船舶動力定位系統控制器設計

張豐

摘 要：近些年來，隨著我國科技水平的不斷提升，各行各業的技術手段得到明顯改進與優化，尤其是船舶業。目前，以動力系統為主的系統設置逐漸成為船舶業廣泛應用的運行系統，取得的應用效果較佳。究其原因，主要是因為船舶動力系統能夠為船舶行駛提供源源不斷的動力。即便在正式運行過程中，出現突發情況，動力系統也會根據突發情況的不同，進行不同程度的抵御。因此可以說，船舶動力系統的廣泛應用為我國船舶業帶來無限發展機遇，利于實現長足發展目標。針對于此，研究人員最好結合船舶動力系統的應用情況及相關性質，做好系統的精度控制工作，從根本上確保船舶行駛的安全性與合理性。

關鍵詞：船舶動力;定位系統;控制器;設計

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。

1.3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。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 動力定位船舶推力優化分配

2.1動力系統主機

主機是船舶的最初動力來源，按照原理的不同可以分為柴油主機、燃汽輪機等，其中，柴油主機輸出功率高，成本低，結構簡單，是目前裝機量最廣的一種主機類型。

2.2傳動裝置

傳動裝置是主機功率的傳遞設備，主要是指傳動軸系。傳動軸系的作用包括：在一定工況下，將主機與推進器隔開，起到離合器的作用;利用軸系的齒輪箱等結構，實現減速和方向傳動的作用。

2.3推進器

推進器是船舶與水發生相互作用的裝置，通常是指螺旋槳。螺旋槳的水動力特性決定了與海水相互作用力的質量，進而決定了船舶的推進力質量。因此，有必要對螺旋槳的水動力特性進行研究。

當船舶處于環境力較小而方向頻繁變化的特殊海洋環境中定位作業時，采用常規的推力分配方法將會導致推進器的方位角也頻繁地變化，但由于推進器本身的物理特性，方位角轉動速度有限，很可能出現方位角的滯后現象而影響船舶的定位精度，同時也會加速推進器的磨損。針對這類問題，Kongsberg提出了偏置的思想，即對DP 船舶的推進器進行分組，允許推進器之間推力相互抵消。這種方法雖然額外消耗了部分功率，但避免了因推進器頻繁轉向而降低定位精度及加速推進器磨損等問題，在實際工程中有重要應用價值。Veksler 采用組合偏置算法以減少 DP 船舶在復雜工況下船舶電站的功率大幅度波動。國內學者施小成、魏玉石等人針對組合偏置算法提出了自適應組合偏置策略，仿真結果表明自適應組合偏置策略能有效地提高船舶的動態性能，但是沒有系統研究偏置量的大小對偏置效果的影響，而且在組合偏置后存在推進系統能量消耗過大的問題。

3 多傳感器系統

船舶動力定位系統需要采集大量的位置信息、速度信息、氣象信息、動力信息等，因此，采用多傳感器系統非常有必要。

多傳感器系統是一種結合了傳感器技術、通信技術、嵌入式技術、計算機技術的綜合信息系統，在船舶動力定位過程中，可以高效、快速的監測、采集各種環境或對象的信息，并將信息傳送至船舶動力定位控制系統。其顯著特征是傳感器節點的相互協作，從而使獲取的信息具有快速、精確的特點。其信息融合與重構技術是指將多個傳感器節點采集的信息進行匯總，并在簇節點和匯聚節點上完成信息的處理和分析，然后將信息通過總線網絡傳送至動力定位控制中心。

4 船舶動力系統控制器的設計方案

船舶所處的環境較之一般交通工具而言，呈現出的時變性以及非線性程度較高，再加上海浪等環境因素的干擾與影響，很容易對船舶的正常航行效果產生不利影響。針對于此，我們必須做好船舶動力系統控制器的設計方案，從根本上確保船舶航行的安全性與合理性。結合以往的實踐經驗來看，船舶動力系統控制器在具體組成方面，多以自抗擾控制器為主。自抗擾控制器（ADRC）主要以跟蹤微分器（TD）、擴張狀態觀測器（ESO）以及非線性反饋（NFSEF）為核心控制環節。在實際應用過程中，可以根據船舶實時位置的濾波情況或者實際航行狀態，進行合理監測。一般來說，通過應用自抗擾控制器可以最大限度地確保船舶定位的精準性，利于船舶的安全航行。

動力定位系統在正式運行過程中，往往需要先設定好位置，并輸入相關信號，才能夠發揮跟蹤微分器的作用。如跟蹤微分器可以對輸入的給定信號進行檢測與處理，發出高品質的微分信號。并在此基礎上，根據跟蹤微分器的處理作用，確保控制器的魯棒性得以有效提升。另外，在船舶定位系統運行過程中，運動速度往往是由狀態觀測器觀測得到的數據。為進一步夯實其的測量精度，建議研究人員在設計過程中，需要綜合考慮動力定位系統的濾波情況以及具體的運行狀態，防止船舶實際運行過程中出現安全事故。

需要注意的是，擴張狀態觀測器在實際工作過程中，必須控制好其的參數數值，確保船舶運行始終保持穩定狀態。與此同時，操作人員可以根據控制器系統反饋出的數據進行綜合分析，對系統實施動態反饋補償機制，抑制不良因素的干擾作用，最大限度地確保船舶動力系統的運行安全，規避隱患問題的出現。

5 關于船舶動力系統控制技術的相關研究

隨著計算機技術與傳感器技術的深入發展，船舶動力系統的控制技術在發展方面，已經經歷三個階段的發展歷程。各個階段根據各自的理論基礎進行不斷改進與完善，如經典控制理論、現代控制理論、智能控制理論等。結合實際來看，國內外在研究船舶動力系統控制器裝置當面，主要以智能控制理論為研究基礎，并結合以下控制技術對船舶動力系統控制器進行合理優化，分別是：

5.1 PID 控制

PID 控制主要結合經典控制理論予以實現的控制技術。一般來說，PID 控制實現對船舶三個自由度的控制要求，完成控制器的控制與管理任務。然而，結合實踐經驗來看，PID 控制系統在實際應用過程中，往往存在著控制精度不高、控制速度過慢以及定位效率不高等情況，不利于獲取精準的 PID 參數值。

5.2 DMRAC 控制

DMRAC 控制技術屬于模型參考自適應控制范疇內的技術內容。DMRAC 在控制結構上，主要以內環與外環兩個控制回路為主要的結構形式。內環的主要功能在于控制器與被控對象形成有效的反饋回路，完成控制工作。而外環的主要功能在于對參數數值進行重設與調整。結合實踐經驗來看，DMRAC 控制系統的控制效率較高，利于船舶動力系統的穩定運行。但是，由于控制系統不存在記憶功能，導致操作人員需要反復輸入數據并操作，才能夠實現控制目標。

5.3 神經網絡控制

神經網絡控制本身屬于模糊控制范疇內的重要分支。所謂的神經網絡控制系統主要基于生物神經網絡的相關功能進行操作與控制。這種控制技術在實際應用過程中，多具備不確定性與非線性等方面的特點，使得該控制技術具備較強的容錯性與兼容性，利于輔助操作人員完成船舶行駛的控制工作。

結語：總而言之，船舶動力系統的廣泛應用對于船舶正常行駛而言，具有重要的促進作用，值得推廣與應用。

參考文獻：

[1]王揚.船舶動力系統控制器的研究與設計[J].國防制造技術，2017（04）：41-42.

[2]張云龍.船舶動力定位系統控制器設計研究[J].艦船科學技術，2016，38（06）：10-12.

[3]王忠國.船舶動力系統智能控制體會探討[J].科技展望，2015，25（05）：146.