船舶动力定位系统及其控制技术

为使船舶或作业平台在海上航行或作业时更好地保持航迹或稳定在某一工作水域范围内,对船舶的定位精度提出更高的要求。阐述船舶动力定位系统的定义、组成、工作原理、研究状况及其数学模型等,指出控制技术的快速发展和智能化,使其在动力定位系统中的应用越来越广泛;分析几种不同时期基于不同控制技术的船舶动力定位控制器的原理,阐述船舶动力定位系统未来的发展趋势,从而对今后的研究起到一定的参考作用。     

船舶动力定位关键技术研究综述

船舶动力定位系统能够有效解决海洋环境复杂多变导致船舶难以安全进行海上定点作业的问题,使海上定位操作船舶具有不受水深限制、快速投入或撤离作业点的优势,提高船舶的机动性和精确性。本文首先介绍船舶动力定位系统的结构组成和工作原理;而后总结归纳国内外关于船舶动力定位系统所涉及的几个关键技术研究现状,包括控制系统控制器设计、推力系统推力分配算法、测量系统滤波与数据融合技术;最后,讨论船舶动力定位几个关键技术的发展趋势。     

船舶动力定位系统的自适应控制研究

船舶和海上作业平台在海上特定位置工作时,必须具有较高的定位精度,锚泊式船舶定位受到锚链长度和锚钩抓地作用力的影响,在干扰作用力(海浪、海风和洋流等)作用下,定位精度不高。船舶的动力定位系统包括测量模块、动力分配模块、控制模块等,通过控制器分配船舶自身的动力,使干扰作用力和自身推进力相抵消,提高船舶或海上作业平台的定位精度。本文针对船舶的动力定位系统的定位原理,通过建立干扰力模型和船舶运动模型,设计了一种基于自适应模型控制技术的动力定位控制器。该控制器相对于传统控制器具有更高的控制精度和更短的效应时间,并在实际应用中取得了良好的效果。     

神经网络在船舶动力定位模拟器控制系统中的应用

随着近海资源日渐枯竭,远洋自然资源的开发和利用技术成为了研究热点。远洋水域深度较大,船舶在采用传统的锚泊式定位时会发生走锚等问题,因此,必须采用动力定位技术。船舶动力定位系统由位置测量、控制器和推进器3部分组成,可以实现精准可靠的海上定位,对船舶和海上作业平台有重要意义。动力定位模拟器是船员进行动力系统操作培训的重要设备,本文结合神经网络算法和相应的数学模型,设计和开发了船舶动力定位模拟器的控制系统。     

基于模糊控制理论的船舶动力定位试验平台设计

动力定位是指船舶利用推进器和螺旋桨等产生作用力,在控制系统的指令下抵消海上干扰因素的作用力和力矩,使船舶或作业平台悬停在海域内某特定位置,在远洋勘测、海上补给等方面有重要的应用。模糊控制是一种有效的自适应控制技术,本文建立了船舶的运动学模型,并基于自适应模糊控制理论设计和开发了一种船舶动力定位试验平台,对试验平台的动力定位原理和结构进行详细介绍。本研究对改善船舶的动力定位系统,提高船舶的稳定性有重要价值。     

GEC船舶动力定位系统

近年来,随着海上石油开发及海上作业的发展,需要动力定位的船舶也愈来愈多。英国 GEC 公司在钻井取芯船“Wimpey sealab”和半潜平台“Uncle John”等船上也装上了动力定位。本文介绍了该公司的动力定位系统基本原理、控制系统、主要设备、操纵方式及用途,着重介绍了 GEC 公司所采用的船舶定位方法——声学定位、张紧绳定位、无线电定位。     

广义卡尔曼算法在船舶动力定位系统辨识中的应用

进入21世纪,人们在海洋开发方面给予了高度重视,使得海洋开发范围逐渐拓展。其中,动力定位系统具体指的就是海上漂浮物依靠自身动力,接受控制系统指令对外界干扰加以抵抗并确保船舶亦或是海洋平台始终以同一姿态停留于空间某定点位置。将动力定位系统应用于海底勘探、海底矿物质采集与海洋石油开发等海洋工程活动中,可以提供多元化的服务。自动力定位技术成功研发并应用于动力定位系统后,船舶动力定位系统在辨识方面的需求不断提高,本文将广义卡尔曼算法应用其中,不仅可以有效改善系统功能,同样可以充分发挥船舶动力定位系统作用。     

船舶动力定位系统的数学建模和定位控制器仿真研究

传统船舶动力定位系统控制器,更注重定位的鲁棒性,忽略了外界因素对船舶动力系统定位的干扰,导致船舶定位控制器抗干扰能力弱,因此针对这一问题,提出船舶动力定位系统的数学建模和定位控制器仿真研究。考虑船舶运动状态及其运动过程中受到的影响因素,建立船舶动力定位系统数学模型;采用内部扰动处理,设置定位控制器控制算法,在Matlab仿真平台,完成船舶动力定位系统控制器仿真。实验结果表明,与传统船舶动力定位系统控制器相比,本文船舶动力定位系统控制器,在较大的环境干扰下,依然具有很强的抗扰能力。     

船舶动力定位系统控制器设计研究

船舶在航行过程中,由于受风、海流和波浪等环境因素所产生的力和力矩的影响,致使船舶或平台产生平移和舷向的改变。船舶动力定位系统能够消除环境扰动力对船舶定位精度的影响,本文针对船舶在海上的定位和作业受到海洋环境的扰动力影响,建立动力定位系统控制器数学模型。系统通过采用自抗扰控制器,实时观测船舶运动状况及动力系统的总扰动,并根据系统扰动采用非线性反馈进行补偿。最后通过Matlab仿真验证了控制器具有很强的抗干扰能力。     

基于非线性自适应控制器的船舶动力定位系统设计

船舶的动力定位是指借助分布于船体四周的推进器和船舶动力控制系统,产生一定方向和大小的推进作用力,抵消来自海风、海浪等作用力和作用力矩,使船舶不需要借助锚链等固定设备就可以在海上保持稳定的定位。船舶动力定位具有精度高、稳定性强、灵活性强等优点,目前在深海探测、深海资源开发等领域获得了广泛的应用。动力定位系统的核心是动力控制系统,该控制系统是个典型的非线性系统,本文设计了一种基于非线性模糊自适应控制器的船舶动力定位系统,建立了船舶动力定位系统的模型,并分析了该动力定位系统的运行原理。     

海上作业多用途工作船自动控制系统(一)——动力定位系统的控制与冗余技术

海上作业多用途工作船是为适应海洋石油开发而出现的一种特殊类型船,其中动力定位系统是最重要的控制装置。由于船舶在海上受各种无规律运动的海浪、风、水流等影响,定位控制难度很大。本文介绍动力定位控制系统的原理和优化控制的方法,并介绍冗余技术在动力定位系统中的应用。     

非线性Backstepping算法在船舶动力定位系统控制的应用

船舶的动力定位是指船舶在某些特定工况下,利用推进器和螺旋桨等产生推力和力矩,抵消海风、海浪等因素的干扰作用力和力矩,从而使船舶在海面某一区域保持相对静止。由于海上气象条件和海水深度的影响,传统的锚式系泊定位已经难以满足需求,而船舶动力定位系统的灵活性高、定位精度高、抗干扰能力强,因此应用越来越广泛。本文建立了船舶动力定位系统和干扰因素的数学模型,结合Backstepping非线性控制理论,设计了一种新型船舶动力定位系统的控制策略,并对该动力定位系统的位移控制响应进行了基于Matlab的仿真分析。     

Fuzzy-PID合成控制下铺缆船舶首向寻优动力定位

为使海上作业的铺缆船舶能够更好地保持定点作业能力,其上都安装有动力定位系统。船舶运动的数学模型是非线性的,单独使用模糊控制效果不够理想,通过使用Fuzzy-PID合成控制器可实现更精确的动力定位。该控制器包含大误差切换至Fuzzy控制模块、小误差切换至Fuzzy-I控制模块及微误差切换至Fuzzy-PID控制模块3个模块。同时为了船舶能够更好、更节能地抵抗外界环境,在控制器部分还加入了首向寻优环节。仿真验证表明,与传统Fuzzy控制对比后得出,使用Fuzzy-PID控制器仿真时系统的稳定性和响应速度都较为优越,提高了动力定位的效果,符合绿色动力定位的理念。     

不同风向和风速下动力定位船舶的动力响应分析

海上作业的海洋结构物须有良好的定位能力以方便各种工程的实施,为了实现高精度、不受水深影响的定位,越来越多的深海作业船舶倾向于安装动力定位系统。本文参考了某动力定位船舶的船型参数与船体响应幅值算子,利用OrcaFlex水动力软件模拟计算不同风向、风速下的动力定位船舶动态响应运动情况、推进器的反力和反力矩,实现了对动力定位船舶在不同风向下的动力学分析,得出不同风向和风速对船舶动力定位精度的影响,确定了船舶动力定位时的最佳风向并提出了若干工程建议,有助于船舶动力定位的优化设计及保证海上安全作业。     

数据融合技术在舰船动力定位系统信息采集的应用研究

为了提高舰船在海上定位的精度,同时减少因传统的船舶抛锚系泊方式带来的成本高、稳定性差等缺点,船舶工业领域对舰船动力定位系统的研究投入了大量的精力。动力定位系统利用舰船的推进器抵抗海浪干扰,使船舶保持在某一水域的动态平衡。本文针对舰船动力定位系统的信息采集问题,充分利用数据融合技术和传感器技术,提高了动力定位系统的信息采集时效性、可靠性和准确度。     

船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究

船舶动力定位是深海开发的关键技术之一,随着海上油气生产向深海的发展,对应用于船舶动力定位系统的船舶数学建模也提出更高的要求。首先介绍船舶动力定位系统的意义及其应用的数学模型,然后针对船舶及推进器动力学数学模型的辨识与建立过程进行详细介绍,最后讨论船舶外界环境扰动建模的策略。     

动力定位的推力分配优化策略

动力定位系统主要由测量系统、控制系统和推进器组成,为了提高船舶和海上移动作业平台的动力定位精度,保障深海作业的正常进行,本文针对舰船的动力定位系统推力分配策略进行研究,通过建立动力定位系统的函数模型,结合模糊算法构建了动力定位系统的推力分配策略,取得了良好的控制效果。     

船舶靠泊过程撞击力测试系统开发

大型船舶由于吨位重,靠泊过程的惯性大,再叠加风浪等附加载荷,对码头或者海上作业平台框架的冲击作用非常大,尤其海上作业平台的框架往往采用钢结构焊接,一旦船舶靠泊的冲击作用超过框架的承载能力后,框架很容易发生极限下的破坏,造成严重的经济损失。本文针对船舶靠泊过程的力学特性进行建模分析,结合力学传感器和数据通信技术,开发一种船舶靠泊过程的撞击力测试系统,介绍测试系统的原理和组成,并进行了实际船舶靠泊过程的撞击力测试。     

非线性估计滤波器在船舶动力定位系统的应用

随着人类对海洋资源开发规模的不断提高,远洋航运和远洋资源开发成为国民经济中的重要组成部分,由于传统的船舶抛锚系泊方式具有海上定位精度差、成本高、稳定性差等缺点,难以满足远洋舰船的海上定位需求。动力定位技术是利用舰船四周的推进器和船舶动力控制器等装置,产生具有一定方向和大小的推进作用力,抵消海风、海浪等干扰作用力和力矩,使船舶的定位精度和稳定性显著改善。本文的研究对象是船舶动力定位系统,详细介绍了一种非线性估计滤波器的工作原理,并研究了该滤波器在舰船动力定位系统的应用。     

动力定位时时域模拟程序试验验证

在启用新的动力定位系统时,数值和试验验证方法,包括静态动力定位能力分析、动态的时域模拟和模型试验应该用来设计,分析和预测新系统的性能。为了精确并经济地验证动力定位系统的性能,在Matlab\Simulink环境中,开发了一个能够进行一个"试验"来评估一个新设计的动力定位系统和其子系统的程序。另外,这个新开发的动力定位时域模拟程序的可靠性通过对一个半潜平台的模型试验进行了评估。结果表明,这个程序可以作为一个船舶研究工具用来检验新设计的动力定位系统或其新模块。