開題報告

電氣工程及自動化

船舶動力定位控制技術(shù)研究

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

船舶在海上運行時會遇到風、海浪和海流等海洋環(huán)境的干擾，這樣船舶就產(chǎn)生了受擾運動。例如科學考察船在海上進行作業(yè)時，需要停在指定的位置上。但是由于海上環(huán)境的影響，考察船不能一直停在指定的位置上。因此為了確保船舶在海上運作的穩(wěn)定性，需要對船舶進行定位。以往，傳統(tǒng)的定位方法是錨泊定位。傳統(tǒng)的拋錨定位是將錨扔入海底，利用錨鉤住海底的淤泥，從而使船舶抵抗受到的外界的干擾力。拋錨定位它的優(yōu)點是，錨是任何船舶上都會備有的定位設(shè)備，從而不用另外加裝其他的定位設(shè)備。但是這種定位系統(tǒng)有不可避免的缺陷：1、定位不夠準確，其精確性與水深成反比；2、拋錨、起錨費時比較麻煩，機動性能差。一旦拋錨，如果需要重新定位時，需要收錨然后重新拋錨定位，這一過程本身就很繁瑣和費時。3、錨泊系統(tǒng)很容易受海底情況及水深的影響和限制，在一般情況下，它的有效定位的范圍是在水深100米左右的區(qū)域。4、對于一些需要在深海作業(yè)或者航行的船舶，隨著水深的增加，錨泊系統(tǒng)的抓底力會逐漸減小，拋錨的困難程度也會增加，同時還要增加錨鏈的長度和加強強度，從而導致錨鏈的重量一下增大，使海上的布鏈作業(yè)將變得復雜。此外，錨鏈的價格和安裝費用也會猛烈增加。在實際情況下，當水深達到一定的深度時，多點錨泊系統(tǒng)已經(jīng)沒有多大的用處。

而船舶動力定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)的定位不同，它不需要借助錨泊系統(tǒng)定位，而是通過測量系統(tǒng)檢測出船舶的實際位置與所需要的目標位置的偏差，然后再根據(jù)外部環(huán)境擾動力的影響來計算出使船舶恢復到目標位置時需要的推力大小，再通過控制船舶上的推力器進行推理分配，從而使推力器產(chǎn)生相對應的推力，盡可能地使船保持在要求的位置上。動力定位系統(tǒng)的特點是不受海水深度的影響，推力器能在任何水深下提供推力抵抗環(huán)境力，動力定位系統(tǒng)的定位成本不會隨著水深的增加而增加，同時它具有定位迅速準確，快速響應天氣環(huán)境的變化和不受海洋環(huán)境的影響等優(yōu)點。由此看來，相比于傳統(tǒng)的錨泊定位，動力定位有很大的優(yōu)勢，尤其適用于深海領(lǐng)域。因此對動力定位的研究具有重要的意義。

動力定位系統(tǒng)（Dynamic

Positioning

System）是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，它是通過推力器來提供抵抗風、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使船盡可能地保持在海平面上要求的位置上，其定位成本不會隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便。

隨著動力定位技術(shù)的發(fā)展，動力定位的概念也在擴大。采用動力定位技術(shù)，可以使船舶與其他船只保持相對位置不變，使船舶按預定軌跡移位，按預定計劃航線以預定航速航行，實現(xiàn)船舶自動駕駛，對水下目標進行自動跟蹤等。動力定位控制系統(tǒng)的工作原理如下：該系統(tǒng)由DP控制和JS控制組成。其中DP控制是自動控制而JS控制是人為手動控制。其中風速風向儀、差分GPS、電羅經(jīng)和參考垂直單元等用來測量位置和外部環(huán)境信息，然后將這些信息經(jīng)過信息采集單元的收集和處理傳送給DP控制主電腦進行計算，再將計算的結(jié)果傳送給信號處理單元，接著輸出到控制轉(zhuǎn)換單元來控制推進器等設(shè)備來產(chǎn)生推力。其中的推進設(shè)備中的主發(fā)1、主發(fā)2、主發(fā)3是三臺柴油發(fā)電機。母聯(lián)1和母聯(lián)2分別是主配電板和配電板。通過船舶的功率管理系統(tǒng)即PMS管理輸出控制信號來驅(qū)動這三臺柴油發(fā)電機供電開關(guān)、主配電板和配電板的開關(guān)使相應功率提供得到保障。JS控制是人為通過輸入?yún)?shù)來控制。

通常研究船舶在海上的運動需要建立運動模型。由于海流、風和波浪的作用，導致船在海上航行或者作業(yè)時會產(chǎn)生六個自由度的運動。通常對于在海上環(huán)境作用下的水面動力定位船舶，動力定位系統(tǒng)是用來控制船舶的縱蕩（X向）、橫蕩（Y向）和艏搖的平面運動。

動力定位船舶數(shù)學模型由兩部分組成：第一部分低頻運動（小于0.5rad/s），動力定位系統(tǒng)僅僅控制的這部分運動是由海流、風和二階波浪引起的運動，這樣做的好處是減少控制所需的能量和推力器的磨損，還有降低設(shè)備的制造成本；第二部分是由一級波浪引起的高頻運動（0.3~1.6rad/s），由于這部分運動造成船舶的振蕩，不會造成船舶的位移，因此這部分運動不反饋給控制系統(tǒng)，控制器也不控制這部分運動。船舶的總運動是由這兩部分迭加而成。

船舶動力定位系統(tǒng)最早開始使用是從20世紀60年代和70年代初。而率先使用動力定位系統(tǒng)的船是用于鋪設(shè)電纜，勘探或是對水下的作業(yè)進行一定的水面支援，并且船的排量大概是450—1000噸?！蔼q勒卡”號是第一艘裝有動力定位系統(tǒng)的船舶。動力定位系統(tǒng)最明顯的特點是它一般都裝有好幾臺推力器，但是并不會影響船體的形狀和尺寸。在早期的裝有動力定位系統(tǒng)船舶中，最出名同時也是最成功的是“格洛馬挑戰(zhàn)者”號。這艘船差不多游遍了世界的每一個海洋，在水深超過2000英尺的海洋中收集巖心，這些巖心為地質(zhì)學上的發(fā)現(xiàn)特別是為板殼結(jié)構(gòu)理論提供了非常有利的證據(jù)。

在第二代裝有動力定位系統(tǒng)的船舶中，雖然每艘船舶都有一些不同之處，但是都采用了差不多相同的傳感器和數(shù)字計算機控制系統(tǒng)，數(shù)字控制器一般都是有計算機組成的，而位置傳感器是從單一型發(fā)展到綜合型的，在一個系統(tǒng)中可以同時采用豎管角、聲學和張緊索這三種位置基準傳感器。第二代動力定位船舶中最具有代表性的船舶是“賽德柯445”，該船是在1971年投入運營的，與早期的動力定位系統(tǒng)相比，它的主要的特點是采用了數(shù)字式的控制器，其中包括了一臺16位小型計算機，系統(tǒng)可以長期不間斷的運行。同時該船還裝有多臺推力裝置，其中有2個主螺旋槳與11個輔助推進器。

第三代動力定位系統(tǒng)開始形成于80年代初，當時主要采用的是剛開始發(fā)展起來的微處理機技術(shù)和Vme、Mutibus多總線標準等，其中典型的有法國的DPS800、挪威的ADP100、ADP503系列，這些動力定位系統(tǒng)裝備了潛水支持船、海洋三用工作船、科學考察船、穿梭油船、消防船、電纜敷設(shè)船等多種船舶。

我國從70年代開始研究動力定位技術(shù)，目前有很多研究單位通過結(jié)合實際課題并且開展了技術(shù)攻關(guān)。例如，我國唯一的專門從事國際海底區(qū)域資源勘察研究開發(fā)的“大洋一號”遠洋科學考察船，該船已經(jīng)達到了國際先進水平。2002年，該船進行了動力定位系統(tǒng)，用以科學考察船在海上的作業(yè)需求。

由于推進技術(shù)、傳感器和計算機技術(shù)的發(fā)展使動力定位系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的進步，然而動力定位技術(shù)的核心是控制技術(shù)，因此控制技術(shù)的發(fā)展才真正代表了動力定位技術(shù)的發(fā)展水平。到目前為止，動力定位控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代，這三代動力控制技術(shù)的特點分別是經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論在動力定位控制技術(shù)中的應用。以下是幾種控制技術(shù)的介紹：

1、PID控制

PID控制是早期的動力定位控制技術(shù)，它控制船舶的三個自由度，分別是縱蕩、艏搖和橫蕩。PID控制采用風前饋技術(shù)，根據(jù)艏向和位置的偏差來計算推力大小，然后確定推力的分配邏輯并控制推力器產(chǎn)生推力，從而實現(xiàn)船舶的定位。在早期不得不說PID控制確實取得很大的成功。但是PID控制

還是有不可避免的缺陷，首先，PID控制使用的是一種線性模型，而動力定位系統(tǒng)是一種非線性系統(tǒng)，因此PID控制的功效就有一定的局限性。此外，由于海上的環(huán)境情況是不斷變化的，因此對PID參數(shù)的選擇也要隨之變動。這也促使了動力定位控制技術(shù)要進一步的發(fā)展[6]。

2、LQG控制

第二代動力定位控制技術(shù)是LQG控制，該技術(shù)在現(xiàn)代的船舶應用十分廣泛，它將Kalman濾波引入到動力定位的控制中，通過Kalman濾波器測量船舶的位置信息，然后估算出其低頻運動狀態(tài)，并將之反饋形成針對船舶低頻運動的線性隨機最優(yōu)控制。LQG控制在魯棒性、節(jié)能和安全上較PID控制都有較大的進步，同時還解決了在控制中由于濾波而導致的相位滯后的問題。但是也有一些缺點：一是它的計算工作量比較大；二是由于模型不夠精確導致有一定的誤差產(chǎn)生。

3、模糊控制

模糊控制是一種新型的控制技術(shù)，它與傳統(tǒng)的控制技術(shù)有一定的區(qū)別。模糊控制可以不依賴于對象的精確模型，魯棒性好，響應速度快，抗干擾能力強?？紤]到船舶動力定位的特點，模糊控制技術(shù)還是比較適合的。Inoue最初在單點系泊中結(jié)合了模糊控制動力定位，給出了其基本的模型，控制器的輸入量是位置及位置偏差，輸出量是推進力。但是模糊控制缺乏自適應與自學習的能力導致其控制策略都是提前設(shè)定好的，一旦海上情況發(fā)生變化，控制的效果將不會很理想。因此在模糊控制中加入自我調(diào)節(jié)功能，這樣能提高模糊控制在外部條件發(fā)生變化時能自動調(diào)整控制策略。

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制一樣，都屬于智能控制。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制比較適合高度非線性和不確定性的對象，所以還是比較適合作為動力定位控制技術(shù)來使用。Yip和Pao為了證明用船的軌跡可以導出漂移力的基礎(chǔ)上提出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，并把它應用到動力定位系統(tǒng)中。做法如下：將一段時間歷程的控制力及船的平均位置作為輸入，通過一個循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習船的漂移動力學關(guān)系，以此來預測為使船在下一時刻與預定位置誤差最小所需的控制力。值得注意的是控制力也包括下一時刻將要受到的波浪漂力。

總

結(jié)：船舶動力定位技術(shù)作為一種新型的海上定位技術(shù)，相比傳統(tǒng)的定位技術(shù)，它具有快速定位，定位的區(qū)域不會隨著水深的增加而受到限制，受海上環(huán)境及天氣的影響較小。除此之外，動力定位的費用也不會隨著水深的增加而提高。由于動力定位技術(shù)的優(yōu)越性，這種定位方法已經(jīng)應用到很多的船舶，例如，客船、貨船、挖泥船、海纜船等需要在海上需要作業(yè)的船舶。動力定位技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)也變的越來越先進。而控制技術(shù)作為其核心部分，也得到了快速的發(fā)展。從早期的經(jīng)典理論到現(xiàn)在的智能控制理論，控制技術(shù)也朝著越來越智能化的道路發(fā)展以便船舶能更好地適應海洋上復雜多變的環(huán)境。模糊控制技術(shù)作為智能控制技術(shù)的一種，它的特點是不依賴于對象的精確模型，魯棒性好，響應速度快，抗干擾能力強。模糊控制比PID控制更適合動力定位控制技術(shù)。近幾年我國動力定位控制技術(shù)發(fā)展很快，但跟國外的動力定位控制技術(shù)還有差距。而且我國很多的動力定位控制技術(shù)還停留在理論仿真和實驗研究的狀態(tài)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，動力定位控制技術(shù)的精度和穩(wěn)定性將有更好地提升。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

（1）了解現(xiàn)行船舶動力定位控制的技術(shù)

（2）分析相關(guān)的船舶機動力定位控制的技術(shù)

（3）比較和分析動力定位控制中的PID控制與模糊控制

（4）制定一套比較適合現(xiàn)在船舶的動力定位控制技術(shù)

（5）得出相關(guān)結(jié)論

措施：圖書館查找相關(guān)的書籍、期刊、雜志等，通過上網(wǎng)尋找相關(guān)的一些資料，查看當代對該技術(shù)的研究成果和最新的動態(tài)。然后通過對這些資料的學習和研究進一步的熟悉和理解設(shè)計所需的相關(guān)知識。在設(shè)計過程中及時與指導老師探討，對不了解的問題及時向老師請教。

四、參考文獻

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