此，動力定位控制設(shè)計中常常采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的容錯能力，同時也具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力。但是，在基于規(guī)則的知識表達方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)顯得不太適合。

4 展望動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的熱點

有關(guān)文獻顯示，今后人們在研究開發(fā)動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的過程中，將會主要關(guān)注以下幾方面的熱點：準確預(yù)測二階波浪力，并及時進行快速補償；集成多種智能控制方法，并引進更高精度的控制算法；在全面管理能量的基礎(chǔ)上，優(yōu)化推力分配；解決極端海況下欠驅(qū)動的問題等。除了以上非正常狀態(tài)下的有關(guān)動力定位控制技術(shù)熱點，以后人們對動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的研究，也將會廣泛關(guān)注對新型組合式的控制系統(tǒng)設(shè)計，使各自控制方法的優(yōu)點得以發(fā)揮，同時能使單一控制方法的缺點得以彌補改進。

5 結(jié)語

綜上所述，作為一種先進的海上定位技術(shù)，與傳統(tǒng)的舊式錨泊相比，船舶動力定位控制技術(shù)具有更準確的定位功能及更好的機動性，而且不會受到海水深度的限制。其方便快捷的投入撤離優(yōu)勢，在中國海洋資源的開發(fā)及，現(xiàn)代化海軍的組建方面發(fā)揮著重要的作用。所以，需要加強對船舶動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的研究力度，并重點開展實用方面的研究，以便接近國外先進水平。

參考文獻

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（作者單位：太平洋海洋工程（珠海）有限公司）