船舶动力定位控制系统设计

吕永惠

摘 要：船舶深海作业的核心技术之一是动力定位系统。本文基于海洋工程中常见的船舶动力定位系统，通过介绍其系统的发展现状，针对动力定位系统的基本构架和控制技术进行了分析和设计。

关键词：船舶；定位控制；推力分配

当今世界随着经济的高速发展，在能源和资源方面带来了严重的问题，海洋资源的开发和争夺非常激烈。另一方面，海洋作业的工作环境非常复杂，因此开发海洋资源需要先进的技术支撑。当前船舶定位主要采用动力定位、锚泊定位以及第三种锚泊+动力综合定位。锚泊定位因其简单的结构和高可靠性多应用在浅水区域。当水深1500m时，定位方式多为锚泊辅助动力定位方式。随着水深进一步增加，锚泊定位系统经济成本严重增加。当前多数系统采用锚泊系统与动力定位系统联合定位。水深在一定条件下时，浮式生产系统的主要定位方式为锚泊定位，但由于水深增加，导致了锚泊系统降低了其抓底能力，使得抛锚难度增加，这样大大增加了其重量，导致海上布链作业难度上升，增加了系泊锚链经济成本，大大限制了其定位功能。

1 动力定位控制系统概述

动力定位系统为闭环模式，属于高新控制技术之一，被广泛应用在船舶作业中。其最大的特点是无锚泊系统时，实时监测船舶实时位置与目标位置的偏差，结合自身计算能力，综合考虑外界流、浪、风等因素计算得到船舶前进到目标位置所需的动力，并将推力合理分配至船舶的推力器上，由其所属的各推力器产生对应大小的推力，使船尽量到达并稳定地保持在海平面的目标位置。动力定位系统主要由推力系统、位置测量系统以及最重要的控制系统组成。众所周知，海洋结构物运动的产生是波浪、推水力器、流和风等综合影响的结果。其中，低频运动由水流、风、推力器和二阶波浪慢漂力造成；波频运动则是由一阶波浪引起的。低频运动导致海洋结构物向远离原来的位置的方向缓慢漂浮，因此必须加以控制；波频运动则引起结构物发生高频往复运动。当动力定位系统在对高频位移尝试进行控制时，会大大增加推力器系统的磨损和能耗，因此这种操作应当尽力避免。此外，海洋中的流、风、浪的存在也会对海洋结构物的运动造成动力干扰，并最终导致结构物模型的参数发生相应的变化。因此，在动力定位控制中，需要保证海洋结构物在面对海洋复杂多变的环境下仍能使船舶保持较高的性能指标。

2 船舶动力定位控制系统设计

2.1 位置测量系统

位置测量系统的主要构成有：风速风向仪、测深仪、DGPS 系统、航向传感器、回声传感器、雷达系统、气象传真等。这些系统可以实时测量船舶的相对位置以及完整位置。在动力定位系统当中，最核心的问题是能通过合适的位置测量系统，及时在船舶工作时间段实时传输其所测得测量数据。

2.2 推进器系统

推进器系统是一种执行机构（图1），接受动力定位系统的指令后通过它传递给下一机构。常见的推进器形式有吊舱式推进器、全回转推进器以及槽道式推进器三种。槽道推进器可以提供横向力，且其安装时位置靠近艏艉两端。全回转推进器能够提供任意方向上的推力，方便船舶定位。由于動力定位控制的运动其方向为水平方向，运动方式为：横荡、艏摇、纵荡。为使推进器系统完成其功能，为船舶固定位置相对提供足够动力，其必须具备两种能力：提供足够大的推力来抵消环境因素产生的作用力；必须提供足够快的响应速度，在船舶上的外力发生变化时能及时作出反应。

2.3 动力定位系统控制器

船舶动力定位系统（图2）由多个部分构成，其首先通过控制台给出所需的推进指令，保证船舶安全稳定作业。在动力定位系统进行操作时，控制器自动接收系统中由各种传感器传输的相关数据，完成接受后及时进行数据处理，从而对船舶所在进行估算，DP控制台上会显示估算值，并实时更新。如果系统可以切换到自动定位模式，此时DP操作员必须预先设置期望的能自由定位的定位点，比如钻井作业中存在的连接角、船舶位置或首向等。控制器将会对期望设定点和船舶的估算位置或者是首向位置进行对比，结合设计规定的控制运算，及时将推进指令发给推进器，不断调整偏差。到达设定点后，系统自动对环境作用力进行补偿，保证船舶动态稳定在设定点附近。为摆脱海洋环境影响，保证船舶能稳定地保持在设定点，DP 系统在设计阶段建立数学模型时综合考虑了多种因素影响。

3 结论

船舶动力定位技术是船舶设备在海洋作业过程中的关键的核心技术，和传统的锚泊方式相比，其具有的优点是机动性强、定位精准、方便快捷且不受水深限制等优势，对于海洋开发和提高海洋经济效益有重要的现实意义。

参考文献：

[1]周利，王磊，陈恒.动力定位控制系统研究[J].船海工程，2008，37（2）：86-91.

[2]陈国洋，吴欠欠，宋华屏.提升“海洋石油 201”深水铺管起重船DP性能的可行性分析[J].船舶工程，2010，32（Z1）：29-32.