分析船舶動力定位系統及其控制技術

摘? 要? 隨著海洋工程與深海技術的發展，使動力定位系統及其控制技術得到了更為廣泛的應用。基于此，本文通過對船舶動力定位系統的概念、原理以及基本功能進行分析;再對其控制技術進行分析;最后，對影響船舶動力定位系統控制技術有效運用的因素進行分析。以供相關人士的閱讀與分析。

關鍵詞? 船舶動力定位系統? 船舶動力控制技術? 分析

一、船舶動力定位系統的概念、應用原理以及基本功能分析

（一）船舶動力定位系統的概念

船舶動力定位系統，是一種閉環式的動力控制系統，它不用通過錨泊系統作用，就可以對船舶航行的實際位置與目標位置之間的偏差進行分析，同時可以對風浪、水流等外界干擾動力進行判斷，并對船舶回歸正確航線所需要的動力大小進行計算，之后船舶上的動力系統會產生相應的動力，使船舶盡量保持在正確的航線位置上[1]。船舶動力定位系統的優點是，水深的增加并不會使定位成本提高，且操作簡便、調整迅速。船舶動力定位系統作為海洋事業發展的重要應用技術之一，其在深海油氣勘探與開采、海底作業、海洋資源調查、海洋工程管纜鋪設等工作中是不可缺少的。

（二）船舶動力定位系統的基本組成與工作原理

1.船舶動力定位系統的基本組成

船舶動力定位系統基本是由控制系統、動力系統，以及位置測量系統所組成的。其中，測量系統是獲取船舶運行狀態、周邊環境等信息的傳感系統，而傳感系統則由聲學定位系統、電羅經、DGPS、以及風向風速儀等組成。

2.船舶動力定位系統的應用原理

動力定位系統在實際工作時，需要通過測量系統獲得船舶的航行信息、環境信息，再對船舶的實際位置與目標航線之間存在的偏差進行分析，之后利用控制系統根據偏差計算出調整偏差所需的推動力，并對推動力進行合理的分配。通過控制系統的調控與作用，使船舶可以利用自身的動力與推進系統，以抵抗風、浪、流的影響作用，使船舶的航向得到保障。當船舶在航行時，很難用精準的數據模型對其動力特點進行詳盡的描述，而風、浪、流等因素，則會因海域情況的變化而變化[2]。

（三）船舶動力定位系統的基本功能分析

1.定點控位功能

通過在船舶的控制臺輸入某一坐標點作為定位點，經系統分析與計算可獲得到達定點所需推動力的大小，并發出相應的控制指令，利用推進器將船舶移動至預期位置，并可以將準確度保持在一定范圍內。

2.航跡控制功能

當船舶在進行航行或作業時，需要根據設定好的航線進行航行，因此需要相應的系統或設備為船舶提供航行指令、速度指令等，并利用控制器發出控制船舶按照預定軌跡前進的指令。在對船舶航跡進行控制的過程中，控制系統需根據海上環境的變化及時對艏向進行調整。

3.艏向控制功能

在船舶行駛時，可人為設定船舶艏向，當實際艏向與設定艏向之間存在偏差時，系統應自動對目前的船舶艏向進行調整，并將船舶艏向精準的控制在一定范圍內。

二、船舶動力定位系統的控制技術分析

（一）PID傳統控制技術

PID控制器是早期控制器的代表，船舶動力定位系統中的PID控制技術，以PID控制為基礎，可以對船舶的橫蕩，縱蕩以及艏搖進行控制，并根據航行位置對推動力的大小進行計算，之后對推動力的分配進行確定，實現對船舶的定位。這種控制技術雖然早期應用較為普遍，但其卻有著極為明顯的缺陷：首先，對位置與艏向的控制并不是以模型為基礎的，屬事后控制，這使控制的精確程度與反應速度具有局限性[3]。其次，如果以PID控制器為基礎，使用低通濾波技術，可以對高頻信號進行過濾與清除，但這種操作卻極易造成定位誤差信號出現相位滯后性，進而限制用于控制器的相角裕量，影響定位的精確度。

（二）智能控制技術

智能控制技術是利用思維具有非線性的特點進行控制的，且具有較好的實踐效果。在船舶動力定位系統中加入自適應模糊控制，通過以人工神經網絡為基礎的控制技術，可以對目標定位進行有效調節，使前饋控制可以適應不同環境因素的干擾。同時，智能控制技術可以結合幾種不同的控制方法，設計出新型組合式的控制系統，并可以將各種控制技術中的優勢進行融合，彌補單一控制方法的不足，從促進控制技術的進一步發展。

（三）非線性控制技術

非線性控制技術具有非線性分析、改善性能，以及對數據模型中的不定項進行有效處理等特點。由于動力定位系統與外界干擾因素具有較為復雜的非線性特征，因此非線性控制技術的應用具有一定優勢。在實際操作中，可針對動力定位系統設計一個非線性觀測器，并利用Lapunov證明其穩定性，之后可以利用觀測器對船舶位置、行駛速度以及外界環境等信息進行獲取與判斷。

三、船舶動力定位系統控制技術有效運用的影響因素分析

船舶動力定位系統的主要功能是，迅速對外界環境因素做出反應，使船舶可以在預設航線、位置上航行，并在保證動力定位系統安全、可靠的前提下使推進能耗最小。因此，為有效運用船舶動力定位系統的控制技術，應注重以下影響因素。

（一）功率的消耗

船舶所能產生的功率是有限的，推力器也并不能全部使用。而受海上環境、作業類型、故障情況的影響，使各推進器被分配到的功率也有所不同。因此，船舶在實際航行中，所得到的控制指令會受到一定限制。為使船舶可以充分發揮其自身的功能性質，并可以避免執行器飽和問題的出現，在進行推力分配時應充分考慮到船舶的功率數量，從而對船舶進行更加有效的控制。

（二）冗余度

在理論中推進器可以產生任何方向的推力，因此只用兩個推進器就可以組成一個完整的推力系統[4]。但因實際工作中的單個推進器容量有限，僅兩個推進器是無法滿足實際所需的推力容量;同時，推進器系統必須滿足系統工作所需的可操縱性與可靠性，因此推進器的應用一般在五個以上。

四、結束語

綜上所述，隨著船舶與海洋工程的飛速發展，使得船舶與海洋平臺運行的重要基礎應用技術之一的動力定位系統得到了重視與發展。船舶在進行海洋作業時，航行與停泊的位置精確度直接影響其作業執行的效率與質量，因此需要通過動力定位系統進行精準的定位。動力系統在實際工作中，通過控制技術，可以對船舶行駛數據進行及時的傳輸、處理以及反饋，從而保障了船舶航行的質量，促進了海洋工程與技術的進一步發展。

參考文獻：

[1]關克平，張新放.滑模控制船舶動力定位控制系統研究[J].艦船科學技術，2018，40（3）：61-65.

[2]張政，李文明.大型海工船DP系統引航應用可行性分析[J].中國水運（下半月），2019，019（006）：16-17，19.

[3]謝珉，王鋒，劉江.輔船動力定位系統的故障模式分析及應用[J].船舶設計通訊，2019（A01）：110-115.

汪丹萍? 上海中遠海運重工有限公司? 上海中遠船務工程有限公司