高性能船舶动力定位系统技术研究

谭永灿

（江龙船艇科技股份有限公司，广东 珠海 519000）

0 引言

对于船舶的制造和加工环节来说，进一步提高动力定位系统的运行效率，能够有效地控制船舶，实现自动化操作，防止出现突发问题。本文所研究的高性能船舶对象，具备多样化的作业功能。在其上方需要进行动力定位系统的配置，不仅要能够实现对于自动化船舶操作的控制，同时还能够确保在大风浪的条件之下，船舶也能够安全的作业。因此，就需要在原有系统设计方案的基础之上，针对具体的设计思路，展开深入的研究和探讨。通过改进方案的提出，对于原有的设计方案，进行优化与完善。

1 研究背景

对于当前的海洋工程来说，在深海技术持续推进发展的过程中，动力定位系统也具有较为广泛的应用范围。在船舶上所设置的动力定位系统就是依靠控制系统，实现对于推机器的驱动，这样就能够使船舶在航行的过程中，面对风浪、水流等外界环境条件之下，能够对于所作用于船的外力，实现有效的抵消，并通过对于船舶推力器大小、方向的调整和控制，让其始终维持在事先设定的位置上。对于船舶动力定位系统而言，可以将其简称为DP 系统。DP 系统属于闭环控制系统，通过该系统的应用，能够维持船舶航行的稳定性，确定船中心和船艏向，减少乃至消除航行方向与轨道偏离的问题。DP 系统能够依靠测量系统，对于船舶的实际位置进行检测。并通过对比得到和目标位置之间的偏差，在环境外力影响的基础之上，对于全部重新回归到目标位置所需要的推力大小，展开进一步计算。这样就能够针对船舶上的各个推进器，进行推力的分配，确保其能够通过推力的产生，从而抵抗环境外力对于船舶的运行所带来的干扰和阻碍。让船舶在航行的过程中，能够自动维持在预设值的轨道位置上。按照预先设计好的航线不断地前进。在当前的海上作业中，很多船舶都应用了动力定位系统。通过该系统的设置，不仅能够提高定位的精确度，而且具有良好的机动性和灵活性。在多种类型的海上作业中都较为适用，具有很多的应用优势。所以，在现阶段的各项研究中，也得到了重点的关注。

2 原有设计方案的概述

前期有一个广东省沿海600 吨级综合消防双体船的项目，因该船设计对外消防能力较强，全船配备7 台水炮，其中多功能消防炮1 台（流量3000m3/h，水射程大于200m），主消防水/泡沫炮2 台，副消防水/泡沫炮4台，所有消防炮通过驾驶室控制台及无线遥控器遥控，同时配有手动操作。船东要求在对外消防救援时，能精准打到目标。考虑该船水炮数量多、流量大和后坐力大的综合因素，我们经过多次技术讨论，最终给船东定下设计方案，引入DP 动力定位系统。另根据船东实际使用需要和作业海域情况，确认DP-1 入级符号。

在设计方案中，对于DP 动力定位系统进行了基本的配置，其中包含三方面的内容，分别为动力系统、推力器系统和动力定位控制系统。

（1）在动力系统中，我们选用船舶电站，涉及两台主柴油发电机组。在其中进行了相应的管理系统的设置，通过管理系统，能够进行自动并车和起停机组的操作，同时还能够进行负载的转移，实现对于大功率负载的询问。对于所出现的故障问题，具备报警和处理的功能。通过电力系统，能够对于动力定位系统中的各项设备，进行驱动动力的提供。作为工作电源，对于其他的控制系统和设备的运行，提供充足的电力。

（2）在推力器系统中，我们选用柴油机驱动的推进器，主推进装置选用全回转推进器，艏部设液压艏侧推，左右片体各一套以及有关的各种辅助性的设施。对于推进系统来说，其中很多设备可以相互备用，这样就能够确保整个系统维持在正常的运行状态，提高系统运行的效率，这样才能对于动力定位系统各项功能的实现，做到基本的保障，提高系统功能的安全性和可靠性。对于推进系统来说，其中所设置的设备相互之间的联通，以动力定位系统和通信线路作为主要的媒介。以自动或者是人工的方式，进行动力定位系统的操作与控制，这样就能够确保动力推进功能的实现。

（3）在动力定位控制系统中，包含动力定位操作台、系统控制器、便携式操作板等等。通过该系统的运行，能够在船舶行驶的过程中，实现自动化的定位、转向、巡航、导航以及跟踪目标航行。在整个系统中，主要的控制中心就是动力定位操纵台，在其上方设置了操纵杆、显示器等设备。对于操作台来说，通过便携式的操作板，起到备用的作用。在动力定位系统中，系统控制器主要负责信号采集以及信息处理等功能。在本文所设计的船舶系统中，在进行信号采集以后，通过控制处理器展开相应的分析和处理，之后再将处理过的信号传送到控制模块，进行具体的运算。并且在控制推进或者是报警设备中，对于控制指令进行发送，这样就能够让船舶的推进控制和报警功能，得到进一步实现[1]。

3 动力定位系统的设计原理

DP 定位系统可通过运用定位控制算法，对船舶在运行的过程中所处的位置进行具体计算。这样就能对于船舶进行有效控制，确保船舶能够在提前设计好的轨迹上按部就班的航行。对于船舶自动定位目标的实现具体的判定来说，就是在船舶实际航行的过程中，其与提前设定的坐标点之间存在的距离误差，能够控制在允许的范围内，那么就说明船舶自动定位目标的实现。

对于本文所设计的船舶来说，进行动力定位系统的控制的具体原理，就是在控制器中，对于提前设计好的航线轨迹和所要到达的终点坐标，进行预先输入。之后就能够在预定轨迹的基础之上，通过动力定位控制系统，结合相关的控制算法，对于船舶的航速和航向展开进一步设计。这样就能够实现船舶的有效控制，确保其能够按照预先制定好的轨迹，实现正常的航行。

从本质上来看，该系统属于多变量控制系统，具有双输入双输出的特点。因此对于所采用的算法来说，也有着较高的复杂性。通过相关的航海实验数据，在此基础之上，进行了动力自动定位运动曲线的绘制，如图1所示。

图1 自动定位运动曲线

为了让数据的比较更加鲜明，还在航海环境条件的基础之上，进一步的针对自动定位的流程，做到了数据上的反映。通过运动曲线得知，相较于实际的过程，仿真结果能够做到很大程度上接近。因此，这也证明了仿真算法具有一定的可信性。通过对于运动曲线的分析，能够判断动力定位控制系统具有较为复杂的结构，虽然针对控制器做出了一定的处理，但是依然无法实现良好的控制效果。整个系统具有较为迟缓的响应速度，存在着较为明显的控制偏差。

4 动力定位系统的控制测量

对于船舶的海上动力学特性而言，难以通过精准的数学模型来进行描述。而且在不同的海况背景之下，也会面对随机的外部干扰，从而导致统计特性出现难以预料的改变。所以在当前的动力定位系统中，对于系统进行有效控制，属于一个重点的研究内容。在船舶动力定位系统中，具体的应用性能指标涉及对于外界环境因素的快速响应，确保船舶能够按照预期的航行路线前进，维持在正确的位置。同时还要在保证系统安全、可靠运行的基础之上，能够在最大程度上，降低推进系统的能耗。所以针对这种控制要求，在进行控制策略的制定时，要对于如下几方面的约束条件，做到充分的考虑[2]。

（1）功率消耗。对于船舶而言，具体的功率产生比较有限，所以只有部分能够应用于推力器。在船舶航行的过程中，由于作业类型、发动机数量、海况、故障问题等多方面因素的差异性，也会分配不同的功率数量，所以就要有效的限制执行机构所获得的控制指令。要想最大化的实现性能，不会出现执行器的饱和，就要对于推力分配系统以及控制器，对功率的约束限制做到充分考虑。

（2）推力器负载。对于推力器的推力而言，其与机械属性有着密切的关系。所以在进行控制策略的制定时，也要对于硬约束做到充分的考虑。如果在电力的推进之下，就会带来高峰值推力，从而造成齿轮箱的损坏。所以为了确保运行的安全性，就要有效的限制螺旋桨的转速。另外，针对光滑的推力变化来说，也有助于能源节约目标的实现。

（3）操作区约束。在不同的作业类型的基础之上，就会根据具体的工作区域，存在差异性的操作约束。要想在当前的操作条件下，促进船舶性能最大化的实现。一般就要从安全或者是性能的角度上，进行操作区约束的引进。如果违背了这一约束，那么就可能会在作业的过程中，带来灾难性的后果。

（4）冗余度。在理想状态之下，通过推进器可以对于任何方向，进行推力的产生。在通常情况下，通过两个推进器就能够组成整个推力系统。但是由于推力器具有有限的推力容量，所以也就无法符合推力容量的需求。另外，对于推进器系统而言，要能够达到平台工作所提出的可靠性和可操作性的特点，所以一般来说在推进器系统中，会进行数量多达五个以上的推进器的设置。在这一过程中，需要对于推进器和船体之间各种影响因素，进行充分的考虑，并且要重视起来控制多个推进器所构成的冗余系统[3]。

所以，在对于船舶的动力定位系统进行控制策略的制定和安排时，要对于该系统的控制精度，做到充分的考虑和把握。同时，还要能够分析定位系统所具有的能耗以及响应速度。要想实现良好的动力定位系统的控制效果，就要在综合多效约束情况的基础之上，能够实现对于系统的优化控制。

5 控制系统技术

针对控制对象来说，具有双输入双输出的特点，因此在控制通道之间，具有耦合和关联关系的存在。在具体的处理时，就要通过解耦算法或者是多变量的控制。但是，对于这种算法处理方式来说，具有一定的复杂性，而且响应速度比较慢，因此在面对不确定多变量对象时，通过神经网络算法的应用，具有较高的适用性。

在本次的方案设计中，采取的是神经网络BP 算法的应用。这种算法的发展比较成熟，其中对于BP 网络来说，所应用的为二级网。在隐含层的内部包括五个单元，具体的原理就是在集中计算的基础之上，从而得到误差测度以及实际输出两个数值。同时还要进一步的调整输出层权，经过多次的循环和反复，直到对所有的样本都开展重复训练，确保其能够符合容限误差，满足预先设计好的学习速率以后，就能够判定训练工作目标的顺利完成[4]。

在具体的控制方案中，在神经网络中，以方位距离作为输入元素，而网络输出则为舵角和主机的运转方向。通过人工的船舶操作，从而将所获得的数据当作样本，进行之后的网络训练。这样就能够在船舶朝目标坐标航行的过程中，通过网络对于具体的主机和舵机运行规律进行识别。同时还能够在网络权重中，完成对于规律的贮存。在这种情况之下，如果提前进行了船舶运行航线的确定，那么在经过训练之后的网络，就可以在船舶航行的各个阶段，对于舵角和主机选项进行有效的预报。这样就能够对于船舶实现自动化的引导，让其能够朝着指定的位置不断地前进。

通过对于完成训练网络的运用，让其成为在动力定位系统中的控制器。在经过运算输出以后，就能够实现对于操舵仪和主推进器的直接控制，进行船舶在航行过程中的方向和速度的改变，实现对于船只的自动化的操作，从而让其不断地接近指定位置。

6 结语

综上所述，对于高性能船舶而言，通过高效的动力定位系统的建立，能够促进船舶自动化航行目标的实现。并在这一过程中，有效地防止各种问题的出现。即便遇到较为恶劣的海上作业条件，也能够实现船舶的安全航行。船舶的动力定位系统从70 年代逐渐发展起来，在海洋工程、科学考察等领域有着重要的用途，也因应国家海洋强国的政策，各种公务执法船艇、特种工作船和海上风电运维船的功能需求提高。随着船舶电力推进的成熟和自动控制理论的发展，动力定位系统的性能也不断提高。所以就要通过进一步的强化对于动力定位系统技术的分析，促进系统技术水平的提高。