船舶动力定位海洋环境风力扰动仿真_李文华

1
引言
船舶动力定位技术是指在不借助锚泊系统的情况下， 使
随着水深增加而增加、 避免破坏海床、 机动性强、 操作简便、 定位精度高等， 被广泛应用于海洋石油钻井平台以及打捞救 助船、 工程供应船、 消防船等各种船舶上， 是维持海洋浮式作 业平台和船舶正常工作的关键 。近年来， 随着海洋开发不断 动力定位技术对海洋开发和国防建设具 向着远海深海扩展， 受到广泛关注 有越来越重要的现实意义，
— 155 —

计算风力、 风力矩及系数最精确的方式是进行风洞实 验， 但该方法费时费力、 花费大， 因此一般采用经验公式或数 9］选择的 50 条不同 值方法来进行估算。 本文采用的是文献［ 船型的船舶实验资料数据作为回归样本，其中包括了各类 商船型及一些特殊工作船型， 采用船舶正向投影面积 A T 、 船 舶侧向投影面积 A L 、 船舶总长 L、 船舶侧投影面积中心到船 船宽 B 这 5 个易于得到的基本船型系数， 进行逐 艏之距离 C、 步回归分析， 得到了一种精度更高的计算公式， 分别为：
时间测量中获得的均值， 并随距海面的距离减少而降低， 而 扰动风 速 V gi （ t） 是 随 机 的， 跟海面的距离大致是恒定的 值
［7 ］
。
风速都是在固定的高度上进行测量的， 风速的垂直分布 规律有两种描述方法： 幂规律和对数规律。 常用的是对数规 珔 （ z） 可表示为［7］ ： 即在高度 z 处测量的平均风速 V 律， 珔 V （ z） 5 z = κ ln 珔 V 2 槡 z0 10 z0 = 10exp（ － 其中， 2 5槡 κ （ 4）
珔 ）；V 10 为在 10 m 海拔高度处每小
时的平均风速； κ 为海面表面阻力系数， 取 0 ． 0026 。
2
船舶动力定位系统数学模型
为描述船舶的运动情况， 引入两种坐标系： X E O E Y E 为大
扰动风速通常与波浪一样以频谱的方式来描述， 风谱有 以下两种类型
［7 ］
：
O E Y E 轴指向正东； X B O B Y B 为 其 O E X E 轴指向正北， 地坐标系， OB YB 原点在船舶重心处的随船坐标系， 其 O B X B 轴指向船艏， 轴指向右舷； XY 平面与静水面重合， 如图 1 所示
对于水面动力定位的船舶， 由于风、 波浪和海流的作用， 会产生纵荡、 横荡和艏摇三自由度运动， 动力定位系统就是 为了克服海洋环境的扰动来控制船舶的平面运动 。 海上环 境干扰因素中最普遍的是风 。 海面上的风不仅是产生海浪 的主要原因， 而且它还直接作用到船舶水线以上主船体和上
— 154 —
层建筑， 可以引起船舶的横倾、 偏航等不良运动， 对船舶姿态 有着重要的影响。 因此， 在动力定位系统设计时， 必须考虑 风引起的动态载荷对船舶运动的影响 。 本文建立海洋环境 风力扰动的数学模型， 并基于 MATLAB / Simulink 建立海洋 环境风力扰动仿真平台， 可模拟在任何风速和风向的海洋环 境下风力扰动对船舶的作用力和力矩， 可用于船舶动力定位 以及船舶运动控制和动力定位 系统控制器设计的仿真验证， 系统模拟器的仿真研究等， 具有很好的通用性、 实时性和逼 真性， 以提高船舶动力定位控制系统在各种海洋环境下的可 靠性和鲁棒性。
（ 1） （ 2）
+ Dυ r = τ wave2 + τ wind + τ Mυ R 为旋转矩阵， 式中， 被定义为 R （ ψ） =
[
cosψ sinψ 0
－ sinψ 0 cosψ 0 0 1
]
（ 3）
M 为包含附加质量的惯性矩阵； D 为线性阻尼阵； υ r 为考 虑了海流作用的船舶对海流的相对速度向量； τ wave2 、 τ wind 、 τ 分别表示波浪、 风和推进器作用于船舶的力 / 力矩向量。 2． 2
Simulation of Wind Disturbances for Ship Dynamic Positioningin Marine Environment
LI Wen － hua1 ， SONG Jian1 ， DU Jia － lu2 ， CHEN Hai － quan1
（ 1． College of Marine Engineering，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026 ，China； 2． College of Information Science and Technology，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026 ，China） ABSTRACT： The effect of marine environment on the vessel dynamic positioning （ DP） systems is the foundation of performing control law design and the necessary step． In order to effectively calculate the forces and moments acted on the DP vessels by marine environment，the paper built the mathematical model of the wind environmental disturbances． By means of Harris wind gust spectrum and a new method to calculate wind force / torque coefficients， based on a simulation platform for the wind disturbance was set up， which can be used in any wind speed the Matlab / Simulink， and any wind angle． Furthermore，a simulation based on a supply ship is carried out with different rated values for both wind speed and wind angle，and the effect of wind disturbances forces and moments on the ship was researched． The results show that this simulation strategy is both correct and effective． This simulation platform can be used for simulation，testing and verification of the design of dynamic positioning systems controller，and has good versatility， real － time simulation and verisimilitude． KEYWORDS： Ship； Dynamic positioning system； Wind disturbances； Spectrum； Wind force coefficients calculation
1 2 ρ V C （ γ ） A L （ N ·m ） 2 a rw N rw L
3 式中， ρ a 为空气密度， 单位为 kg / m ； V rw 为相对风速， 单位为
2． 1
风的时域仿真
［6 ］
C Y （ γ rw ） 和 C N （ γ rw ） 分别为 X， Y 方向的风力系 节； C X （ γ rw ） 、 数及绕 Z 轴的风力矩系数； γ rw 为相对风舷角； A T 和 A L 为船舶
第 29 卷
第 11 期
计
算
机
仿
真
2012 年 11 月
文章编号： 1006 － 9348 （ 2012 ） 11 － 0154 － 04
船舶动力定位海洋环境风力扰动仿真
1 李文华 ， 宋 1 2 1 健 ， 杜佳璐 ， 陈海泉
（ 1． 大连海事大学轮机工程学院， 辽宁 大连 116026 ； 2． 大连海事大学信息科学技术学院， 辽宁 大连 116026 ） 摘要： 在海洋环境对船舶动力定位系统影响的研究中， 动力定位系统控制器的优化设计， 可保证船舶控制系统的稳定性和跟 建立风力扰动的数学模型， 根据 Harris 风速变动功率谱和一种 踪精度。为了有效地量化风力扰动对动力定位船舶的影响， 基于 Matlab 软件平台建立关于风力扰动的仿真平台， 可应用于模拟任意风速和风向条件下的海洋 新型风压系数计算方法， 环境对动力定位船舶的风扰动力和力矩 。以一艘供给船为例， 设定不同的风速、 风向角值， 在所建立仿真平台上进行仿真计 算， 仿真结果证明风力扰动建模策略的有效性， 仿真平台可用于船舶动力定位系统控制器设计的仿真验证， 具有很好的通用 性、 实时性和逼真性。 关键词： 船舶； 动力定位系统； 风力扰动； 功率谱； 风压系数计算 中图分类号： TP391． 9 文献标识码： B
珔 V（ z， t） = V （ z） + 风力和风力矩的计算
∑V
i =1
gi
（ t）
（ 7）
动力定位系统一般采用前馈控制的方式来抵消风作用 对于水面动力定位的船舶， 只考虑风对船舶纵荡、 力的影响。 横荡和艏摇三个自由度方向上的平均作用力和力矩， 将其表 示成矢量形式如下
［8 ］
： （ 8）
T w wind = ［ X wind ， Y wind ， N wind］
式中， 作用在船体上的平均风力和力矩可用下式计算： X wind = Y wind = N wind =
图1 大地坐标系与随船坐标系
1 2 ρ V C （ γ ） A （ N） 2 a rw X rw T 1 2 ρ V C （ γ ） A （ N） 2 a rw Y rw L
（ 9） （ 10 ） （ 11 ）
2 水线以上的正投影面积和侧投影面积， 单位均为 m ； L 为船
风的随机变化， 可以看成是一个稳定值和一个时变值的 t） 通常可分为平均风速 叠加 。 因此， 在 t 时刻的风速 V（ z， 珔 珔 V （ z） 和扰动风速（ V gi （ t） ） 两个分量， （ z） 是一段 平均风速 V
舶总长， 单位为 m。
T T ［4 ］
1 ） Harris 频谱： 基于陆地上的测量数据而获得； 2 ） NORSOK 频谱： 基于北海（ North sea） 的测量数据而获 得。 通常采用 Harris 频谱来获得风速变动的功率谱密度： 珔 4 κLV 10 S（ f） = （ 5） 5 （2 +珓 f2 ） 6 Lf 珓 f = ； L 为标度长度， 其中， 取 1800 ； f 为频率， 单位 Hz。 珔 V 10 根据谱密度的定义， 扰动风速的变动的时域变量 V gi （ t） 可表示为： V gi （ t） = 槡 2 S（ f i ） Δf i cos（ 2 πf i t + φ i ） （ 6） f i 为频率； Δf i 为频率间隔； φ i 为均匀分布的相位 其中， 角。 t） 可以通过把在 t 时刻的 在 t 时刻高度 z 处的风速 V（ z， 即： 扰动风速和在高度 z 处的平均风速叠加起来，
N
。 位置向量
x， y， y） 和艏摇 η =［ ψ］ 定义大地坐标系下的船舶位置（ x， u， v， r］ 定义随船坐标系 X B O B Y B 下的船 速度向量 υ = ［ 角 ψ， 舶纵荡、 横荡和艏摇角速度， 则动力定位水面船舶的非线性 数学模型通常描述为
［5 ］
。 = R （ ψ） υ η
［2 － 3 ］
浪、 流等外界扰动的影响， 船舶利用自身的推进装置抵御风 、 以一定的姿态保持在海面某目标位置或精确地跟踪某一给 定轨迹， 以完成各种作业功能
［1 ］
。它的优点是定位成本不会
。
51109021 ） ； 交通部 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51079013 ， 应用基础研究项目 （ 2012 － 329 － 225 － 070 ） ； 辽宁省教育 厅高等学校科研资助项目（ LT2010013 ） ； 中央高校基本科 研业务费专项资金资助项目（ 2011QN109 ） 收稿日期： 2011 － 12 － 09 修回日期： 2012 － 02 － 03