拖纜和阻尼器對船舶靠泊運動控制的研究

耿新雷

摘 要：在近港口區(qū)域內(nèi)的船舶自動靠泊技術(shù)是當前的研究熱點。本文提出了一種新的船舶靠泊技術(shù)，即使用阻尼器和絞車組成靠泊系統(tǒng)來解決復(fù)雜和危險的靠泊作業(yè)。在所提出的靠泊系統(tǒng)中，設(shè)計了控制器來抵消波浪和其他因素的影響，以保證靠泊過程的安全。通過實驗驗證了所提出的船舶靠泊方法和所設(shè)計的控制系統(tǒng)在不可預(yù)知的外力作用下的有效性。實驗結(jié)果表明，在設(shè)計的控制器的有效控制下，船舶能夠及時接近預(yù)定位置。本文自動靠泊方法可以為船舶的自動靠泊技術(shù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：船舶;港口;靠泊系統(tǒng);阻尼器

中圖分類號：U675.9? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0120-02

1引言

船舶靠泊被廣泛認為是船舶控制和自動化領(lǐng)域最復(fù)雜的過程。船舶在靠泊過程中，由于受到風、氣流干擾以及淺水、岸壁效應(yīng)的影響，會產(chǎn)生復(fù)雜的動力學行為，難以精確操控，需要通過人的經(jīng)驗來完成靠泊過程[1]。因此，從理論和實踐上研究自動靠泊技術(shù)具有重要的意義。張強等[2]使用ANN算法對船舶的自動靠泊控制進行仿真試驗。在船舶低速運動控制領(lǐng)域，龔征華等[3]基于噴水推進操舵控制系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計干擾觀測器和全局滑模控制器。

因此，本文提出了一種在保證作業(yè)安全的情況下船舶靠泊的新方法，并通過實驗驗證了該方法的可行性。

2系統(tǒng)描述和建模

2.1系統(tǒng)描述

圖1為試驗布置圖，試驗采用的靠泊系統(tǒng)主要由激光傳感器、絞盤系統(tǒng)、電機、壓力傳感器、比例閥、測壓元件等組成。采用一個船模進行了靠泊試驗，在港口一側(cè)安裝了兩對電機和氣缸。通過考慮最終的停泊條件，對所提出的思想和系統(tǒng)配置進行初始化?？坎醋顝?fù)雜的區(qū)域（或距離）大約為從船到碼頭邊10m以內(nèi)，因為在這一區(qū)域，靠泊過程通常需要拖船和引航員來協(xié)助才能保證安全。因此，本文提出的靠泊方法，除了安裝在陸地上的阻尼器和絞盤系統(tǒng)之外，不需要任何附加的輔助系統(tǒng)。

兩對絞盤和阻尼器用于控制船舶運動。開始靠泊工作，首先連接阻尼器的端部，同時將絞車繩索連接到船只上。通過控制致動器產(chǎn)生的拉力和推力，實現(xiàn)靠泊過程。這意味著，通過適當和有效地控制絞車和阻尼器系統(tǒng)，可以實現(xiàn)理想的控制性能和安全靠泊工作。

2.2系統(tǒng)建模

在實驗裝置準備的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)辨識過程，分析船舶靠泊系統(tǒng)的動態(tài)特性。

首先，為了獲得絞盤系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，向絞盤系統(tǒng)施加10V電力（如圖2（a）所示），使得獲得如圖2（b）所示的繩索拉力?？梢钥闯?，拉力的試驗值和計算值符合良好。

絞盤系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表示輸入功率V和鋼絲繩拉力T之間的關(guān)系，如式（1），可以使用推薦的系統(tǒng)配置提供多種停泊技術(shù)和方法。在推薦的靠泊系統(tǒng)中，兩個阻尼器和兩個絞盤通過合理科學的控制以實現(xiàn)給定的目標。

（1）

3試驗

3.1試驗儀器

為了評價所設(shè)計的控制系統(tǒng)的有效性，在水池中進行了實驗，使用船舶模型的重215kg、長2m、寬1m。

船只運動由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PCI-6229（NI）利用LabVIEW軟件進行測量和控制。從船只到港口的距離由安裝在甲板上的激光傳感器測量，繩索拉力由測壓元件測量，氣缸壓力由壓力傳感器測量。

3.2控制器設(shè)計

為了保持理想的鋼絲繩拉力，設(shè)計了一種基于滑?？刂频目刂破鳌Ｌ貏e是在滑?？刂破鞯脑O(shè)計中引入了超扭曲算法。設(shè)計的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示?；瑒用娴牡湫托问饺缦拢?/p>

（2）

其中e是跟蹤誤差，并且

。

3.3試驗結(jié)果

本研究的目的是保持繩索的目標拉力，同時將船只移動到所需位置。試驗場景如圖4所示。

在該研究中，目標拉力設(shè)定為120N，如圖5（b）中的紅色虛線所示。在圖5（a）中示出了移動到最終位置期間的容器位置。當船只接近目標位置（0.57m）時，外部擾動多次影響船只;在3s、7s和11s，該船主要受到向港口一側(cè)推力的影響;相反，在14s和18s，拉力影響船只。通過控制兩個致動器，船只可以在14s內(nèi)接近最終位置。繩索拉力和絞車控制信號分別如圖5（b）和圖5（c）所示;圖5（d）顯示了整個靠泊過程中阻尼器的壓力變化。如實驗結(jié)果所示，我們可以發(fā)現(xiàn)，不管干擾的受力如何，船只都被很好地控制，并且按照預(yù)期移動到最終位置。

4結(jié)論

為了克服原始靠泊方式的缺點，提出了一種將阻尼器和絞車相結(jié)合的新的靠泊技術(shù)，實驗結(jié)果證明了該靠泊方法的良好性能和適用性，可以為船舶的自動靠泊技術(shù)研究提供參考。相信隨著自動靠泊控制理論、仿真和海試研究的不斷深入，自動靠泊控制的研究目標將得以實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]徐承軍，黃慶林，吳建曲.船舶離靠泊輔助系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].港口裝卸，2020（05）：50-55.

[2]張強，張顯庫，林南均.船舶自動靠泊簡捷非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器[J].中國航海，2017，40（04）：11-15+29.

[3]龔征華，田震，熊文，李俊舟，李剛強，袁景淇.全局滑?？刂品椒ㄔ趪娝七M操舵系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海交通大學學報，2017，51（06）：693-697.