開題報(bào)告

電氣工程及自動(dòng)化

船舶動(dòng)力定位控制技術(shù)研究

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

船舶在海上運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到風(fēng)、海浪和海流等海洋環(huán)境的干擾，這樣船舶就產(chǎn)生了受擾運(yùn)動(dòng)。例如科學(xué)考察船在海上進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要停在指定的位置上。但是由于海上環(huán)境的影響，考察船不能一直停在指定的位置上。因此為了確保船舶在海上運(yùn)作的穩(wěn)定性，需要對(duì)船舶進(jìn)行定位。以往，傳統(tǒng)的定位方法是錨泊定位。傳統(tǒng)的拋錨定位是將錨扔入海底，利用錨鉤住海底的淤泥，從而使船舶抵抗受到的外界的干擾力。拋錨定位它的優(yōu)點(diǎn)是，錨是任何船舶上都會(huì)備有的定位設(shè)備，從而不用另外加裝其他的定位設(shè)備。但是這種定位系統(tǒng)有不可避免的缺陷：1、定位不夠準(zhǔn)確，其精確性與水深成反比；2、拋錨、起錨費(fèi)時(shí)比較麻煩，機(jī)動(dòng)性能差。一旦拋錨，如果需要重新定位時(shí)，需要收錨然后重新拋錨定位，這一過程本身就很繁瑣和費(fèi)時(shí)。3、錨泊系統(tǒng)很容易受海底情況及水深的影響和限制，在一般情況下，它的有效定位的范圍是在水深100米左右的區(qū)域。4、對(duì)于一些需要在深海作業(yè)或者航行的船舶，隨著水深的增加，錨泊系統(tǒng)的抓底力會(huì)逐漸減小，拋錨的困難程度也會(huì)增加，同時(shí)還要增加錨鏈的長度和加強(qiáng)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致錨鏈的重量一下增大，使海上的布鏈作業(yè)將變得復(fù)雜。此外，錨鏈的價(jià)格和安裝費(fèi)用也會(huì)猛烈增加。在實(shí)際情況下，當(dāng)水深達(dá)到一定的深度時(shí)，多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)已經(jīng)沒有多大的用處。

而船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)的定位不同，它不需要借助錨泊系統(tǒng)定位，而是通過測量系統(tǒng)檢測出船舶的實(shí)際位置與所需要的目標(biāo)位置的偏差，然后再根據(jù)外部環(huán)境擾動(dòng)力的影響來計(jì)算出使船舶恢復(fù)到目標(biāo)位置時(shí)需要的推力大小，再通過控制船舶上的推力器進(jìn)行推理分配，從而使推力器產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的推力，盡可能地使船保持在要求的位置上。動(dòng)力定位系統(tǒng)的特點(diǎn)是不受海水深度的影響，推力器能在任何水深下提供推力抵抗環(huán)境力，動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位成本不會(huì)隨著水深的增加而增加，同時(shí)它具有定位迅速準(zhǔn)確，快速響應(yīng)天氣環(huán)境的變化和不受海洋環(huán)境的影響等優(yōu)點(diǎn)。由此看來，相比于傳統(tǒng)的錨泊定位，動(dòng)力定位有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于深海領(lǐng)域。因此對(duì)動(dòng)力定位的研究具有重要的意義。

動(dòng)力定位系統(tǒng)（Dynamic

Positioning

System）是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，它是通過推力器來提供抵抗風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使船盡可能地保持在海平面上要求的位置上，其定位成本不會(huì)隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便。

隨著動(dòng)力定位技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力定位的概念也在擴(kuò)大。采用動(dòng)力定位技術(shù)，可以使船舶與其他船只保持相對(duì)位置不變，使船舶按預(yù)定軌跡移位，按預(yù)定計(jì)劃航線以預(yù)定航速航行，實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)駕駛，對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤等。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的工作原理如下：該系統(tǒng)由DP控制和JS控制組成。其中DP控制是自動(dòng)控制而JS控制是人為手動(dòng)控制。其中風(fēng)速風(fēng)向儀、差分GPS、電羅經(jīng)和參考垂直單元等用來測量位置和外部環(huán)境信息，然后將這些信息經(jīng)過信息采集單元的收集和處理傳送給DP控制主電腦進(jìn)行計(jì)算，再將計(jì)算的結(jié)果傳送給信號(hào)處理單元，接著輸出到控制轉(zhuǎn)換單元來控制推進(jìn)器等設(shè)備來產(chǎn)生推力。其中的推進(jìn)設(shè)備中的主發(fā)1、主發(fā)2、主發(fā)3是三臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)。母聯(lián)1和母聯(lián)2分別是主配電板和配電板。通過船舶的功率管理系統(tǒng)即PMS管理輸出控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)這三臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)供電開關(guān)、主配電板和配電板的開關(guān)使相應(yīng)功率提供得到保障。JS控制是人為通過輸入?yún)?shù)來控制。

通常研究船舶在海上的運(yùn)動(dòng)需要建立運(yùn)動(dòng)模型。由于海流、風(fēng)和波浪的作用，導(dǎo)致船在海上航行或者作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。通常對(duì)于在海上環(huán)境作用下的水面動(dòng)力定位船舶，動(dòng)力定位系統(tǒng)是用來控制船舶的縱蕩（X向）、橫蕩（Y向）和艏搖的平面運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)力定位船舶數(shù)學(xué)模型由兩部分組成：第一部分低頻運(yùn)動(dòng)（小于0.5rad/s），動(dòng)力定位系統(tǒng)僅僅控制的這部分運(yùn)動(dòng)是由海流、風(fēng)和二階波浪引起的運(yùn)動(dòng)，這樣做的好處是減少控制所需的能量和推力器的磨損，還有降低設(shè)備的制造成本；第二部分是由一級(jí)波浪引起的高頻運(yùn)動(dòng)（0.3~1.6rad/s），由于這部分運(yùn)動(dòng)造成船舶的振蕩，不會(huì)造成船舶的位移，因此這部分運(yùn)動(dòng)不反饋給控制系統(tǒng)，控制器也不控制這部分運(yùn)動(dòng)。船舶的總運(yùn)動(dòng)是由這兩部分迭加而成。

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)最早開始使用是從20世紀(jì)60年代和70年代初。而率先使用動(dòng)力定位系統(tǒng)的船是用于鋪設(shè)電纜，勘探或是對(duì)水下的作業(yè)進(jìn)行一定的水面支援，并且船的排量大概是450—1000噸?！蔼q勒卡”號(hào)是第一艘裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶。動(dòng)力定位系統(tǒng)最明顯的特點(diǎn)是它一般都裝有好幾臺(tái)推力器，但是并不會(huì)影響船體的形狀和尺寸。在早期的裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)船舶中，最出名同時(shí)也是最成功的是“格洛馬挑戰(zhàn)者”號(hào)。這艘船差不多游遍了世界的每一個(gè)海洋，在水深超過2000英尺的海洋中收集巖心，這些巖心為地質(zhì)學(xué)上的發(fā)現(xiàn)特別是為板殼結(jié)構(gòu)理論提供了非常有利的證據(jù)。

在第二代裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶中，雖然每艘船舶都有一些不同之處，但是都采用了差不多相同的傳感器和數(shù)字計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，數(shù)字控制器一般都是有計(jì)算機(jī)組成的，而位置傳感器是從單一型發(fā)展到綜合型的，在一個(gè)系統(tǒng)中可以同時(shí)采用豎管角、聲學(xué)和張緊索這三種位置基準(zhǔn)傳感器。第二代動(dòng)力定位船舶中最具有代表性的船舶是“賽德柯445”，該船是在1971年投入運(yùn)營的，與早期的動(dòng)力定位系統(tǒng)相比，它的主要的特點(diǎn)是采用了數(shù)字式的控制器，其中包括了一臺(tái)16位小型計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)可以長期不間斷的運(yùn)行。同時(shí)該船還裝有多臺(tái)推力裝置，其中有2個(gè)主螺旋槳與11個(gè)輔助推進(jìn)器。

第三代動(dòng)力定位系統(tǒng)開始形成于80年代初，當(dāng)時(shí)主要采用的是剛開始發(fā)展起來的微處理機(jī)技術(shù)和Vme、Mutibus多總線標(biāo)準(zhǔn)等，其中典型的有法國的DPS800、挪威的ADP100、ADP503系列，這些動(dòng)力定位系統(tǒng)裝備了潛水支持船、海洋三用工作船、科學(xué)考察船、穿梭油船、消防船、電纜敷設(shè)船等多種船舶。

我國從70年代開始研究動(dòng)力定位技術(shù)，目前有很多研究單位通過結(jié)合實(shí)際課題并且開展了技術(shù)攻關(guān)。例如，我國唯一的專門從事國際海底區(qū)域資源勘察研究開發(fā)的“大洋一號(hào)”遠(yuǎn)洋科學(xué)考察船，該船已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。2002年，該船進(jìn)行了動(dòng)力定位系統(tǒng)，用以科學(xué)考察船在海上的作業(yè)需求。

由于推進(jìn)技術(shù)、傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使動(dòng)力定位系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的進(jìn)步，然而動(dòng)力定位技術(shù)的核心是控制技術(shù)，因此控制技術(shù)的發(fā)展才真正代表了動(dòng)力定位技術(shù)的發(fā)展水平。到目前為止，動(dòng)力定位控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代，這三代動(dòng)力控制技術(shù)的特點(diǎn)分別是經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論在動(dòng)力定位控制技術(shù)中的應(yīng)用。以下是幾種控制技術(shù)的介紹：

1、PID控制

PID控制是早期的動(dòng)力定位控制技術(shù)，它控制船舶的三個(gè)自由度，分別是縱蕩、艏搖和橫蕩。PID控制采用風(fēng)前饋技術(shù)，根據(jù)艏向和位置的偏差來計(jì)算推力大小，然后確定推力的分配邏輯并控制推力器產(chǎn)生推力，從而實(shí)現(xiàn)船舶的定位。在早期不得不說PID控制確實(shí)取得很大的成功。但是PID控制

還是有不可避免的缺陷，首先，PID控制使用的是一種線性模型，而動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種非線性系統(tǒng)，因此PID控制的功效就有一定的局限性。此外，由于海上的環(huán)境情況是不斷變化的，因此對(duì)PID參數(shù)的選擇也要隨之變動(dòng)。這也促使了動(dòng)力定位控制技術(shù)要進(jìn)一步的發(fā)展[6]。

2、LQG控制

第二代動(dòng)力定位控制技術(shù)是LQG控制，該技術(shù)在現(xiàn)代的船舶應(yīng)用十分廣泛，它將Kalman濾波引入到動(dòng)力定位的控制中，通過Kalman濾波器測量船舶的位置信息，然后估算出其低頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將之反饋形成針對(duì)船舶低頻運(yùn)動(dòng)的線性隨機(jī)最優(yōu)控制。LQG控制在魯棒性、節(jié)能和安全上較PID控制都有較大的進(jìn)步，同時(shí)還解決了在控制中由于濾波而導(dǎo)致的相位滯后的問題。但是也有一些缺點(diǎn)：一是它的計(jì)算工作量比較大；二是由于模型不夠精確導(dǎo)致有一定的誤差產(chǎn)生。

3、模糊控制

模糊控制是一種新型的控制技術(shù)，它與傳統(tǒng)的控制技術(shù)有一定的區(qū)別。模糊控制可以不依賴于對(duì)象的精確模型，魯棒性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)?？紤]到船舶動(dòng)力定位的特點(diǎn)，模糊控制技術(shù)還是比較適合的。Inoue最初在單點(diǎn)系泊中結(jié)合了模糊控制動(dòng)力定位，給出了其基本的模型，控制器的輸入量是位置及位置偏差，輸出量是推進(jìn)力。但是模糊控制缺乏自適應(yīng)與自學(xué)習(xí)的能力導(dǎo)致其控制策略都是提前設(shè)定好的，一旦海上情況發(fā)生變化，控制的效果將不會(huì)很理想。因此在模糊控制中加入自我調(diào)節(jié)功能，這樣能提高模糊控制在外部條件發(fā)生變化時(shí)能自動(dòng)調(diào)整控制策略。

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制一樣，都屬于智能控制。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制比較適合高度非線性和不確定性的對(duì)象，所以還是比較適合作為動(dòng)力定位控制技術(shù)來使用。Yip和Pao為了證明用船的軌跡可以導(dǎo)出漂移力的基礎(chǔ)上提出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，并把它應(yīng)用到動(dòng)力定位系統(tǒng)中。做法如下：將一段時(shí)間歷程的控制力及船的平均位置作為輸入，通過一個(gè)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)船的漂移動(dòng)力學(xué)關(guān)系，以此來預(yù)測為使船在下一時(shí)刻與預(yù)定位置誤差最小所需的控制力。值得注意的是控制力也包括下一時(shí)刻將要受到的波浪漂力。

總

結(jié)：船舶動(dòng)力定位技術(shù)作為一種新型的海上定位技術(shù)，相比傳統(tǒng)的定位技術(shù)，它具有快速定位，定位的區(qū)域不會(huì)隨著水深的增加而受到限制，受海上環(huán)境及天氣的影響較小。除此之外，動(dòng)力定位的費(fèi)用也不會(huì)隨著水深的增加而提高。由于動(dòng)力定位技術(shù)的優(yōu)越性，這種定位方法已經(jīng)應(yīng)用到很多的船舶，例如，客船、貨船、挖泥船、海纜船等需要在海上需要作業(yè)的船舶。動(dòng)力定位技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)也變的越來越先進(jìn)。而控制技術(shù)作為其核心部分，也得到了快速的發(fā)展。從早期的經(jīng)典理論到現(xiàn)在的智能控制理論，控制技術(shù)也朝著越來越智能化的道路發(fā)展以便船舶能更好地適應(yīng)海洋上復(fù)雜多變的環(huán)境。模糊控制技術(shù)作為智能控制技術(shù)的一種，它的特點(diǎn)是不依賴于對(duì)象的精確模型，魯棒性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。模糊控制比PID控制更適合動(dòng)力定位控制技術(shù)。近幾年我國動(dòng)力定位控制技術(shù)發(fā)展很快，但跟國外的動(dòng)力定位控制技術(shù)還有差距。而且我國很多的動(dòng)力定位控制技術(shù)還停留在理論仿真和實(shí)驗(yàn)研究的狀態(tài)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力定位控制技術(shù)的精度和穩(wěn)定性將有更好地提升。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

（1）了解現(xiàn)行船舶動(dòng)力定位控制的技術(shù)

（2）分析相關(guān)的船舶機(jī)動(dòng)力定位控制的技術(shù)

（3）比較和分析動(dòng)力定位控制中的PID控制與模糊控制

（4）制定一套比較適合現(xiàn)在船舶的動(dòng)力定位控制技術(shù)

（5）得出相關(guān)結(jié)論

措施：圖書館查找相關(guān)的書籍、期刊、雜志等，通過上網(wǎng)尋找相關(guān)的一些資料，查看當(dāng)代對(duì)該技術(shù)的研究成果和最新的動(dòng)態(tài)。然后通過對(duì)這些資料的學(xué)習(xí)和研究進(jìn)一步的熟悉和理解設(shè)計(jì)所需的相關(guān)知識(shí)。在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)與指導(dǎo)老師探討，對(duì)不了解的問題及時(shí)向老師請(qǐng)教。

四、參考文獻(xiàn)

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