分析船舶动力定位系统及其控制技术

摘  要  随着海洋工程与深海技术的发展，使动力定位系统及其控制技术得到了更为广泛的应用。基于此，本文通过对船舶动力定位系统的概念、原理以及基本功能进行分析;再对其控制技术进行分析;最后，对影响船舶动力定位系统控制技术有效运用的因素进行分析。以供相关人士的阅读与分析。

关键词  船舶动力定位系统  船舶动力控制技术  分析

一、船舶动力定位系统的概念、应用原理以及基本功能分析

（一）船舶动力定位系统的概念

船舶动力定位系统，是一种闭环式的动力控制系统，它不用通过锚泊系统作用，就可以对船舶航行的实际位置与目标位置之间的偏差进行分析，同时可以对风浪、水流等外界干扰动力进行判断，并对船舶回归正确航线所需要的动力大小进行计算，之后船舶上的动力系统会产生相应的动力，使船舶尽量保持在正确的航线位置上[1]。船舶动力定位系统的优点是，水深的增加并不会使定位成本提高，且操作简便、调整迅速。船舶动力定位系统作为海洋事业发展的重要应用技术之一，其在深海油气勘探与开采、海底作业、海洋资源调查、海洋工程管缆铺设等工作中是不可缺少的。

（二）船舶动力定位系统的基本组成与工作原理

1.船舶动力定位系统的基本组成

船舶动力定位系统基本是由控制系统、动力系统，以及位置测量系统所组成的。其中，测量系统是获取船舶运行状态、周边环境等信息的传感系统，而传感系统则由声学定位系统、电罗经、DGPS、以及风向风速仪等组成。

2.船舶动力定位系统的应用原理

动力定位系统在实际工作时，需要通过测量系统获得船舶的航行信息、环境信息，再对船舶的实际位置与目标航线之间存在的偏差进行分析，之后利用控制系统根据偏差计算出调整偏差所需的推动力，并对推动力进行合理的分配。通过控制系统的调控与作用，使船舶可以利用自身的动力与推进系统，以抵抗风、浪、流的影响作用，使船舶的航向得到保障。当船舶在航行时，很难用精准的数据模型对其动力特点进行详尽的描述，而风、浪、流等因素，则会因海域情况的变化而变化[2]。

（三）船舶动力定位系统的基本功能分析

1.定点控位功能

通过在船舶的控制台输入某一坐标点作为定位点，经系统分析与计算可获得到达定点所需推动力的大小，并发出相应的控制指令，利用推进器将船舶移动至预期位置，并可以将准确度保持在一定范围内。

2.航迹控制功能

当船舶在进行航行或作业时，需要根据设定好的航线进行航行，因此需要相应的系统或设备为船舶提供航行指令、速度指令等，并利用控制器发出控制船舶按照预定轨迹前进的指令。在对船舶航迹进行控制的过程中，控制系统需根据海上环境的变化及时对艏向进行调整。

3.艏向控制功能

在船舶行驶时，可人为设定船舶艏向，当实际艏向与设定艏向之间存在偏差时，系统应自动对目前的船舶艏向进行调整，并将船舶艏向精准的控制在一定范围内。

二、船舶动力定位系统的控制技术分析

（一）PID传统控制技术

PID控制器是早期控制器的代表，船舶动力定位系统中的PID控制技术，以PID控制為基础，可以对船舶的横荡，纵荡以及艏摇进行控制，并根据航行位置对推动力的大小进行计算，之后对推动力的分配进行确定，实现对船舶的定位。这种控制技术虽然早期应用较为普遍，但其却有着极为明显的缺陷：首先，对位置与艏向的控制并不是以模型为基础的，属事后控制，这使控制的精确程度与反应速度具有局限性[3]。其次，如果以PID控制器为基础，使用低通滤波技术，可以对高频信号进行过滤与清除，但这种操作却极易造成定位误差信号出现相位滞后性，进而限制用于控制器的相角裕量，影响定位的精确度。

（二）智能控制技术

智能控制技术是利用思维具有非线性的特点进行控制的，且具有较好的实践效果。在船舶动力定位系统中加入自适应模糊控制，通过以人工神经网络为基础的控制技术，可以对目标定位进行有效调节，使前馈控制可以适应不同环境因素的干扰。同时，智能控制技术可以结合几种不同的控制方法，设计出新型组合式的控制系统，并可以将各种控制技术中的优势进行融合，弥补单一控制方法的不足，从促进控制技术的进一步发展。

（三）非线性控制技术

非线性控制技术具有非线性分析、改善性能，以及对数据模型中的不定项进行有效处理等特点。由于动力定位系统与外界干扰因素具有较为复杂的非线性特征，因此非线性控制技术的应用具有一定优势。在实际操作中，可针对动力定位系统设计一个非线性观测器，并利用Lapunov证明其稳定性，之后可以利用观测器对船舶位置、行驶速度以及外界环境等信息进行获取与判断。

三、船舶动力定位系统控制技术有效运用的影响因素分析

船舶动力定位系统的主要功能是，迅速对外界环境因素做出反应，使船舶可以在预设航线、位置上航行，并在保证动力定位系统安全、可靠的前提下使推进能耗最小。因此，为有效运用船舶动力定位系统的控制技术，应注重以下影响因素。

（一）功率的消耗

船舶所能产生的功率是有限的，推力器也并不能全部使用。而受海上环境、作业类型、故障情况的影响，使各推进器被分配到的功率也有所不同。因此，船舶在实际航行中，所得到的控制指令会受到一定限制。为使船舶可以充分发挥其自身的功能性质，并可以避免执行器饱和问题的出现，在进行推力分配时应充分考虑到船舶的功率数量，从而对船舶进行更加有效的控制。

（二）冗余度

在理论中推进器可以产生任何方向的推力，因此只用两个推进器就可以组成一个完整的推力系统[4]。但因实际工作中的单个推进器容量有限，仅两个推进器是无法满足实际所需的推力容量;同时，推进器系统必须满足系统工作所需的可操纵性与可靠性，因此推进器的应用一般在五个以上。

四、结束语

综上所述，随着船舶与海洋工程的飞速发展，使得船舶与海洋平台运行的重要基础应用技术之一的动力定位系统得到了重视与发展。船舶在进行海洋作业时，航行与停泊的位置精确度直接影响其作业执行的效率与质量，因此需要通过动力定位系统进行精准的定位。动力系统在实际工作中，通过控制技术，可以对船舶行驶数据进行及时的传输、处理以及反馈，从而保障了船舶航行的质量，促进了海洋工程与技术的进一步发展。

参考文献：

[1]关克平，张新放.滑模控制船舶动力定位控制系统研究[J].舰船科学技术，2018，40（3）：61-65.

[2]张政，李文明.大型海工船DP系统引航应用可行性分析[J].中国水运（下半月），2019，019（006）：16-17，19.

[3]谢珉，王锋，刘江.辅船动力定位系统的故障模式分析及应用[J].船舶设计通讯，2019（A01）：110-115.

汪丹萍  上海中远海运重工有限公司  上海中远船务工程有限公司