船舶动力定位系统控制器设计

张丰

摘 要：近些年来，随着我国科技水平的不断提升，各行各业的技术手段得到明显改进与优化，尤其是船舶业。目前，以动力系统为主的系统设置逐渐成为船舶业广泛应用的运行系统，取得的应用效果较佳。究其原因，主要是因为船舶动力系统能够为船舶行驶提供源源不断的动力。即便在正式运行过程中，出现突发情况，动力系统也会根据突发情况的不同，进行不同程度的抵御。因此可以说，船舶动力系统的广泛应用为我国船舶业带来无限发展机遇，利于实现长足发展目标。针对于此，研究人员最好结合船舶动力系统的应用情况及相关性质，做好系统的精度控制工作，从根本上确保船舶行驶的安全性与合理性。

关键词：船舶动力;定位系统;控制器;设计

1 动力定位系统的组成结构及其工作原理

1.1有关结构

动力定位系统主要由以下系统组成：即位置测量、控制及推力三大系统。测量系统是一种传感器系统，它可以准确测量环境及船舶运动的相关参数。控制系统具有处理由测量系统检获得的信息的功能，从而得出推进器控制信号，实现对推进器的控制，进而保证动力定位船舶在相关外力的推进下，朝向预订的航行位置行驶。

1.3有关工作原理

动力定位系统基于测量系统测出的信息，对船舶的实际位置艏向与设计数值进行比较分析，基于得出的偏差，控制系统可以计算出推力，进而对推力进行合理分配。通过控制系统的调控，船舶可以抵抗各类力矩的影响，从而保证船舶的航向及位置。动力定位系统的控制策略是根据其工作原理制定的，它可以同时兼顾能耗、控制精度和响应速度。

2 动力定位船舶推力优化分配

2.1动力系统主机

主机是船舶的最初动力来源，按照原理的不同可以分为柴油主机、燃汽轮机等，其中，柴油主机输出功率高，成本低，结构简单，是目前装机量最广的一种主机类型。

2.2传动装置

传动装置是主机功率的传递设备，主要是指传动轴系。传动轴系的作用包括：在一定工况下，将主机与推进器隔开，起到离合器的作用;利用轴系的齿轮箱等结构，实现减速和方向传动的作用。

2.3推进器

推进器是船舶与水发生相互作用的装置，通常是指螺旋桨。螺旋桨的水动力特性决定了与海水相互作用力的质量，进而决定了船舶的推进力质量。因此，有必要对螺旋桨的水动力特性进行研究。

当船舶处于环境力较小而方向频繁变化的特殊海洋环境中定位作业时，采用常规的推力分配方法将会导致推进器的方位角也频繁地变化，但由于推进器本身的物理特性，方位角转动速度有限，很可能出现方位角的滞后现象而影响船舶的定位精度，同时也会加速推进器的磨损。针对这类问题，Kongsberg提出了偏置的思想，即对DP 船舶的推进器进行分组，允许推进器之间推力相互抵消。这种方法虽然额外消耗了部分功率，但避免了因推进器频繁转向而降低定位精度及加速推进器磨损等问题，在实际工程中有重要应用价值。Veksler 采用组合偏置算法以减少 DP 船舶在复杂工况下船舶电站的功率大幅度波动。国内学者施小成、魏玉石等人针对组合偏置算法提出了自适应组合偏置策略，仿真结果表明自适应组合偏置策略能有效地提高船舶的动态性能，但是没有系统研究偏置量的大小对偏置效果的影响，而且在组合偏置后存在推进系统能量消耗过大的问题。

3 多传感器系统

船舶动力定位系统需要采集大量的位置信息、速度信息、气象信息、动力信息等，因此，采用多传感器系统非常有必要。

多传感器系统是一种结合了传感器技术、通信技术、嵌入式技术、计算机技术的综合信息系统，在船舶动力定位过程中，可以高效、快速的监测、采集各种环境或对象的信息，并将信息传送至船舶动力定位控制系统。其显著特征是传感器节点的相互协作，从而使获取的信息具有快速、精确的特点。其信息融合与重构技术是指将多个传感器节点采集的信息进行汇总，并在簇节点和汇聚節点上完成信息的处理和分析，然后将信息通过总线网络传送至动力定位控制中心。

4 船舶动力系统控制器的设计方案

船舶所处的环境较之一般交通工具而言，呈现出的时变性以及非线性程度较高，再加上海浪等环境因素的干扰与影响，很容易对船舶的正常航行效果产生不利影响。针对于此，我们必须做好船舶动力系统控制器的设计方案，从根本上确保船舶航行的安全性与合理性。结合以往的实践经验来看，船舶动力系统控制器在具体组成方面，多以自抗扰控制器为主。自抗扰控制器（ADRC）主要以跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）以及非线性反馈（NFSEF）为核心控制环节。在实际应用过程中，可以根据船舶实时位置的滤波情况或者实际航行状态，进行合理监测。一般来说，通过应用自抗扰控制器可以最大限度地确保船舶定位的精准性，利于船舶的安全航行。

动力定位系统在正式运行过程中，往往需要先设定好位置，并输入相关信号，才能够发挥跟踪微分器的作用。如跟踪微分器可以对输入的给定信号进行检测与处理，发出高品质的微分信号。并在此基础上，根据跟踪微分器的处理作用，确保控制器的鲁棒性得以有效提升。另外，在船舶定位系统运行过程中，运动速度往往是由状态观测器观测得到的数据。为进一步夯实其的测量精度，建议研究人员在设计过程中，需要综合考虑动力定位系统的滤波情况以及具体的运行状态，防止船舶实际运行过程中出现安全事故。

需要注意的是，扩张状态观测器在实际工作过程中，必须控制好其的参数数值，确保船舶运行始终保持稳定状态。与此同时，操作人员可以根据控制器系统反馈出的数据进行综合分析，对系统实施动态反馈补偿机制，抑制不良因素的干扰作用，最大限度地确保船舶动力系统的运行安全，规避隐患问题的出现。

5 关于船舶动力系统控制技术的相关研究

随着计算机技术与传感器技术的深入发展，船舶动力系统的控制技术在发展方面，已经经历三个阶段的发展历程。各个阶段根据各自的理论基础进行不断改进与完善，如经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论等。结合实际来看，国内外在研究船舶动力系统控制器装置当面，主要以智能控制理论为研究基础，并结合以下控制技术对船舶动力系统控制器进行合理优化，分别是：

5.1 PID 控制

PID 控制主要结合经典控制理论予以实现的控制技术。一般来说，PID 控制实现对船舶三个自由度的控制要求，完成控制器的控制与管理任务。然而，结合实践经验来看，PID 控制系统在实际应用过程中，往往存在着控制精度不高、控制速度过慢以及定位效率不高等情况，不利于获取精准的 PID 参数值。

5.2 DMRAC 控制

DMRAC 控制技术属于模型参考自适应控制范畴内的技术内容。DMRAC 在控制结构上，主要以内环与外环两个控制回路为主要的结构形式。内环的主要功能在于控制器与被控对象形成有效的反馈回路，完成控制工作。而外环的主要功能在于对参数数值进行重设与调整。结合实践经验来看，DMRAC 控制系统的控制效率较高，利于船舶动力系统的稳定运行。但是，由于控制系统不存在记忆功能，导致操作人员需要反复输入数据并操作，才能够实现控制目标。

5.3 神经网络控制

神经网络控制本身属于模糊控制范畴内的重要分支。所谓的神经网络控制系统主要基于生物神经网络的相关功能进行操作与控制。这种控制技术在实际应用过程中，多具备不确定性与非线性等方面的特点，使得该控制技术具备较强的容错性与兼容性，利于辅助操作人员完成船舶行驶的控制工作。

结语：总而言之，船舶动力系统的广泛应用对于船舶正常行驶而言，具有重要的促进作用，值得推广与应用。

参考文献：

[1]王扬.船舶动力系统控制器的研究与设计[J].国防制造技术，2017（04）：41-42.

[2]张云龙.船舶动力定位系统控制器设计研究[J].舰船科学技术，2016，38（06）：10-12.

[3]王忠国.船舶动力系统智能控制体会探讨[J].科技展望，2015，25（05）：146.