船舶动力定位系统及其控制技术

船舶动力定位系统及其控制技术

为使船舶或作业平台在海上航行或作业时更好地保持航迹或稳定在某一工作水域范围内，对船舶的定位精度提出更高的要求。阐述船舶动力定位系统的定义、组成、工作原理、研究状况及其数学模型等，指出控制技术的快速发展和智能化，使其在动力定位系统中的应用越来越广泛；分析几种不同时期基于不同控制技术的船舶动力定位控制器的原理，阐述船舶动力定位系统未来的發展趋势，从而对今后的研究起到一定的参考作用。

标签：动力定位系统；控制技术；船舶

随着海洋经济时代的到来，人们对海洋资源的需求越来越多。由于深海环境复杂多变，因而对获取海洋资源的装置定位精度要求也越来越高。传统的锚泊系统有抛起锚操作过程繁琐、定位精度和机动性差等缺陷，难以符合定位精度的要求；而船舶动力定位系统（以下简称“DP系统”）则在保持航迹或保持位置方面具有突出的优势，已被逐渐应用到海上航行船舶和作业平台上，快速发展的控制理论在DP系统中的应用，取得了很好效果。

1 DP系统概述

1.1 定义

DP系统是指不依靠外界的辅助，通过固有的动力装置来对船舶或作业平台进行定位的一种闭环控制系统，系统包括控制系统、测量系统和推进系统，控制系统是其核心。

1.2 组成

DP系统由控制系统、测量系统和推力系统组成。控制系统是整个系统的核心，对测得的信息和外界干扰信号进行处理，能够通过计算推算出抵抗外界干扰的推力，并传递给推力系统。测量系统能够获得船舶运动所需要的信息，其种类有DGPS、电罗经、张紧索系统、水下声呐系统、垂直参考系统、风力传感器等。推力系统根据控制系统计算出的推力来控制船舶。

1.3 研究状况

第1代DP系统的研发始于1960年。钻井船“Eureka”号是世界上第一艘基于自动控制原理设计的DP船舶。该船配备的DP模拟系统与外界张紧索系统相连。该船除装有主推力系统外，在还在船首和船尾装有侧推力系统，在船身底部也安装有多台推进器。第2代DP系统始于1970年，具有代表性的是“SDEC0445”号船，该船安装有多台推进器，系统的控制器采用kalman滤波等现代控制技术，且控制系统中的元件有冗余，其安全性、稳定性和作业时间均有了较大的改善和提高。第3代DP系统始于1980年。系统采用微机处理技术和Muti-bus、Vme

等多总线标准的控制系统。代表性的第3代DP系统有挪威Konsberg公司的AD-P100、AD-P503系列产品和法国的DPS800系列产品。我国对DP系统的研究开展得较晚，研究力量集中在高校和科研院所。我国自主研制和建造的“大洋一号”科考船，是我国首艘安装DP系统的船舶。

2 DP系统的控制技术

2.1 传统的PID控制技术

第1代DP系统的控制器采用的是传统的PID控制技术，对船舶在纵荡、横荡和艏摇三自由度进行分析，剔除高频干扰。PID控制技术因其为线性系统，故其缺点是系数的选择较复杂；而DP系统是非线性系统，这使得其他控制技术得以发展和应用到DP控制器的设计之中。

2.2 非线性控制技术

非线性理论具有性能改善、非线性分析、处理模型中不确定项等特点。由于DP系统以及外界的干扰均为复杂的非线性，用该方法处理有一定的优越性。对DP船舶设计一个非线性观测器，其稳定性通过Lapunov理论证明，能从输出值中估计船舶的位置和速度以及环境干扰力等信息。针对DP控制系统的特点，将自抗扰控制器（ADRC）引入到DP系统中，用三阶扩张状态观测器估计船舶的艏向、速度等信息，通过反馈对误差和干扰加以补偿，设计一种具有较强鲁棒性和适应性的控制器。

2.3 自适应控制技术

自适应控制技术基于数学模型，解决参数的不确定性，将外界的干扰值看作常量，基于矢量逆推非线性设计工具，引入积分环节，设计DP系统的自适应PID 控制器，最后用Lyapunov函数证明该控制器的稳定性，并控制律使得艏向、速度等信息渐近于期望值。

2.4 智能控制技术

智能控制技术采用的是人的思维具有非线性的特点加以控制，具有较好的效果。在DP系统中引入自适应模糊控制，通过提出基于人工神经网络的控制方法，能够任意调节目标函数适应高精度的定位和节约能量，前馈控制能适应不同的环境干扰。将几种控制方法相结合来设计新型组合式的控制系统，能够融合各自控制方法的优点，弥补单一控制方法自身的缺点，在今后的研究中将会受到广泛的关注。

3 结语

大型船舶在海洋开发中的航行及停泊位置精度直接影响到开发作业的执行效率，现有船舶一般通过动力定位系统来控制自身位置精度。动力系统首先通过

传感器采集外力数据，再利用数据融合算法计算出动力推进器需要的推进力。无线传感网络中通过不同类型、不同区域传感器采集数据，并通过分布式结构进行数据传输及处理，能够很好地适应船舶动力定位系统的数据采集、传输及处理，在船舶动力定位系统中得到了广泛应用。

参考文献：

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