船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂永惠

摘 要：船舶深海作業(yè)的核心技術(shù)之一是動(dòng)力定位系統(tǒng)。本文基于海洋工程中常見的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)，通過介紹其系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的基本構(gòu)架和控制技術(shù)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：船舶；定位控制；推力分配

當(dāng)今世界隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在能源和資源方面帶來了嚴(yán)重的問題，海洋資源的開發(fā)和爭(zhēng)奪非常激烈。另一方面，海洋作業(yè)的工作環(huán)境非常復(fù)雜，因此開發(fā)海洋資源需要先進(jìn)的技術(shù)支撐。當(dāng)前船舶定位主要采用動(dòng)力定位、錨泊定位以及第三種錨泊+動(dòng)力綜合定位。錨泊定位因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和高可靠性多應(yīng)用在淺水區(qū)域。當(dāng)水深1500m時(shí)，定位方式多為錨泊輔助動(dòng)力定位方式。隨著水深進(jìn)一步增加，錨泊定位系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本嚴(yán)重增加。當(dāng)前多數(shù)系統(tǒng)采用錨泊系統(tǒng)與動(dòng)力定位系統(tǒng)聯(lián)合定位。水深在一定條件下時(shí)，浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的主要定位方式為錨泊定位，但由于水深增加，導(dǎo)致了錨泊系統(tǒng)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(dǎo)致海上布鏈作業(yè)難度上升，增加了系泊錨鏈經(jīng)濟(jì)成本，大大限制了其定位功能。

1 動(dòng)力定位控制系統(tǒng)概述

動(dòng)力定位系統(tǒng)為閉環(huán)模式，屬于高新控制技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用在船舶作業(yè)中。其最大的特點(diǎn)是無錨泊系統(tǒng)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶實(shí)時(shí)位置與目標(biāo)位置的偏差，結(jié)合自身計(jì)算能力，綜合考慮外界流、浪、風(fēng)等因素計(jì)算得到船舶前進(jìn)到目標(biāo)位置所需的動(dòng)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(chǎn)生對(duì)應(yīng)大小的推力，使船盡量到達(dá)并穩(wěn)定地保持在海平面的目標(biāo)位置。動(dòng)力定位系統(tǒng)主要由推力系統(tǒng)、位置測(cè)量系統(tǒng)以及最重要的控制系統(tǒng)組成。眾所周知，海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是波浪、推水力器、流和風(fēng)等綜合影響的結(jié)果。其中，低頻運(yùn)動(dòng)由水流、風(fēng)、推力器和二階波浪慢漂力造成；波頻運(yùn)動(dòng)則是由一階波浪引起的。低頻運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致海洋結(jié)構(gòu)物向遠(yuǎn)離原來的位置的方向緩慢漂浮，因此必須加以控制；波頻運(yùn)動(dòng)則引起結(jié)構(gòu)物發(fā)生高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)力定位系統(tǒng)在對(duì)高頻位移嘗試進(jìn)行控制時(shí)，會(huì)大大增加推力器系統(tǒng)的磨損和能耗，因此這種操作應(yīng)當(dāng)盡力避免。此外，海洋中的流、風(fēng)、浪的存在也會(huì)對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)造成動(dòng)力干擾，并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物模型的參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，在動(dòng)力定位控制中，需要保證海洋結(jié)構(gòu)物在面對(duì)海洋復(fù)雜多變的環(huán)境下仍能使船舶保持較高的性能指標(biāo)。

2 船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 位置測(cè)量系統(tǒng)

位置測(cè)量系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：風(fēng)速風(fēng)向儀、測(cè)深儀、DGPS 系統(tǒng)、航向傳感器、回聲傳感器、雷達(dá)系統(tǒng)、氣象傳真等。這些系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)量船舶的相對(duì)位置以及完整位置。在動(dòng)力定位系統(tǒng)當(dāng)中，最核心的問題是能通過合適的位置測(cè)量系統(tǒng)，及時(shí)在船舶工作時(shí)間段實(shí)時(shí)傳輸其所測(cè)得測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 推進(jìn)器系統(tǒng)

推進(jìn)器系統(tǒng)是一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖1），接受動(dòng)力定位系統(tǒng)的指令后通過它傳遞給下一機(jī)構(gòu)。常見的推進(jìn)器形式有吊艙式推進(jìn)器、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以及槽道式推進(jìn)器三種。槽道推進(jìn)器可以提供橫向力，且其安裝時(shí)位置靠近艏艉兩端。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器能夠提供任意方向上的推力，方便船舶定位。由于動(dòng)力定位控制的運(yùn)動(dòng)其方向?yàn)樗椒较颍\(yùn)動(dòng)方式為：橫蕩、艏搖、縱蕩。為使推進(jìn)器系統(tǒng)完成其功能，為船舶固定位置相對(duì)提供足夠動(dòng)力，其必須具備兩種能力：提供足夠大的推力來抵消環(huán)境因素產(chǎn)生的作用力；必須提供足夠快的響應(yīng)速度，在船舶上的外力發(fā)生變化時(shí)能及時(shí)作出反應(yīng)。

2.3 動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)（圖2）由多個(gè)部分構(gòu)成，其首先通過控制臺(tái)給出所需的推進(jìn)指令，保證船舶安全穩(wěn)定作業(yè)。在動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)，控制器自動(dòng)接收系統(tǒng)中由各種傳感器傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，完成接受后及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而對(duì)船舶所在進(jìn)行估算，DP控制臺(tái)上會(huì)顯示估算值，并實(shí)時(shí)更新。如果系統(tǒng)可以切換到自動(dòng)定位模式，此時(shí)DP操作員必須預(yù)先設(shè)置期望的能自由定位的定位點(diǎn)，比如鉆井作業(yè)中存在的連接角、船舶位置或首向等?？刂破鲗?huì)對(duì)期望設(shè)定點(diǎn)和船舶的估算位置或者是首向位置進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)定的控制運(yùn)算，及時(shí)將推進(jìn)指令發(fā)給推進(jìn)器，不斷調(diào)整偏差。到達(dá)設(shè)定點(diǎn)后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)環(huán)境作用力進(jìn)行補(bǔ)償，保證船舶動(dòng)態(tài)穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)附近。為擺脫海洋環(huán)境影響，保證船舶能穩(wěn)定地保持在設(shè)定點(diǎn)，DP 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段建立數(shù)學(xué)模型時(shí)綜合考慮了多種因素影響。

3 結(jié)論

船舶動(dòng)力定位技術(shù)是船舶設(shè)備在海洋作業(yè)過程中的關(guān)鍵的核心技術(shù)，和傳統(tǒng)的錨泊方式相比，其具有的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、定位精準(zhǔn)、方便快捷且不受水深限制等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于海洋開發(fā)和提高海洋經(jīng)濟(jì)效益有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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