分析船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)及其控制技術(shù)

摘? 要? 隨著海洋工程與深海技術(shù)的發(fā)展，使動(dòng)力定位系統(tǒng)及其控制技術(shù)得到了更為廣泛的應(yīng)用?；诖耍疚耐ㄟ^對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的概念、原理以及基本功能進(jìn)行分析;再對(duì)其控制技術(shù)進(jìn)行分析;最后，對(duì)影響船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制技術(shù)有效運(yùn)用的因素進(jìn)行分析。以供相關(guān)人士的閱讀與分析。

關(guān)鍵詞? 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)? 船舶動(dòng)力控制技術(shù)? 分析

一、船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的概念、應(yīng)用原理以及基本功能分析

（一）船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的概念

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)，是一種閉環(huán)式的動(dòng)力控制系統(tǒng)，它不用通過錨泊系統(tǒng)作用，就可以對(duì)船舶航行的實(shí)際位置與目標(biāo)位置之間的偏差進(jìn)行分析，同時(shí)可以對(duì)風(fēng)浪、水流等外界干擾動(dòng)力進(jìn)行判斷，并對(duì)船舶回歸正確航線所需要的動(dòng)力大小進(jìn)行計(jì)算，之后船舶上的動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)力，使船舶盡量保持在正確的航線位置上[1]。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，水深的增加并不會(huì)使定位成本提高，且操作簡(jiǎn)便、調(diào)整迅速。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)作為海洋事業(yè)發(fā)展的重要應(yīng)用技術(shù)之一，其在深海油氣勘探與開采、海底作業(yè)、海洋資源調(diào)查、海洋工程管纜鋪設(shè)等工作中是不可缺少的。

（二）船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的基本組成與工作原理

1.船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的基本組成

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)基本是由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)，以及位置測(cè)量系統(tǒng)所組成的。其中，測(cè)量系統(tǒng)是獲取船舶運(yùn)行狀態(tài)、周邊環(huán)境等信息的傳感系統(tǒng)，而傳感系統(tǒng)則由聲學(xué)定位系統(tǒng)、電羅經(jīng)、DGPS、以及風(fēng)向風(fēng)速儀等組成。

2.船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的應(yīng)用原理

動(dòng)力定位系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)，需要通過測(cè)量系統(tǒng)獲得船舶的航行信息、環(huán)境信息，再對(duì)船舶的實(shí)際位置與目標(biāo)航線之間存在的偏差進(jìn)行分析，之后利用控制系統(tǒng)根據(jù)偏差計(jì)算出調(diào)整偏差所需的推動(dòng)力，并對(duì)推動(dòng)力進(jìn)行合理的分配。通過控制系統(tǒng)的調(diào)控與作用，使船舶可以利用自身的動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)，以抵抗風(fēng)、浪、流的影響作用，使船舶的航向得到保障。當(dāng)船舶在航行時(shí)，很難用精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型對(duì)其動(dòng)力特點(diǎn)進(jìn)行詳盡的描述，而風(fēng)、浪、流等因素，則會(huì)因海域情況的變化而變化[2]。

（三）船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的基本功能分析

1.定點(diǎn)控位功能

通過在船舶的控制臺(tái)輸入某一坐標(biāo)點(diǎn)作為定位點(diǎn)，經(jīng)系統(tǒng)分析與計(jì)算可獲得到達(dá)定點(diǎn)所需推動(dòng)力的大小，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，利用推進(jìn)器將船舶移動(dòng)至預(yù)期位置，并可以將準(zhǔn)確度保持在一定范圍內(nèi)。

2.航跡控制功能

當(dāng)船舶在進(jìn)行航行或作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)設(shè)定好的航線進(jìn)行航行，因此需要相應(yīng)的系統(tǒng)或設(shè)備為船舶提供航行指令、速度指令等，并利用控制器發(fā)出控制船舶按照預(yù)定軌跡前進(jìn)的指令。在對(duì)船舶航跡進(jìn)行控制的過程中，控制系統(tǒng)需根據(jù)海上環(huán)境的變化及時(shí)對(duì)艏向進(jìn)行調(diào)整。

3.艏向控制功能

在船舶行駛時(shí)，可人為設(shè)定船舶艏向，當(dāng)實(shí)際艏向與設(shè)定艏向之間存在偏差時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)對(duì)目前的船舶艏向進(jìn)行調(diào)整，并將船舶艏向精準(zhǔn)的控制在一定范圍內(nèi)。

二、船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制技術(shù)分析

（一）PID傳統(tǒng)控制技術(shù)

PID控制器是早期控制器的代表，船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中的PID控制技術(shù)，以PID控制為基礎(chǔ)，可以對(duì)船舶的橫蕩，縱蕩以及艏搖進(jìn)行控制，并根據(jù)航行位置對(duì)推動(dòng)力的大小進(jìn)行計(jì)算，之后對(duì)推動(dòng)力的分配進(jìn)行確定，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的定位。這種控制技術(shù)雖然早期應(yīng)用較為普遍，但其卻有著極為明顯的缺陷：首先，對(duì)位置與艏向的控制并不是以模型為基礎(chǔ)的，屬事后控制，這使控制的精確程度與反應(yīng)速度具有局限性[3]。其次，如果以PID控制器為基礎(chǔ)，使用低通濾波技術(shù)，可以對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行過濾與清除，但這種操作卻極易造成定位誤差信號(hào)出現(xiàn)相位滯后性，進(jìn)而限制用于控制器的相角裕量，影響定位的精確度。

（二）智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)是利用思維具有非線性的特點(diǎn)進(jìn)行控制的，且具有較好的實(shí)踐效果。在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中加入自適應(yīng)模糊控制，通過以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)，可以對(duì)目標(biāo)定位進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使前饋控制可以適應(yīng)不同環(huán)境因素的干擾。同時(shí)，智能控制技術(shù)可以結(jié)合幾種不同的控制方法，設(shè)計(jì)出新型組合式的控制系統(tǒng)，并可以將各種控制技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行融合，彌補(bǔ)單一控制方法的不足，從促進(jìn)控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

（三）非線性控制技術(shù)

非線性控制技術(shù)具有非線性分析、改善性能，以及對(duì)數(shù)據(jù)模型中的不定項(xiàng)進(jìn)行有效處理等特點(diǎn)。由于動(dòng)力定位系統(tǒng)與外界干擾因素具有較為復(fù)雜的非線性特征，因此非線性控制技術(shù)的應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際操作中，可針對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)非線性觀測(cè)器，并利用Lapunov證明其穩(wěn)定性，之后可以利用觀測(cè)器對(duì)船舶位置、行駛速度以及外界環(huán)境等信息進(jìn)行獲取與判斷。

三、船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制技術(shù)有效運(yùn)用的影響因素分析

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的主要功能是，迅速對(duì)外界環(huán)境因素做出反應(yīng)，使船舶可以在預(yù)設(shè)航線、位置上航行，并在保證動(dòng)力定位系統(tǒng)安全、可靠的前提下使推進(jìn)能耗最小。因此，為有效運(yùn)用船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制技術(shù)，應(yīng)注重以下影響因素。

（一）功率的消耗

船舶所能產(chǎn)生的功率是有限的，推力器也并不能全部使用。而受海上環(huán)境、作業(yè)類型、故障情況的影響，使各推進(jìn)器被分配到的功率也有所不同。因此，船舶在實(shí)際航行中，所得到的控制指令會(huì)受到一定限制。為使船舶可以充分發(fā)揮其自身的功能性質(zhì)，并可以避免執(zhí)行器飽和問題的出現(xiàn)，在進(jìn)行推力分配時(shí)應(yīng)充分考慮到船舶的功率數(shù)量，從而對(duì)船舶進(jìn)行更加有效的控制。

（二）冗余度

在理論中推進(jìn)器可以產(chǎn)生任何方向的推力，因此只用兩個(gè)推進(jìn)器就可以組成一個(gè)完整的推力系統(tǒng)[4]。但因?qū)嶋H工作中的單個(gè)推進(jìn)器容量有限，僅兩個(gè)推進(jìn)器是無法滿足實(shí)際所需的推力容量;同時(shí)，推進(jìn)器系統(tǒng)必須滿足系統(tǒng)工作所需的可操縱性與可靠性，因此推進(jìn)器的應(yīng)用一般在五個(gè)以上。

四、結(jié)束語

綜上所述，隨著船舶與海洋工程的飛速發(fā)展，使得船舶與海洋平臺(tái)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)之一的動(dòng)力定位系統(tǒng)得到了重視與發(fā)展。船舶在進(jìn)行海洋作業(yè)時(shí)，航行與停泊的位置精確度直接影響其作業(yè)執(zhí)行的效率與質(zhì)量，因此需要通過動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。動(dòng)力系統(tǒng)在實(shí)際工作中，通過控制技術(shù)，可以對(duì)船舶行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的傳輸、處理以及反饋，從而保障了船舶航行的質(zhì)量，促進(jìn)了海洋工程與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)克平，張新放.滑模控制船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（3）：61-65.

[2]張政，李文明.大型海工船DP系統(tǒng)引航應(yīng)用可行性分析[J].中國水運(yùn)（下半月），2019，019（006）：16-17，19.

[3]謝珉，王鋒，劉江.輔船動(dòng)力定位系統(tǒng)的故障模式分析及應(yīng)用[J].船舶設(shè)計(jì)通訊，2019（A01）：110-115.

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