船舶动力定位关键技术简述.docx

船舶动力定位关键技术简述.docx

《船舶动力定位关键技术简述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《船舶动力定位关键技术简述.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

船舶动力定位关键技术简述

1.动力定位技术背景

1.1国外动力定位技术发展

当前，国际上重要动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。

下面分别简介动力定位系统各个核心构成某些技术发呈现状。

1．动力定位控制系统

1）测量系统

测量系统是指动力定位系统位置参照系统和传感器。

国内外动力定位控制系统生产厂家均依照船舶作业使命选取国内外各专业厂家产品。

位置参照系统重要采用DGPS，水声位置参照系统重要选取超短基线或长基线声呐，微波位置参照系统可选取ArtemisMk4，张紧索位置参照系统可选取LTWMk，激光位置参照系统可选取FanbeamMk4，雷达位置参照系统可选取RADius500X。

罗经、风传感器、运动参照单元等同样选取各专业生产厂家产品。

2）控制技术

20世纪60年代浮现了第一代动力定位产品，该产品采用典型控制理论来设计控制器，普通采用常规PID控制规律，同步为了避免响应高频运动，采用滤波器剔除偏差信号中高频成分。

20世纪70年代中叶，Balchen等提出了一种以当代控制理论为基本控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合动力定位控制办法，即产生了第二代也是应用比较广泛动力定位系统。

近年来浮现第三代动力定位系统采用了智能控制理论和办法，使动力定位控制进一步向智能化方向发展。

智能控制办法重要体当前鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。

年5月份，挪威知名KongsbergSimrad公司初次展出了一项新产品—绿色动力定位系统（GreenDP），将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。

GreenDP控制器由两某些构成：

环境补偿器和模型预测控制器。

环境补偿器设计是为了提供一种缓慢变化推力指令来补偿普通环境作用力；模型预测控制器是通过不断求解一种精准船舶非线性动态数学模型，用以预测船舶预期行为。

模型预测控制算法计算比普通用于动力定位老式控制器设计更加复杂且更为耗时，重要有三个环节：

1.从非线性船舶模型预测运动；2.寻找阶跃响应曲线；3.求解最佳推力。

控制器构造如图所示[1]：

图1.1Green-DP总体控制图

荷兰Marin在20世纪80年代初期即拟定了关于推动器和动力定位研究筹划，并开展了动力定位模型实验，内容涉及：

①推动器和推动器之间互相作用；②推动器和船体之间互相作用；③环境力和船舶低频运动。

研究成果产生了应用于动力定位模仿程序RUNSIM，涉及模仿实验程序DPCON和理论模型计算程序DPSIM。

初步进行了流力、风力、二阶波浪漂移力、推动器力计算，控制系统采用典型PID控制算法[2]和扩展卡尔曼滤波算法，风力采用前馈形式。

同步，Marin还开展了下述工作：

动力定位系统和系泊系统联合使用状况；扩展了动力定位系统在航迹控制方面应用，航迹控制功能现已成为动力定位控制系统基本规定；动力定位设计阶段性能评估、功率需求估算。

普通以为，Marin在动力定位系统实验研究方面已走在世界前沿。

挪威在20世纪90年代做过动力定位方面实验，她们将重点放在控制理论和控制办法上面，在满足李雅普诺夫大范畴渐进稳定基本上，应用当代控制理论办法，采用状态反馈和输出反馈两种形式，设计不同状态观测器，观测速度和干扰，并以此代替卡尔曼滤波，在比例为1：

70船模实验中证明定位效果。

由于系统模型不精准性，以及所受环境力扰动性对船舶动力定位系统稳定性有很大影响，因而在解决稳定性方面存在优势H∞控制理论和鲁棒控制越来越受到了人们关注。

日本九州（Kyushu）大学还在1：

100船模实验中验证了控制成果有效性。

当前，国际上应用得较为成熟动力定位控制系统普通都采用第二代控制办法，而基于第三代控制办法（如自适应模糊控制、自学习模糊控制等）及实时测量和计算二阶波浪慢漂力以提高更高精度动力定位系统研制是一种趋势，世界各国都正在加快研制中。

在国外，有些大学以船舶运动为对象进行进一步控制理论研究。

如麻省理工学院Triantafyllou和Hover所研究船舶运动控制，加州大学Girard、Hedrick等研究协调动力定位理论和实验等。

由美国海洋学会组织国际动力定位年会，近年来刊登文章重要从技术层面出发，研究动力定位系统设计与改进。

，挪威Kongsberg公司Jens-sen刊登“基于模型流预计”和“基于能量最优推力使用”、日本Akishima刊登“深海钻井船‘CHIKYU’动力定位系系统”、美国Prasad、Elgamiel刊登“半潜式平台模型实验”、挪威Kongsberg公司Halyard刊登“综合控制系统改进办法”，都对各自动力定位控制系统研究进行了阐述。

挪威科学与技术大学与挪威Kongsberg公司具备密切联系，每年均有博士生作有关方面理论研究|，每年都邀请Kongsberg公司有关技术人员给学生讲授动力定位方面最新进展。

，Kongsberg公司LoklingOyvind在“动力定位和导航系统产品和开发”一文中提到了动力定位系统规定及将来挑战。

其以为将来挑战有：

在模型预测方面，重要涉及速度、铺管力、起重力、某些未知力干扰预测等；在控制系统方面，重要在于危险作业规定高精度六自度定位，以及能量消耗和推动器损耗，推动器方面推动器布置、推动器限制及影响，推力分派中推动器响应时间、推动器组顺序控制等。

由于网络发展，重要以动力定位为主舰桥集成控制系统研制也是船舶操纵发展趋势。

2．推动系统

用于动力定位船舶推动系统，除常规主推动器和舵外，尚有舵桨推动器、槽道推动器、喷水推动器、全回转推动器等。

国外生产动力定位全回转推动系统厂家重要有英国Rolls-Royce、荷兰Wgrtsilg、德国Schottel和日本川崎。

其中，Roils-Royce是国际上最大全回转推动器生产厂家，全回转推动器功率从900kW到5000kW，可安装在各种船型上；Wartsila、Schottel和川崎也是全回转推动器重要生产厂家，电力驱动可达7000kW，可安装在各种船型上。

3．动力系统

当代船舶自动化限度越来越高，各类达到24h无人机舱规定船舶基本都采用了船舶电站功率管理系统。

船舶电站功率管理系统基本可分为基于主配电板为平台和基于机舱监控系统为平台两种模式。

以机舱监控系统为平台典型代表是Kongsberg公司DC-C20型机舱监控系统中功率管理系统。

1.1.1Kongsberg公司动力定位技术发展

挪威对于动力定位技术摸索始于1975年KongsbergVapenfabrikk（KV）公司一种称为Dynapos工程师小组，此小组原属于国防部门，之后不久转到石油部门，即从属于KV近海分部。

30近年今天，Kongsberg公司已经成为世界最大动力定位系统制造厂商。

Kongsberg动力定位系统重要分为如下两类[3]：

（1）早年采用KV技术Kongsberg500原型系统，即KS500.在20世纪70年代初期，系记录算机是由ForsvaretsForskning和KV研制，是基于晶体管逻辑技术。

（2）几年后浮现了基于单片机系统单一插件计算机（SBC）新技术，KongsbergSimrad运用Intel80186、80286和80386等解决器分别开发了SBC1000、SBC和SBC3000、BC3003。

SBC1000原型机是世界上第一台使用Intel80186微解决器计算机。

Kongsberg公司在1500个动力定位系统开发经验基本上，研制出了KongsbergK-pos系统，如图所示。

图1.2KongsbergK-Pos动力定位操作站

其将动力定位系统鲁棒性、灵活性、功能性与操作简易性上升到了一种新水平。

KongsbergK-Pos涉及了国际海事组织所规定所有级别动力定位系统，以满足不同经济需求和操作需求。

为位置参照系统等传感器提供了广泛接口，使整个系统具备透明性和交互性。

除了拥有种类繁多原则模式和功能，KongsbergK-pos尚有一系列定制功能来辅助某些特定操作。

该系统有一种开发系统构造，因而具备良好结合性。

它可以实现船舶位置和航向高精度保持。

在操作中，系统可以容忍推动器和测量系统瞬态误差。

其适应性扩展卡尔曼滤波器可以预计船舶航向、位置和速度，以及来自于海流和海浪干扰。

预计器使用船舶精准数学模型。

卡尔曼滤波技术使用模型预测和实时测量，为其提供了良好滤波质量、鲁棒性和位置保持特性。

KongsbergK-pos系统基本配备如下。

（1）SDP11（基本系统）和SDP12（集成系统）

图1.3SDP11（基本系统）示意图

图1.4SDP12（集成系统）示意图

（2）SDP21（基本系统）和SDP22（集成系统）

图1.5SDP21（基本系统）示意图

图1.6SDP22（集成系统）示意图

（3）SDP31（基本系统）和SDP32（集成系统）

图1.7SDP31（基本系统）示意图

图1.8SDP32（集成系统）示意图

图1.9L3公司NMS6000

图1.10Kongsberg公司动力定位系统发展

1.2国外动力定位系统应用

船舶动力定位系统最初应用开始于60年代[4]，第一批装有动力定位系统船舶排水量仅为450-1000t。

这些船舶用于钻探、敷设电缆或对水下作业进行水面增援。

第一艘装有自动反馈系统动力定位船是“尤勒卡”号。

1961年，美国壳牌石油公司钻井船Eureka号完毕下水，不久自动控制推动器设备就进行了装船，它是由HowardShatto设计完毕。

这艘船配备了一套最基本类型模仿式控制系统，并和外部一种张紧索参照系统相连。

除了主推动器外，还在船头和船尾加装了易于操纵推动器，船长为40m，排水量为4.5×105kg。

动力定位系统对船体尺寸和形状并没有影响，最明显标志是它装有多台推力器。

在世界上初期动力定位船舶中，最成功也最出名是“格洛马挑战者”号。

该船几乎遍游地球每一种海洋，收集水深不不大于600m处岩心，为地质学上发现特别是为板壳构造理论提供了大量有利证据。

第二代动力定位船舶中，每艘船舶均有其独到之处，但是都采用几乎相似传感元件和数字计算机控制系统，普通都采用计算机构成数字控制器，而位置传感器由单一型发展成综合型，在一种系统中可同步采用声学、张紧索和竖管角三种位置基准传感器。

最具备代表性第二代动力定位船舶是“SEDC0445”号，该船于1971年投入营运，其动力定位系统与初期系统相比，重要特点是采用数字式控制器，涉及一台16位小型计算机，系统各个原件均有冗余，可长期不间断运营，系统在设计时规定能持续作业50d。

“SEDC0445”号也装有多台推力装置，涉及11只辅助推动器和2只主螺旋桨。

自80年代初开始形成第三代动力定位系统，重要采用当时刚开始发展微解决机技术和Mutibus、Vme多总线原则等。

其中典型有Kongsberg公司SDP11系列，Navis公司NavDP4000系列，L3公司NMS6000系列。

这些动力定位系统均具备开放性构造，可以实现船舶位置和航向高精度保持，广泛用于风力发电安装船、溢油回收船、平台供应船、铺管船、辅缆船、挖泥船、打桩船、半潜运送船、钻井平台、打捞船、起重船、无限区化学品船、LNG船等船舶和海洋工程领域。

当前最先进DP可以在2级流、6级风海况下实现0.35m位置定位精度，0.1°艏向保持精度和1m航迹保持精度[5]。

第四代船舶动力定位系统中典型有美国NAUTRONlx公司ASK400O系列、挪威ADP700系列、法国DPS90O系列等动力定位控制台，这些系统均采用高性能微解决机、图形发生器、高速数据通道作为系统控制核心，传感器也从模仿传感器逐渐变成数字传感器。

船舶定位控制是在不断壮大石油和天然气勘探作业以及舰船作业需要背景下于20世纪60年代初期产生，当前己经迅速发展为