船舶動力定位系統控制技術的發展與展望

李國材

摘 要：隨著人類對深海的不斷開發，動力定位系統在海上平臺、海上作業船舶、軍用艦船及水下潛器中的應用也越來越廣泛。本文首先分析了動力定位系統的組成和其工作原理，接著簡要敘述了船舶動力定位系統控制技術的發展歷程，之后介紹了一些常用的動力定位系統控制技術，最后展望了動力定位系統控制技術的相關熱點發展情況。

關鍵詞：動力定位；船舶；控制技術

隨著人們對海洋經濟的發展，海洋資源的應用范圍也越來越廣泛。復雜多變的深海環境，對定位精度也提出了越來越高的要求。導致傳統的錨泊系統無法滿足如今的定位精度要求，而近些年開發的船舶動力定位系統能準確地保持相關位置及航跡，因此已被越來越廣泛地應用到海洋工程中，而相關船舶動力定位系統控制技術的應用也越來越關鍵。為此，本文進行了如下探究。

1 動力定位系統的組成結構及其工作原理

1.1 有關結構

動力定位系統主要由以下系統組成：即位置測量、控制及推力三大系統。測量系統是一種傳感器系統，它可以準確測量環境及船舶運動的相關參數。控制系統具有處理由測量系統檢獲得的信息的功能，從而得出推進器控制信號，實現對推進器的控制，進而保證動力定位船舶在相關外力的推進下，朝向預訂的航行位置行駛。

1.2 有關工作原理

動力定位系統基于測量系統測出的信息，對船舶的實際位置艏向與設計數值進行比較分析，基于得出的偏差，控制系統可以計算出推力，進而對推力進行合理分配。通過控制系統的調控，船舶可以抵抗各類力矩的影響，從而保證船舶的航向及位置。如圖1所示為動力定位系統的工作原理。動力定位系統的控制策略是根據其工作原理制定的，它可以同時兼顧能耗、控制精度和響應速度。

2 動力定位系統控制技術的發展概況

在上世紀60年代，船舶動力定位系統被首次使用。鉆井船“Eureka”號是第一艘動力定位系統船舶，它是基于自動控制原理進行設計的。該船的動力定位模擬系統連接著外界張緊索系統。除了主推力系統之外，該船在船的首、尾都安裝了側推力系統，此外在其船身底部，配備安裝了推進器多臺。而第二代動力定位系統則始于上世紀70年代，系統采用先進的kalman濾波控制技術，使相關基準傳感器能夠同時運行使用，在長時間連續性運行方面具有優勢。而第三代動力定位系統始于上世紀80年代。系統采用微機技術及多種線標準控制系統。代表性系統有AD-P100、AD-P503及DPS800等。但是，中國對定力定位系統的研究相對滯后，其研究主要集中在科研單位和相關高校。“大洋一號”科考船是中國自主研發制造的首艘裝有動力定位系統的船舶。

3 介紹常用的動力定位系統控制技術

3.1 PID控制技術

PID控制技術代表著早期動力定位控制技術，基于PID控制技術，可以實現對船舶的橫蕩、縱蕩及艏搖的控制。通過分析比較得出的位置與艏向的偏差，進行推力大小的計算，進而使推力分配邏輯得以確定，最后推力形成，實現對船舶的定位。目前，這種PID控制技術已經成熟，它具有價格相對較低、應用范圍廣及操作方便等特點，所以該種技術在早期船舶動力定位中得到了廣泛的應用。而現今船舶的動力定位系統要求更高的控制精度和更快的航行速度，致使該技術已逐漸被淘汰。如圖2所示為PID控制技術的工作原理。

3.2 LQG控制技術

LQG控制技術類型為線性二次高斯型，主要采用卡爾曼濾波等最優控制技術，已經在第二代動力定位系統中得以廣泛的應用。在進行定位控制中，通過該技術，可以使濾波形成的滯后問題得以解決，相較于PID控制技術，該控制技術的節能、安全及魯棒性能更加優異。而且，現在動力定位系統普遍采用LQG控制技術，其響應速度和控制精度均能滿足系統要求。

3.3 模型參考自適應控制技術

為了提高控制系統的控制精度、改善其魯棒性能。目前，很多學者基于自適應控制，研究了動力定位系統。模型參考自適應控制是具有代表性的控制技術，存在兩種自適應律設計方法：局部參數最優法；穩定性理論法。局部參數最優方法的穩定性不高。穩定性理論方法能使控制器自適應的穩定得以確保。因此，設計動力定位控制器使，人們常常采用穩定性理論方法。該控制系統包括外環和內環兩個環路。外環負責對控制器參數進行調整；內環由被控對象及控制器組成，它是一種反饋回路。模型參考自適應系統具有自適應快、實現方便的優點，但是沒有記憶能力。

3.4 反步法

反步法是基于由前往后遞推進行設計的方法。反步法的原理為：先將復雜的非線性系統劃分為子系統，再在每個子系統中，設計中間虛擬控制量和李亞普諾夫函數，并“后退”經過整個系統，集成它們后，整個控制律設計便完成了。通過縮小實際軌跡和設定軌跡的偏差，反步法可以全局調節或跟蹤系統，從而使系統的性能指標達到期望值。反步法中的虛擬控制是一種靜態補償，通過虛擬控制后面子系統，前面的子系統才能實現鎮定控制。因此，構造合理的虛擬控制器是反步法設計中最為關鍵的步驟。而且，在高階非線性控制方面，反步法具有突出的優勢。

3.5 模糊控制技術

在一定程度上，模糊控制模仿了人類智能的推理方式，它能有效解決非線性及不確定性等各類不適定問題。基于船舶動力定位自身的特點，模糊控制技術非常適合在船舶動力定位中使用。基于模糊控制動力定位，構造了基本的船舶動力定位模型，控制器的輸入量采用位置間的偏差值，輸出量采用推進器的推進力。但是，常常預先就確定了控制策略，因此，一旦環境發生變化，將導致控制效果降低。所以，模糊控制必須引入自我調節功能，能針對外界的干擾情況，在系統的運動過程中實現對控制策略的自動調整。模糊控制有很多優點：比如優異的魯棒性能、不依靠精確的對象數學模型、較快的響應速度和極強的抗干擾能力等。但是，模糊控制技術一般不具備自適應及自學習功能。

3.6 神經網絡控制技術

神經網絡模擬了生物神經網絡，它是智能控制系統的一個重要組成部分，對于高度非線性及不確定性的對象較為適合。因此，動力定位控制設計中常常采用神經網絡控制技術。神經網絡具有很強的容錯能力，同時也具備自適應學習能力。但是，在基于規則的知識表達方面，神經網絡控制技術顯得不太適合。

4 展望動力定位系統控制技術的熱點

有關文獻顯示，今后人們在研究開發動力定位系統控制技術的過程中，將會主要關注以下幾方面的熱點：準確預測二階波浪力，并及時進行快速補償；集成多種智能控制方法，并引進更高精度的控制算法；在全面管理能量的基礎上，優化推力分配；解決極端海況下欠驅動的問題等。除了以上非正常狀態下的有關動力定位控制技術熱點，以后人們對動力定位系統控制技術的研究，也將會廣泛關注對新型組合式的控制系統設計，使各自控制方法的優點得以發揮，同時能使單一控制方法的缺點得以彌補改進。

5 結語

綜上所述，作為一種先進的海上定位技術，與傳統的舊式錨泊相比，船舶動力定位控制技術具有更準確的定位功能及更好的機動性，而且不會受到海水深度的限制。其方便快捷的投入撤離優勢，在中國海洋資源的開發及，現代化海軍的組建方面發揮著重要的作用。所以，需要加強對船舶動力定位系統控制技術的研究力度，并重點開展實用方面的研究，以便接近國外先進水平。

參考文獻

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（作者單位：太平洋海洋工程（珠海）有限公司）