高性能船舶动力定位系统技术分析

高性能船舶动力定位系统技术分析

摘要：对国外一些船舶动态定位控制系统设计方案的控制精度和响应速度控制

问题等进行了分析和研究，提出了相应的改进方案。根据定位控制系统设备情况

的基本配置，分析了系统的基本工作原理，得到了定位控制系统的基本数学模型

和传递函数，并根据控制系统的工作特性提出了解决问题的方法。该方法采用了

控制系统中的神经网络控制算法，代替了原方案中的多级系统控制算法。与改进

方案的控制性能相比，改进方案的控制性能大大提高。

关键词：高性能；船舶；定位系统；技术分析

1 前言

某造船厂为国外某公司承造的多用途工作船具有向钻井平台输送物资、起锚、消防、救生及拖带船舶和钻井平台等作业功能。根据该船设计任务书的要求，该

船必须配置动力自动定位系统，既能克服自动化操船问题，又能解决该船在大风

浪下的安全作业问题。该系统原由国外某公司进行设计，使用表明，其系统的设

计方案基本可行，但尚有改进之处。本文对该系统的基本设计思路进行了分析和

研究，提出了系统的设计改进方案，仿真结果表明该改进方案优于原设计方案，

可供有关人员参考及借鉴。

2 原设计方案

根据DNV规范及船东的要求，设计方提出了本船动力定位系统的设计方案的

基本配置如下：

2.1电力系统

电力系统包括2台2 000 kW的轴带发电机，2台1 360 kW及500 kW的主柴

油发电机，1台200 kW的应急发电机，12屏的主配电板一个，应急配电板一个，电站设有电站管理系统，可实现自动起停机组、自动并车、转移负载、大功率负

载询问、故障报警及处理功能。电力系统为动力定位系统的侧推、方位推等设备

提供驱动动力，为各设备及控制系统提供工作电源。

2.2推进系统

推进系统包括2台主机及齿轮箱、2根轴系及2个可调桨、2台舵机、艏艉侧推及方位推各1个以及相关的辅助设备等。在推进系统中，方位推与艏侧推、艉

侧推与桨及舵、主机与轴带电机之间可互为备用，能够保证推进系统的有效运性，从而确保动力定位系统的功能能够安全可靠地实现。推进系统的各主要设备均通

过通讯线路与动力定位控制系统相联，可由动力定位系统自动控制或人工操控，

实现动力推进功能。

2.3动力定位控制系统

该系统包括动力定位操作台、便携式定位操作板、动力定位系统控制器等设备。能够实现：手动操作、自动转向、自动定位、自动寻迹航行、自动导航和自

动跟踪目标航行等功能。动力定位操纵台：该操纵台为动力定位系统的主要控制

中心，配有显示器及操纵杆等设备。便携式操作板可作为动力定位操作台的备用

设备，其接线盒分别安装驾驶室的前后台、左右两翼及后操作椅上共5个位置。

动力定位系统控制器：该装置为动力定位系统信号采集、控制信息处理中心。本

船采用的动力定位控制处理器将采集到的各种信号进行分析处理后，送到控制模

块进行运算，并将得出的控制指令发送至所控制的推进或报警设备，实现船舶推

进控制及报警等功能。

3 动力定位控制系统设计原理

本船动力定位系统的控制原理是预先在动力定位控制器上输入终点坐标和预

定的航行轨迹（由一系列坐标点组成），动力定位控制系统根据这些预定的轨迹，利用定位控制算法算出船舶的航向和航速，控制船舶在预定的轨迹上航行，如果

船舶与每个预定坐标点的距离误差均在允许范围内，可认为船舶自动定位成功。

动力定位系统是一种高新控制技术，广泛地应用于船舶及海上浮式作业平台，它是一种闭环的控制系统，在不借助锚泊系统的情况下，不断检测出船舶的实际

位置与目标位置的偏差，再根据外界风、浪、流等外界扰动力的影响计算出使船

舶恢复到目标位置所需推力的大小，并对船舶上各推力器进行推力分配，使各推

力器产生相应的推力，从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上。

动力定位系统由3部分组成：①位置测量系统；②控制系统；③推力系统。其中控制系统是动力定位系统的核心部分。海洋结构物在海上的运动是由风、水流、波浪、推力器等共同产生的。其中，风、水流、二阶波浪慢漂力以及推力器

引起的运动速度为0～0.25rad/s，称为低频；一阶波浪引起的运动速度为0.3～

1.6rad/s，称为波频。前者引起的慢漂运动使其缓慢地漂离原来的位置，必须加以控制；后者引起高频往复运动。动力定位系统很难并且也没有必要对高频位移进

行控制，因为这会大大加速推力器系统的磨损和能量的消耗。从这个角度考虑，

必须在位置估计中采用滤波技术，把这3个高频分量滤掉，而滤波器就很好充当

了这一角色。

海洋结构物由于其自身的速度、质量、惯性矩、中心坐标等动态性能发生变化，往往引起流体动力导数发生相应的改变，导致其运动数学模型的参数甚至结

构产生摄动，即不确定性的存在。此外，风、浪、流的存在也会造成附加的干扰

动力，并最终转换为结构物模型的参数以及结构的摄动。因此，如何寻找高效实

用的控制策略，以保证在海洋结构物本身存在动态性能改变和外界环境干扰的条

件下仍能满足船舶与海洋工程领域中不断提高的性能指标要求，成为了动力定位

控制中的最关键问题。

4 动力定位控制系统

4.1滤波技术

早期的动力定位系统在PID控制器的基础上，采用低通滤波技术，可以滤除

高频信号。但是它却使定位误差信号产生相位滞后。这种相位滞后限制了可以用

于控制器的相角裕量，因此滤波效果越好，则对控制器带宽和定位精度的限制就

愈大。第二代动力定位系统采用Kalman滤波技术，使控制器的输出比较平滑，

较好地估计出船舶的状态的问题，减少推力器不必要的动作，减少耗能。由于取

样和修正能在同一个周期内完成，因而解决了控制中存在的由于滤波而导致的相

位滞后问题。姜华提出了Kalman滤波技术在船舶动力定位中的应用方法，并以300 m救生母船为实例建立船舶运动的数学模型，设计了Kal-man滤波器，通过

仿真说明该滤波器能够较好地估计出船舶的真实船位和艏向。王宗义等利用Kalman滤波方法估计船舶位置和首向低频运动，同时剔除来自位置和首向传感器

信息中的高频运动分量和噪声。20世纪80年代初，自校正技术中采用Kalman滤波器和自校正滤波器分别处理低频运动和高频运动。此外，有些学者对滤波技术

进行了进一步的发展。

4.2控制策略

4.2.1 经典控制

经典控制理论主要研究线性定常系统，被控对象几乎全部是单输入-单输出系统。PID控制即是动力定位中应用经典控制理论来设计的典型控制技术。PID控制