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动力定位系统调研.docx
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动力定位系统调研
动力定位系统调研
摘要
船舶与海洋平台的锚泊方式在深海中受到很大的限制。
故不借助锚泊的动力定位系统应运而生。
随着我国深水战略加快推进,深水作业船舶已成为我国海洋油气深水勘探开发的排头兵。
动力定位系统最大优点是成本不随水深的增加而增加,并且操作方便,因此对动力定位系统的研究具有越来越重要的意义。
深水作业船的核心技术之一就是动力定位系统,它是一种闭环的控制系统,用于船舶自动定位和保持艏向。
动力定位系统的原理是应用计算机对采集来的风、浪、流等环境参数,根据位置参照系统提供的位置自动进行计算,控制各个推力器的推力大小,使船舶保持艏向和船位的“雷打不动”。
第一章动力定位系统发展概况
动力定位系统最初应用于深海油气开采。
1961年,钻井船
配备有4个可操舵的螺旋桨,尝试钻第一个
井,保持船舶在加利福尼亚948m水深的海面上。
壳牌公司在同一年下水了钻井船Eureka,该船拥有第一个DP模拟信号控制系统,是一艘真正意义上的动力定位船舶。
这一时期的DP系统也是第一代动力定位产品,采用经典控制理论来设计控制器,通常采用常规的PID控制规律,同时为避免响应高频运动,采用低通或点通滤波器剔除偏差信号中的高频成分。
但滤波器的引入会导致误差信号的相位滞后,从而影响信号的稳定性。
20世纪70年代中叶,J.G.BALCHEN等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术,即多变量的线性最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法,从而产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。
随后不少研究者对该方法进行了改进和扩展。
S.SAELID等提出了使用频率自适应算法,以克服恶劣海况下船舶突然进入缓慢振荡运动;P.FUNG等提出了自校正卡尔曼滤波器算法,使系统能够自动适应不同的海况环境;T.I.FOSSEN考虑到推进器产生的力和力矩的延迟问题,同时在控制器的设计过程中引入积分环节,以克服均值不为零的外界环境扰动。
2001年,Kongsberg公司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,可有效减少燃料消耗和温室气体的排放,这标志着智能控制技术开始实际应用于动力定位系统中,使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。
智能控制技术在动力定位系统的应用研究已成为了一个研究热点。
T.I.FOSSEN等提出了非线性反馈控制器的设计方法并设计了非线性观测器,使用矢量后推法和李亚普诺夫稳定性理论证明了全局指数稳定;W.J.CHANG等采用非线性反馈控制器设计工具,设计了基于
模型的非线性模糊控制器,仿真实验验证了所设计控制器的有效性;T.D.NGUYEN等研究了从平静到恶劣的变化海况条件下动力定位混合控制,采用多输出PID和带有位置和加速度测量装置的加速反馈控制器,数值仿真和水池船模试验表明其性能优于传统的波频滤波器和PID控制器;E.A.TANNURI等设计了非线性滑膜控制器,其控制参数易于调节,且在变化的外部环境和载重条件下,其鲁棒性优于传统的PID控制。
动力定位船舶在冰区中作业已成为一个新的研究方向。
围绕欧洲研究和发展项目“冰区动力定位”(dynamicpositioninginice,DYPIC),K.KJERSTAD等对一艘1:
30的北极钻井船模在破碎浮冰环境下进行了冰载荷水池试验,对获得的试验数据进行了分析。
分析结果表明:
船舶在低速运动时的平均冰载荷与相对碰撞角度有关,与冰块的相对漂移速度无关;平均冰载荷的标准差与浮冰尺寸大小,密集度和厚度相关。
2015年4月,装有芬兰
工程公司的动力定位系统和自动驾驶仪的应急救援破冰船“
”号在喀拉海进行了北极冰区搜救海试,海试结果达到了预期的性能效果。
国内自20世纪70年代开始研究动力定位技术,但大多数研究单位尚处于理论研究或试验研究阶段。
哈尔滨工程大学自1983年开始研究船舶动力定位技术,并在1997年成功研制了我国第一套装备水面的动力定位系统。
在国家和有关海洋石油公司等方面的支持下,上海交通大学进行了一系列动力定位系统原创性自主研发,目前己取得了阶段性成果。
2009年5月,船舶动力系统国家工程实验室获国家发展改革委批准,实验室建成后将成为我国船舶配套系统第一个国家工程实验室。
同年8月,由中国船舶工业集团公司708研究所首次成功设计了世界最先进的DP-3级动力定位系统,获得了中国船级社和美国船级社的认可,并通过了故障模式与影响分析的全面验证。
2014年10月,哈尔滨工程大学牵头研发的“DP3动力定位系统研制”项目通过了工信部验收。
近年来,国内相关研究人员不断追踪国际研究热点,在理论研究中进行了不断创新,使用多种控制方法设计观测和控制器,如模糊控制,后推法鲁棒控制、自适应滑模无源观测器、非线性模型预测控制、鲁棒自适应神经网络控制等。
此外,国内对动力定位技术研究的科研单位和院校还有武汉理工大学、广东工业大学、大连海事大学、江苏科技大学等[1]。
第二章动力定位系统结构及原理
动力定位系统主要由测量系统(位置参考系统和环境参考系统),控制系统,电力系统(输入)和推力系统(输出)组成[2]。
1)测量系统:
测量出船舶或平台相对于某一参考点的位置。
当前应运于动力定位的位置测量系统主要有:
声学系统、张紧绳、无线电系统、全球卫星定位系统(
)、气象仪、电罗经、垂直参考单元、激光参考单元等[3][4]。
2)控制系统:
首先根据外部条件计算出船舶或平台所受的扰动力,然后由此外力和测量所得位置,计算保持船位所需的作用力和力矩。
动力定位系统的核心是控制技术,它标志着动力定位系统的发展水平。
3)动力系统:
为整个动力定位系统供电并负责电站的保护和自动控制。
4)推力系统:
用于产生力和力矩,来抵抗作用于船上的干扰力和干扰力矩。
推力器一般来说是指螺旋桨。
在动力定位系统中应运比较多的是敞式螺旋桨、导管螺旋桨和隧道螺旋桨[5]。
动力定位系统组成框图如下图2-1所示。
图2-1动力定位系统组成框图
2.1测量系统
2.1.1典型的测量系统
在有风、浪、流共同作用的复杂海况下,钻井平台具有6个自由度的运动特征,即纵荡、横荡、艏摇、纵倾、横摇和升沉。
动力定位系统是否满足钻井平台的作业要求,取决于动力定位系统所用的测量系统,要求以足够的速度和精度获取所需的信息,以便控制系统计算出推力器指令。
动力定位控制钻井平台的运动主要是水平面的三个自
由度:
纵荡、横荡和艏摇。
因此,控制系统所需的信息包括平台位置、艏向以及外部干扰力的信息。
典型的测量系统组成如下图1-2所示。
图2-2典型的测量系统组成
2.1.2位置参考系统
常见的用于船舶动力定位系统的位置测量设备有差分GPS、水声定位系统、张绳装置、激光定位系统等。
列下表1做简单对比。
表1位置测量设备对比
设备类型
测量范围
测量水深
测量精度
适用范围
GPS系统
无限制
无限制
±3m
全球
无线电定位系统
30Km
无限制
±1m
能接收信号区域
水声定位系统
5倍水深
4-6Km
水深1-2%
全球
张绳系统
1/4倍水深
500m
水深2%
全球
激光定位系统
250m
无限制
<0.5m
需要固定目标
由于船舶作业海域远离大陆,海水较深,不易选用无线电定位系统、张绳系统和激光定位系统,主要采用广域差分GPS作为水面位置测量设备。
下面对差分GPS及水声探测系统做简单介绍。
1)差分GPS
即利用卫星进行测时和测距构成全球定位系统。
2)水声探测系统
测量平台相对于海底应答器的位置,从而精确定位。
此系统的传感器由安装在平台海床下的水声发射接收器和布于海底的应答器组成。
系统依靠信号从发射器经过水传播和应答器到达接收器,然后根据接收到的信号计算出船体的位置。
2.1.3环境参考系统
1)艏向测量设备
常见的艏向测量设备有磁罗经和电罗经两种,现在又在发展以激光陀螺为传感器的新型导航设备。
在动力定位系统中日前主要以磁罗经或电罗经作为艏向测量设备。
通常安装在中央控制室内。
艏向测量设备对于动力定位系统来说至关重要,其精度及分辨率都将影响整个系统的性能及船位控制能力。
2)姿态测量设备(垂直参考单元)
船舶受海浪作用会发生纵摇,这种姿态的变化会给船位测量带来额外的误差。
常见的姿态测量设备(即垂直基准传感器)主要有摆式传感器、电容式传感器、平台罗经及加速度计式等几类,而每一类又有多种形式。
如摆式传感器又可分为机械式、电磁式及光电摆等几种。
动力定位系统选择动态性能指标比船舶的摇摆周期高个数量级的姿态测量装置。
3)风速风向仪
风速风向仪是动力定位系统中测量海洋环境的重要传感器,测量风向和风速,安装在敞开的甲板和桅杆上,不受周围建筑物的影响。
2.2控制系统
在动力定位过程中控制系统读取位置系统所得到的位置信号和外界干扰力信号将其数值与预定的目标位置信号作比较,经过运算,得到抵消位置偏差和外界干扰力所需要的推力,然后对推力器系统发出指令,产生推力,使平台靠近所希望的位置。
因此动力定位是电气自动控制的一个具体应用。
控制系统的操作台如下图1-3所示。
图2-3动力定位系统操作台
2.2.1所受环境载荷的分析和计算
船舶在海上作业时。
所受的环境荷载主要有风力、流力和波浪力:
1)风力的计算
风荷载最精确的计算方法是进行风洞试验[6],但缺点是费时费力、花销大,并且对每艘船都进行风动试验不切实际,所以在风力的初步估算时也可以采用一些经验公式。
2)流力的计算
流荷载同样也可以采用风洞试验和经验公式,但对于常规船型的流力计算可以采用文献[4]中提到的OCIMF做的流力模型试验测量得到的阻尼系数,该系数可用于同类船型的流力计算。
3)波浪力的计算
海浪模型的建立到目前为止还没有一个相对固定的格式,因此现阶段的动力定位研究大多把海浪作为一个平稳随机过程来处理。
波浪造成的船舶位置的移动包含两部分,其一是二阶波浪力产生的慢飘运动,其二是一阶波浪力产生的高频往复运动。
动力定位系统计算的主要是二阶波浪力的水平分量漂移力。
由于波浪漂移力的数值很小,很难用试验方法精确测量。
国内外现有较为成熟的理论计算方法有:
上海交通大学船舶与海洋工程流体学教研室的Flow98[7]、BV的
[7]、Pinkster二阶波浪力模型试验理论[8]等。
文献[9]借助于三维势流理论,用直接积分法得到了波浪漂移力。
2.2.2国内外常用的控制技术
1)
控制
早期的控制器代表类型,以经典的PID控制为基础。
这种方法有明显的缺陷:
一是其属于事后控制,控制的精度和响应的速度都是有局限性的;二是若在PID控制器的基础上会使定位误差信号产生了相位滞后。
2)
控制
滤波和最优控制相结合形成了线性二次高斯型LQG控制技术,这种控制技术在现代商用船舶的DP系统应运十分广泛。
LQC控制器实现了以下功能:
一是滤除测量噪声和船舶高频运动信号:
二是给出船舶低频运动的状态估计值,该估计值反馈提供给LQC最优控制器;三是状态递推,实时修正低频估计值,在传感器故障无数据时。
系统也能正常工作一段时间。
缺点:
一是模型不够精确;二是计算工作量比较大。
3)模型参考自适应控制(DMRAC控制)
自适应控制存在两种不同的方法。
一种是局部参数最优方法。
一种是基于稳定性理论的方法。
由于前者不能保证设计系统的全局稳定性,甚至对简单的受控对象在某些输入信号的作用下。
控制系统也能丧失稳定性.所以动力定位控制器一般采用后者。
优点:
实现容易。
自适应速度快。
缺点:
控制系统没有记忆能力。
对于强烈非线性或变化非常快的情况下很难维持期望的控制性能。
4)反步法控制
反步法实际上是一种由前向后递推的设计方法,它的基本思想是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统,然后为每个子系统设计部分李亚普诺夫函数(简称V函数)和中间虚拟控制量,一直后退到整个系统,将他们集
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