船舶动力定位系统控制技术的发展与展望
时间：2020-12-18 12:11:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：随着人类对深海的不断开发，动力定位系统在海上平台、海上作业船舶、军用舰船及水下潜器中的应用也越来越广泛。本文首先分析了动力定位系统的组成和其工作原理，接着简要叙述了船舶动力定位系统控制技术的发展历程，之后介绍了一些常用的动力定位系统控制技术，最后展望了动力定位系统控制技术的相关热点发展情况。
关键词：动力定位；船舶；控制技术
随着人们对海洋经济的发展，海洋资源的应用范围也越来越广泛。复杂多变的深海环境，对定位精度也提出了越来越高的要求。导致传统的锚泊系统无法满足如今的定位精度要求，而近些年开发的船舶动力定位系统能准确地保持相关位置及航迹，因此已被越来越广泛地应用到海洋工程中，而相关船舶动力定位系统控制技术的应用也越来越关键。为此，本文进行了如下探究。
1 动力定位系统的组成结构及其工作原理
1.1 有关结构
动力定位系统主要由以下系统组成：即位置测量、控制及推力三大系统。测量系统是一种传感器系统，它可以准确测量环境及船舶运动的相关参数。控制系统具有处理由测量系统检获得的信息的功能，从而得出推进器控制信号，实现对推进器的控制，进而保证动力定位船舶在相关外力的推进下，朝向预订的航行位置行驶。
1.2 有关工作原理
动力定位系统基于测量系统测出的信息，对船舶的实际位置艏向与设计数值进行比较分析，基于得出的偏差，控制系统可以计算出推力，进而对推力进行合理分配。通过控制系统的调控，船舶可以抵抗各类力矩的影响，从而保证船舶的航向及位置。如图1所示为动力定位系统的工作原理。动力定位系统的控制策略是根据其工作原理制定的，它可以同时兼顾能耗、控制精度和响应速度。
2 动力定位系统控制技术的发展概况
在上世纪60年代，船舶动力定位系统被首次使用。钻井船“Eureka”号是第一艘动力定位系统船舶，它是基于自动控制原理进行设计的。该船的动力定位模拟系统连接着外界张紧索系统。除了主推力系统之外，该船在船的首、尾都安装了侧推力系统，此外在其船身底部，配备安装了推进器多台。而第二代动力定位系统则始于上世纪70年代，系统采用先进的kalman滤波控制技术，使相关基准传感器能够同时运行使用，在长时间连续性运行方面具有优势。而第三代动力定位系统始于上世纪80年代。系统采用微机技术及多种线标准控制系统。代表性系统有AD-P100、AD-P503及DPS800等。但是，中国对定力定位系统的研究相对滞后，其研究主要集中在科研单位和相关高校。“大洋一号”科考船是中国自主研发制造的首艘装有动力定位系统的船舶。
3 介绍常用的动力定位系统控制技术
3.1 PID控制技术
PID控制技术代表着早期动力定位控制技术，基于PID控制技术，可以实现对船舶的横荡、纵荡及艏摇的控制。通过分析比较得出的位置与艏向的偏差，进行推力大小的计算，进而使推力分配逻辑得以确定，最后推力形成，实现对船舶的定位。目前，这种PID控制技术已经成熟，它具有价格相对较低、应用范围广及操作方便等特点，所以该种技术在早期船舶动力定位中得到了广泛的应用。而现今船舶的动力定位系统要求更高的控制精度和更快的航行速度，致使该技术已逐渐被淘汰。如图2所示为PID控制技术的工作原理。
3.2 LQG控制技术
LQG控制技术类型为线性二次高斯型，主要采用卡尔曼滤波等最优控制技术，已经在第二代动力定位系统中得以广泛的应用。在进行定位控制中，通过该技术，可以使滤波形成的滞后问题得以解决，相较于PID控制技术，该控制技术的节能、安全及鲁棒性能更加优异。而且，现在动力定位系统普遍采用LQG控制技术，其响应速度和控制精度均能满足系统要求。
3.3 模型参考自适应控制技术
为了提高控制系统的控制精度、改善其鲁棒性能。目前，很多学者基于自适应控制，研究了动力定位系统。模型参考自适应控制是具有代表性的控制技术，存在两种自适应律设计方法：局部参数最优法；稳定性理论法。局部参数最优方法的稳定性不高。稳定性理论方法能使控制器自适应的稳定得以确保。因此，设计动力定位控制器使，人們常常采用稳定性理论方法。该控制系统包括外环和内环两个环路。外环负责对控制器参数进行调整；内环由被控对象及控制器组成，它是一种反馈回路。模型参考自适应系统具有自适应快、实现方便的优点，但是没有记忆能力。
3.4 反步法
反步法是基于由前往后递推进行设计的方法。反步法的原理为：先将复杂的非线性系统划分为子系统，再在每个子系统中，设计中间虚拟控制量和李亚普诺夫函数，并“后退”经过整个系统，集成它们后，整个控制律设计便完成了。通过缩小实际轨迹和设定轨迹的偏差，反步法可以全局调节或跟踪系统，从而使系统的性能指标达到期望值。反步法中的虚拟控制是一种静态补偿，通过虚拟控制后面子系统，前面的子系统才能实现镇定控制。因此，构造合理的虚拟控制器是反步法设计中最为关键的步骤。而且，在高阶非线性控制方面，反步法具有突出的优势。
3.5 模糊控制技术
在一定程度上，模糊控制模仿了人类智能的推理方式，它能有效解决非线性及不确定性等各类不适定问题。基于船舶动力定位自身的特点，模糊控制技术非常适合在船舶动力定位中使用。基于模糊控制动力定位，构造了基本的船舶动力定位模型，控制器的输入量采用位置间的偏差值，输出量采用推进器的推进力。但是，常常预先就确定了控制策略，因此，一旦环境发生变化，将导致控制效果降低。所以，模糊控制必须引入自我调节功能，能针对外界的干扰情况，在系统的运动过程中实现对控制策略的自动调整。模糊控制有很多优点：比如优异的鲁棒性能、不依靠精确的对象数学模型、较快的响应速度和极强的抗干扰能力等。但是，模糊控制技术一般不具备自适应及自学习功能。
3.6 神经网络控制技术
神经网络模拟了生物神经网络，它是智能控制系统的一个重要组成部分，对于高度非线性及不确定性的对象较为适合。因此，动力定位控制设计中常常采用神经网络控制技术。神经网络具有很强的容错能力，同时也具备自适应学习能力。但是，在基于规则的知识表达方面，神经网络控制技术显得不太适合。
4 展望动力定位系统控制技术的热点
有关文献显示，今后人们在研究开发动力定位系统控制技术的过程中，将会主要关注以下几方面的热点：准确预测二阶波浪力，并及时进行快速补偿；集成多种智能控制方法，并引进更高精度的控制算法；在全面管理能量的基础上，优化推力分配；解决极端海况下欠驱动的问题等。除了以上非正常状态下的有关动力定位控制技术热点，以后人们对动力定位系统控制技术的研究，也将会广泛关注对新型组合式的控制系统设计，使各自控制方法的优点得以发挥，同时能使单一控制方法的缺点得以弥补改进。
5 结语
综上所述，作为一种先进的海上定位技术，与传统的旧式锚泊相比，船舶动力定位控制技术具有更准确的定位功能及更好的机动性，而且不会受到海水深度的限制。其方便快捷的投入撤离优势，在中国海洋资源的开发及，现代化海军的组建方面发挥着重要的作用。所以，需要加强对船舶动力定位系统控制技术的研究力度，并重点开展实用方面的研究，以便接近国外先进水平。
参考文献
[1]郑荣才，吴园园，窦玉宝，等.船舶动力定位系统研究[C]// 惯性技术发展动态发展方向研讨会文集——新世纪惯性技术在国民经济中的应用.2012.
[2]郑荣才，宋健力，黎琼，等.船舶动力定位系统[J].中国惯性技术学报，2013（4）：495-499.
[3]赵桁，刘汉明.船舶动力定位系统研究的现状和发展[C]// 中国国际救捞论坛.2010.
（作者单位：太平洋海洋工程（珠海）有限公司）
