动力定位关键技术与展望

2.动力定位技术的研究热点与方向
当前国内外的科研院所及研究机构对动力定位技术主要的研究热点是:
1，应用非线性理论建立船舶动力定位非线性数学模型
2，基于Backstepping方法设计的非线性鲁棒控制器，以提高动力定位系统的控制性能和系统鲁棒性;
3，在推力分配方面优化控制算法，研究推力器之间、推力器和船体之间的影响，在最少燃料消耗的前提下产生足够的推力，节省定位成本;
4，引入更为先进的、成熟的控制理论和控制方法，减小或消除系统模型不精确性以及反馈系统带来的误差.
船舶动力定位控制技术的热点展望[4]:
1，二阶波浪力的准确预测与快速补偿；
2，多种智能控制方法融合的精度更高的控制算法；
3，基于全面能量管理的推力分配优化；
5，极端海况，欠驱动等非正常状态下的动力定位控制技术；
1，位置测量系统[5]
最新的位置测量系统中，一般应用 2 种及2种以上的测量方法，以达到高精度，高速度，抗干扰的良好效果。

挪威康士伯公司的几款最新动力定位系统就是将无线电系统和差分全球定位系统（DGPS）相结合来测定位置信息。

如同时运用无线电系统和全球卫星定位系统，既可保证高精度，又可弥补无线电系统抗干扰性差的不足。

虽然此类方法有着良好的效果，但是若要覆盖全球范围进行定位，综合运用成本较高，所以目前还没有被广泛应用。

但采用多种测量方法，特别是无线电和DGPS联合运用，将是位置测量系统的发展方向。

2，控制系统
目前，虽然使用最为广泛的依然是传统的LQG控制，但是智能控制已有取而代之的趋势。

将遗传算法、蚁群算法、动态模糊神经网络、模型预测等新型智能算法应用到动力定位控制系统，并取得了重要的研究成果。

挪威康士伯公司新推出的绿色动力定位控制模式运用了一种新型的智能控制技术——非线性模型预测控制。

该技术在2001年挪威船舶展览会上首次被引入到动力定位系统中。

该控制模式由两部分组成:环境补偿器和模型预测控制器。

环境补偿器是提供一个缓慢变化的推力指令，来补偿一般的环境作用力，使得响应更为缓慢和光滑，对变化环境的反应也更理想；非线性模型预测控制器是通过不断地求解一个精确的船舶非线性动态数学模型，来预测未来船舶的行为以进行控制。

模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位的传统控制器设计更加复杂且更为耗时，主要有3个步骤：(1) 利用非线性船舶模型预测运动；(2) 寻找阶跃响应曲线；(3) 定义和求解计算将使用的“最佳可能”推力的最优化任务。

动力定位船舶在正常作业期间，外部环境的作用力变化不大，船位于工作区边界以内，此时，仅需一个基于QL理论的动力定位最优控制器—EC产生缓慢变化的推力指令来补偿平均环境作用力。

当外部作用力突然发生变化，如阵风等作用时，船舶不会马上作出反应，这样减少了不必要的推力器损耗，但是，一旦模型预测到船舶运动轨迹超出工作区或操作区，非线性模型预测控制器就会迅速产生作用，由这两个控制器联合作用，产生最优的动态推力使预测轨迹尽可能地接近工作区边界，而使船不违反约束边界。

此类控制方法确保了在任何外部条件情况下消耗最低功耗来达到符合精度要求的定位[。

目前国内对模型预测控制在动力定位系统中的研究还停留在线性层面，非线性层面研究才刚刚起步
在最新的控制系统中，一般都存在着多种控制模式来满足不同海况下的不同定位要求。

挪威康士伯公司最新的控制系统中采用3种不同的控制模式：高精度控制模式、放松控制模式和绿色动力定位控制模式来分别适应不同的条件和要求。

一个动力定位控制系统中存在多种控制模式，特别是智能控制模式，在不同情况下都能达到最佳定位是动力定位控制系统的最新发展方向。

3，推力系统
推力系统是动力定位系统的执行机构，其作用是按照控制系统发出的一系列推力指令，形成一个时变的推力系统，以抵消外在的时变环境载荷。

此推力系统包括一个特定方向的水平力和一个艏摇弯矩。

目前，有备份的动力定位系统已经占据主导地位，控制系统和位置测量可进行较简单的备份来解决问题，但是推力系统却不能，因为一旦增加了推进器数量，那么对原系统的推力分配就是颠覆性的，需要重新计算最优解，并且要计算在部分推进器无法工作的情况下依然合理分配推力，推力分配将变得非常复杂。

挪威康士伯等公司的动力定位推力系统的最新技术已解决了此类推力分配问题。

最新的动力定位系统的推力分配除了正常工作时的推力分配，在系统部分受损的情况下，依然能够进行合理的推力分配以达到定位。

推力分配所要解决的问题是如何在要求的响应时间内迅速找到一个最优的控制输入组合以满足期望的控制力和力矩，抵抗外界干扰的影响，保证系统的控制精度。

对于动力定位系统来说，通常将推进器系统燃油的最小消耗作为优化问题的目标，同时综合考虑系统响应速度、控制精度、主机功率等约束，因此推力分配成为解决多约束条件下的最优化问题[6]。

参考文献
[1]马超，庄亚锋，陈俊英. 船舶动力定位系统技术
[2]杜佳璐，王琳，姜传林. 基于逆推方法的非线性船舶航迹跟踪控制
[3]冯欣. 基于Backstepping的船舶动力定位系统控制器设计
[4]余培文，陈辉，刘芙蓉，船舶动力定位系统控制技术的发展与展望[J]中国水运.2009，2
[5]史斌杰，吴喆莹，动力定位系统的最新技术进展分析[J]上海造船.2011，3 据统计，1998 年以来，全球共有28 座新建或更新改造的深水半潜式钻井平台采用了DP-3 级动力定位系统，这些平台的作业水深达1250-3600m.
[6]郑荣才，宋健力，黎琼，吴园园，窦玉宝，船舶动力定位系统[J]中国惯性技术学报.2013，8
SEVAN650上的DP3 系统由以下三大主体组成：
一是动力系统. 该系统包括8 台柴油机组以及若干中高压配电板，四台高中压变压器以及三台UPS. 发电机单台功率5500kW，高压11kV.
二是推进系统. 该系统有8 台大功率全回转推进器组成，位于平台四角，每组两台，单台3800kW. 前后各一主一备，利用大功率推进器使得该平台有了自航的能力，最高航速9kn. 在钻井过程中，通过推进器稳定船舶，从而克服在不良海况中所产生的危险后果.
三是动力控制系统，主要有主DP 控制系统，备用DP 动力控制系统，具体分为计算机系统( computer system)、操作系统( operator system)、位置显示系统( position reference system)，例如2 套DGPS，2 套HPR 以及若干天线等等，探测辅助系统( sensor system)，例如3 套
GYRO，3 套MRU，2 套wind sensor 等等. 主系统和备用系统完全独立，电缆路径和
设备位置都是分开。

2.国内动力定位技术的发展
近年来我国已建或在建的DP 船舶船型有：半潜钻井平台、海洋调查船、海洋监察船、
综合科考船、钻井船、平台供应船、起重打捞船、起重铺管船、半潜船、救生船、布缆船、航标船、多功能工程船等。

深水钻井船动力定位能力分析方法研究（何进辉）
本论文针对深水钻井船的船型特点，围绕动力定位能力分析的三个主要内容：
环境载荷分析方法、
频域分析方法
时域分析方法展开研究工作。

研究难点：
目前，国内在深水钻井船设计与建造上才刚刚起步，还没有有关钻井船动力定位能力
分析方面的论文发表。

与其它船型相比，钻井船具有众多显著的特点，论文研究有很多难点：
1）钻井船上层建筑复杂，相互之间存在遮蔽效应，对风载荷的计算结果有极大的影
响。

目前大多数的做法是采用经验公式进行计算，无法考虑遮蔽效应，计算结果精确性得不到保证。

2）船体有月池开口结构，月池开口对流载荷和波浪载荷的研究国内还没有相关成果，
月池对流载荷和波浪载荷的影响计算尚无成熟理论。

3）在动力定位能力计算方面，虽然国外公司已经开发出成熟的计算软件，但在钻井
船船型适用性方面研究不多，而国内该方面的成果更加十分欠缺。

开发出适用于钻井船且有较高船型适用性的具有高效率的动力定位能力计算软件，是本论文的难点之一。

4）动力定位能力的时域分析，其核心的内容是控制系统和控制理论，在时域分析中
主要通过控制系统的参数组合来实现最优控制，如何通过参数组合形成钻井船动力定位的最优控制是动力定位能力时域分析的一个难点。

基于前面所述的难点，论文的创新性体现在以下方面：1）提出了基于模型试验的改进模块法，可计算具有遮蔽效应的海上结构物的风载荷，
并在此基础上编制了自动计算风载荷软件WindC。

2）研究了月池开口对钻井船波浪载荷的影响规律，提出了具有月池开口的船型波浪
载荷的计算方法，以更加精确的预报钻井船所遭受的波浪载荷。

3）采用FORTRAN 语言，编制了推力器数量不受限制的高效率动力定位计算软件DPA，适用于钻井船的动力定位能力分析，同时该软件也适用于其它形式的动力定位船舶（平台）。

4）通过对SIMO 中的PID 控制器和Kalman 滤波控制器的控制参数组合，研究了能实
现最优控制组合的选择原则，可提高钻井船动力定位能力的时域预报精度。