船舶动力定位系统及其控制技术

张新放++关克平

【摘 要】 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。

【关键词】 动力定位系统；控制技术；船舶；数学模型

随着海洋经济时代的到来，人们对海洋资源的需求越来越多。由于深海环境复杂多变，因而对获取海洋资源的装置定位精度要求也越来越高。传统的锚泊系统有抛起锚操作过程繁琐、定位精度和机动性差等缺陷，难以符合定位精度的要求；而船舶动力定位系统（以下简称“DP系统”）则在保持航迹或保持位置方面具有突出的优势，已被逐渐应用到海上航行船舶和作业平台上，快速发展的控制理论在DP系统中的应用，取得了很好效果。[1]

1 DP系统概述

1.1 定 义

DP系统是指不依靠外界的辅助，通过固有的动力装置来对船舶或作业平台进行定位的一种闭环控制系统，系统包括控制系统、测量系统和推进系统，控制系统是其核心。

1.2 组成

DP系统由控制系统、测量系统和推力系统组成。控制系统是整个系统的核心，对测得的信息和外界干扰信号进行处理，能够通过计算推算出抵抗外界干扰的推力，并传递给推力系统。测量系统能够获得船舶運动所需要的信息，其种类有DGPS、电罗经、张紧索系统、水下声呐系统、垂直参考系统、风力传感器等。推力系统根据控制系统计算出的推力来控制船舶。

1.3 研究状况

第1代DP系统的研发始于1960年。钻井船“Eureka”号是世界上第一艘基于自动控制原理设计的DP船舶。该船配备的DP模拟系统与外界张紧索系统相连。该船除装有主推力系统外，在还在船首和船尾装有侧推力系统，在船身底部也安装有多台推进器。

第2代DP系统始于1970年，具有代表性的是“SDEC0445”号船，该船安装有多台推进器，系统的控制器采用kalman滤波等现代控制技术，且控制系统中的元件有冗余，其安全性、稳定性和作业时间均有了较大的改善和提高。

第3代DP系统始于1980年。系统采用微机处理技术和Muti-bus、Vme等多总线标准的控制系统。代表性的第3代DP系统有挪威Konsberg公司的AD-P100、AD-P503系列产品和法国的DPS800系列产品。

我国对DP系统的研究开展得较晚，研究力量集中在高校和科研院所。我国自主研制和建造的“大洋一号”科考船（图1），是我国首艘安装DP系统的船舶。[2]

图1 “大洋一号”科考船

2 DP系统的工作原理

DP系统工作原理如图2所示。

DP系统中的测量系统在获得信息（内外部噪声、船舶摇荡、船舶倾斜、环境干扰等信息）后，将信息与系统初始设定值加以比较，对干扰信号进行弱化，消除不正确的信息；DP系统中的控制系统由获取的差值计算出所要施加的力，将其按照一定的方法进行分配；DP系统中的推进系统计算出完全抵抗外界干扰的力的大小：闭环系统最终使船舶稳定在预期的位置或航迹线上。[3]

3 DP系统的数学模型

船舶在海上作业或处于航行状态时，其运动（包括高频运动和低频运动）情况是极其复杂而多变的。由于高频运动不会使船位发生变化，故在建模时忽略其影响，只考虑低频运动引起的干扰。

3.1 定位坐标系的建立

建立水平面内的固定坐标系NE和随船坐标系XY（图3）。

船舶的位置和艏向矢量为 =[x，y， ]T，速度矢量为 =[u，v，r]T，（其中： x，y分别为船舶纵向、横向位置坐标； 为船舶艏向角； u，v为船舶横荡、纵荡速度； r为船舶艏向角速度。

两者的转换关系如下。

=J（ ） （1）

其中转换矩阵J（ ）为：

J（ ）=（2）

且J（ ）为非奇异阵，即：

JT（ ）=J -1（ ）（3）

3.2 数学模型的建立

为便于描述船舶的运动，假设船舶质量分布均匀、左右对称且视为刚体，得经简化的船舶的运动模型

M + D（ ） =C + S（4）

式中： M为惯性矩阵； 为速度的变化率； D（ ）为阻尼系数矩阵； C为控制输入量； S 为外界干扰力矩。

M=（5）

式中： m为船舶质量； mX，mY，mN为船舶在纵荡、横荡、艏摇上的附加质量； xG 为船舶重心在纵向的位置坐标； FY为耦合的附加质量； I为船舶转动惯量。

阻尼系数矩阵为D（ ）=（6）

式中：a，b，c，d，e为三自由度的线性阻尼系数。

可选取某一船模为对象，利用Clarke整理的水动力导数估算公式计算M和D（ ）。

4 DP系统的控制技术

4.1 传统的PID控制技术

第1代DP系统的控制器采用的是传统的PID控制技术，对船舶在纵荡、横荡和艏摇三自由度进行分析，剔除高频干扰。PID控制技术因其为线性系统，故其缺点是系数的选择较复杂；而DP系统是非线性系统，这使得其他控制技术得以发展和应用到DP控制器的设计之中。

4.2 非线性控制技术

非线性理论具有性能改善、非线性分析、处理模型中不确定项等特点。由于DP系统以及外界的干扰均为复杂的非线性，用该方法处理有一定的优越性。对DP船舶设计一个非线性观测器，其稳定性通过Lapunov理论证明，能从输出值中估计船舶的位置和速度以及环境干扰力等信息。[4] 针对DP控制系统的特点，将自抗扰控制器（ADRC）引入到DP系统中，用三阶扩张状态观测器估计船舶的艏向、速度等信息，通过反馈对误差和干扰加以补偿，设计一种具有较强鲁棒性和适应性的控制器。[5]

4.3 自适应控制技术

自适应控制技术基于数学模型，解决参数的不确定性，将外界的干扰值看作常量，基于矢量逆推非线性设计工具，引入积分环节，设计DP系统的自适应PID控制器，最后用Lyapunov函数证明该控制器的稳定性，并控制律使得艏向、速度等信息渐近于期望值。

4.4 智能控制技术

智能控制技术采用的是人的思维具有非线性的特点加以控制，具有较好的效果。在DP系统中引入自适应模糊控制，通过提出基于人工神经网络的控制方法，能够任意调节目标函数适应高精度的定位和节约能量，前馈控制能适应不同的环境干扰。[6]

将几种控制方法相结合来设计新型组合式的控制系统，能够融合各自控制方法的优点，弥补单一控制方法自身的缺点，在今后的研究中将会受到广泛的关注。

参考文献：

[1] 马超，庄亚锋，陈俊英.船舶动力定位系统技术[J].中国造船，2009（11）：52-57.

[2] 赵志高，杨建民，王磊.动力定位系统发展状况及研究方法[J].海洋工程，2002（1）：91-97.

[3] 边信黔，付明玉，王元慧.船舶动力定位[M].北京：科学出版社，2011.

[4] 何黎明，田作华，施颂椒.动力定位船舶的非线性观测器设计[J].上海交通大学学报，2003（6）：964-968.

[5] 赵大威，边信黔，丁福光.非线性船舶动力定位控制器设计[J].哈尔滨工程大学学报，2011（1）：57-61.

[6] 李定，顾憋祥.自适应神经网络用于船舶动力定位系统[J].中国造船，1995（4）：20-28.