（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）1000米采矿船动力定位的推力系统研究.pdf

武汉理： 大学硕士学位论文 摘要 随着人类对海洋开发的深入和地域的扩展，船舶动力定位系统( d y n a m i o p o s i t i o n i n gs y s t e m 简称d p s ) 被赋予了重要的使命。船舶动力定位是依靠自身 的动力，在控制系统的指挥下抵抗外界的干扰( 风、浪和海流等) ，使其保持某 一位置和艏向、悬停于空间任何一定点位置。它具有不受海水深度影响、定位 准确快速、操作方便等特点。船舶动力定位系统由三部分组成：测量系统、控 制系统以及推力( 执行) 系统。本文是针对实际工程项目1 0 0 0 米采矿船动力定 位提出的需求进行的研究，主要方向是1 0 0 0 米采矿船动力定位推力系统的初步 设计研究。 本文首先从理论研究出发确定了船舶动力定位的数学模型，包括船舶数学 模型所采用的两种坐标系，低频运动和高频运动的数学模型及环境因素的数学 模型。在数学模型的基础上，建立了船舶动力定位的测量系统，主要内容为位 置测量设备、艏向测量设备及一些传感器。然后分析了船舶动力定位执行机构 推力器的特点并进行了初步设计，这是本文的核心部分，本部分从推力器 的一般性能、分类和所需最大功率开始，对1 0 0 0 米采矿船动力定位推力器的特 点进行了分析，逐步建立起本船动力定位推力器的配置方案，进行了驱动方式 的选择和控位能力分析，得到比较合理的推力器配置方案。最后，建立了推力 器的驱动模型和对推力分配单元进行了分析研究。驱动模型中包括原动机推 力控制系统及反馈和性能传感器，推力分配单元负责把来自动力定位控制器的 合力和合力矩分配到各个推力器上去，本文对此问题做了具体研究并用m a t l a b 工具箱做了仿真，仿真结果满足动力定位要求。 本文的工作只是一个比较粗略的框架，因此，在动力定位系统用于实用之 前，还需要进行动力定位系统方案论证，在某些方面进行修正和细化。本文也 总结了一些经验，对动力定位系统的深入研究提供了可借鉴的参考依据。 关键字：船舶，动力定位，测量，推力器，推力分配 武汉理1 大学硕士学位论文 a bs t r a c t a sh u m a n se x p l o i t a t i o no fm a r i n er e s o u r c e sg o e sd e e pa n de x t e n d st oa b r o a d e ra r e a ，t h es h i pd y n a m i cp o s i t i o n i n gs y s t e m ( d p s ) l a u n c h e sf o r t ho na n i m p o r t a n tm i s s i o n d e p e n d i n go ni t so w np o w e r ，r e s i s t i n ge x t e r n a li n t e r f e r e n c e s ( w i n d ，w a v e a n do c e a nc u r r e n t e t c ) i nc o m m a n do fc o n t r o ls y s t e m ，t h e f l l n d a m e n t a l g o a l o fd y n a m i cp o s i t i o n i n gi st o k e e ps h i ps t e a d i l y i n g i v e n p o s i t i o na n dy a wa n g e l i th a sn oi n f l u e n c eo f o c e a nd e p t h ，p o s i t i o n sa c c u r a t e l y a n d r a p i d l y ，a n do p e r a t e se x p e d i e n t l y d p sc o n s i s t so f t h r e ep a r t s - - m e a s u r e m e n t s y s t e m ，c o n t r o ls y s t e ma n dt h r u s ts y s t e m t h i sp a p e r , a c c o r d i n gt op r a c t i c a l c o n s t r u c t i o no b j e c tr e q u i r e st a k e st h er e s e a r c h ，i t s a i mi st od e s i g na n d s t u d yt h e t h r u s ts y s t e mo f10 0 0 mm i n i n gd r e d g e rd p s t h em a i nr e s e a r c hw o r k si nt h e p a p e r a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s w i t ha c a d e m i cr e s e a r c h ，t h i sp a p e rr e i n v e n t st h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h es h i pd p s ：t w oc o o r d i n a t es y s t e m sa p p l i e di n t ot h es h i pm a t h e m a t i c a lm o d e l s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fl o wf r e q u e n c ya n dh i g hf r e q u e n c ym o v e m e n t s ；t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fe n v i r o n m e n tf a c t o r s o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c aj m o d e l so fd p s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fd p s ，w h i c h i n c l u d e s ：t h ep o s i t i o nm e a s u r e m e n te q u i p m e n t ，y a wm e a s u r e m e n t e q u i p m e n t a n d s o m es e n s i n gd e v i c e s t h e nt h et h r u s t e r - 一t h ea c t u a t i n gm e c h a n i s mo ft h es h i p d p si s a n a l y z e d a n d d e s i g n e di n i t i a t i v e l y ：b e g i n n i n g w i t ht h e g e n e r i c p e r f o r m a n c e ，t h ec l a s so f t h r u s t e ra n dm a xn e e d e dp o w e r ，t h et h r u s t e ro ft h es h i p d p si sa n a l y z e da n dc o l l o c a t i o ns c h e m eo fb o wa n ds t e r ns c r e wt h r u s t e r si s e s t a b l i s h e dg r a d u a l l y , b ys e l e c t i n gd r i v em o d ea n dt a k i n gp o s i t i o n i n gc a p a b i l i t y a n a l y s i s ，w eg e tt h er a t i o n a lc o l l o c a t i o ns c h e m e f i n a l l y ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s t h ed r i v em o d e la n dt h et h r u s td i s t r i b u t i o nu n i t ：t h ed r i v em o d e lc o n s i s t so f m o t o r ，t h r u s tc o n t r o ls y s t e m ；f e e d b a c ka n dp e r f o r m a n c es e n s i n gd e v i c e s ；t h e t h r u s td i s t r i b u t i o nu n i tt a k e sc h a r g eo fd i s t r i b u t i n gc o m p o s i t i o no ff o r c e sa n d t o r q u e f r o mc o n t r o lu n i tt o e v e r yt h r u s t e r , w h e r e t h e p a p e rt o o k c o n c r e t e 武汉理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n ds i m u l a t e db y m a t l a bs o f t w a r et o o lb o x ，t h e s i m u l a t e dr e s u l t s a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to fd p s t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sas i m p l ea n db r i e ff r a m e w o r k o ft h es h i pd p s d p ss c h e m ev e r i f i c a t i o ni sn e e d e da n di ns o l i l ep o r t i o n sf u r t h e ri n v e s t i g a t i o n s i m p r o v e da n dm o d i f i e d b e f o r ei t p u t t i n g i n t op r a c t i c e i na d d i t i o n ，t h ep a p e r s u m m a r i z e ss o m ee x p e r i e n c e su s e df o rr e f e r e n c e t os u b s e q u e n tw o r k k e yw o r d s ：s h i p ，d y n a m i c p o s i t i o n i n g ，m e a s u r e m e n t ，t h r u s t e r ，t h r u s t d i s t r i b u t i o n i i i 武汉理二 ：大学硕士学位论文 1 1 本章引言 第1 章绪论 现代工业的迅猛发展，对矿产资源数量及种类的要求与日俱增，7 0 年 代以来，世界各国不仅致力于更合理地开发利用传统的陆地矿产资源，并已 开始进行海洋矿产资源的开发利用。海洋在地球上所占的面积比陆地大得 多，加上海洋的特殊条件，其蕴藏的矿产资源十分丰富。随着科学技术的发 展，人们对海洋的认识不断扩大和深化，大规模开发海洋资源己引起一些国 家的高度重视。继印度、法国、前苏联和日本之后，最近中国大洋矿产资源 研究开发协会也己被联合国有关部门批准为第5 个深海采矿先驱投资者。虽 然我国已经有了深海采矿权，但并不意味着我们就有能力进行开采，还需要 有先进的技术和设备装备起来的船舶或海洋平台的支持。 随着人类对海洋开发的深入和地域的扩展，传统的多点锚泊系统已经不 能满足深海地域定位作业的要求，船舶动力定位系统( d y n a m i cp o s i t i o i l i n g s y s t e m 简称d p s ) 却能够很好地解决这一问题。以往，船舶在海上作业时， 如果要求其保持作业地点固定不变，人们通常采用锚泊系统实现定位。但是 随着水深的增加，或作业地点水下情况复杂不允许锚泊，锚泊系统就很难完 成其保持船位的任务了，动力定位系统就在这种情况下随着科学技术的发展 诞生了。 传统的抛锚定位是将锚抛出去，沉于海底，利用锚爪抓住海底的淤泥， 来抵抗外界对船舶的干扰力。它的优点是，锚是任何船舶都有的定位设备， 不需要另外加装定位设备。缺点是，定位不准，而且抛锚、起锚费时费力， 机动性能差。最重要的是它还要受到水深的影响，其有效定位范围在水深 1 0 0 米的区域，如图1 1 所示1 1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 传统抛锚泊位原理图 船舶动力定位是依靠自身的动力，在控制系统的指挥下抵抗外界的干 扰，使其保持某一姿态和艏向、悬停于空间任何一定点位置。它具有不受海 水深度影响、定位准确快速、操作方便等优点，如图1 2 所示。 1 2 图1 2 动力定位原理图 在各类船舶系统中动力定位系统是一个很有特点的系统，它涉及船舶中 的多个系统的协调工作，并最终完成保持船舶位置的任务。 船舶动力定位系统由三部分组成：测量系统、控制系统以及推力( 执行) 系统，如图1 3 所示( 2 1 。 图1 3 动力定位系统组成 武汉理工大学硕+ 学位论文 在船舶动力定位系统中，由传感器测得船舶的位置和艏向值，然后与设 定值进行比较预算，将船位及艏向的偏差值输入到控制器，控制器经过运 算产生控制指令，经过推力分配策略进行推力分配后，传送给执行机构一一 推力器，推力器产生力和力矩来抵抗外界的力和力矩，使船舶保持在要求的 船位及艏向上。 1 2 论文选题的背景及意义 本论文为1 0 0 0 米采矿船水面支持项目中的开采技术子项目。其主要开 采的是南海洋底蕴藏极其丰富的矿藏资源一一锰结核。锰结核是一种颜色比 巧克力豆略深( 见图1 4 ) 、潮乎乎的结核状矿物体，它含有3 0 多种金属元 素，而阻锰、铜、钴和镍四种金属价值最大。在最富的锰结核中其含量可达 5 7 m n 、3 c u 、2 c o 和2 n i 。据估算，海底锰结核中这4 种金属的储量比陆 地上的储量要大1 3 个数量级。锰结核不仅储量巨大，而且，还会不断地 生长。生长速度因时因地而异，平均每千年长1 毫米。以此计算，全球锰结 核每年增长1 0 0 0 万吨。初步估计，它每年增加的锰、镍和钴量分别可供世 界各国3 年、1 年和4 年之用。因此，锰结核堪称“取之不尽，用之不竭” 的可再生多金属矿物资源。 图1 4 锰结核矿 决定开采深海锰结核成败的最重要环节是：在海底采集结核( 亦称集 矿) 、白海底将结核提升到海面( 亦称扬矿系统) 。目前扬矿系统j f 采方法有 多种。比较成功的方法有链斗法、水力升举法和空气升举法等几种。链斗式 采取的挖掘机械就像旧式农用水车那样，利用绞车带动挂有许多漏斗的绳链 不断地把海底锰结核采到工作船上来。水力升举式海底采矿机械法，是通过 武汉理一r 大学硕士学位论文 输矿管道，利用水力把锰结核连泥带水地从海底吸上来。空气升举法同水力 升举原理一样，只是直接用高压空气连泥带水地把锰结核吸到采矿工作船上 来1 3 】。本项目采用水力升举式海底采矿机械法，如图1 5 所示： 图1 5 水力升举式海底采矿机械原理图 由于锰结核广泛地分布于世界海洋1 0 0 0 6 0 0 0 米水深海底的表层，加 之采矿机器要不断的运动采矿，采用多点锚泊的方法己不实用，所以目前最 好的方法就是采矿船加装动力定位系统。 1 3 国内外研究进展【4 】叫，】 一个自由漂浮在海上的船舶或海上平台，受海上环境( 风、海流和波浪 等) 产生的环境力和力矩的作用，使它产生平移和转动。如果这些船舶或海 洋平台要与海底的基准点或基准线保持一定的距离，船上必须具有产生反力 和反力矩的能力。历史上，人们曾用帆、浆、舵、系泊锚索和螺旋桨来提供 反力和反力矩，在产生反力和反力矩的一般装置中，即所谓推力器中，螺旋 桨是人们最熟悉的一种。实际上，多点锚泊系统在许多情况下已完全无用， 而螺旋桨却能在任何水深的情况下提供反力和反力矩。锚泊系统的造价随水 武汉理 _ 火学硕十学位论文 深的增加而升高，与此相反，螺旋桨系统的造价则与水深无关。 船舶动力定位技术是一种用于深海复杂作业( 打捞、救生、海底资源探 测和采集等) ，利用船舶自身的动力抵抗外界于扰( 风、浪、海流等) ，动态 控制船舶悬停在某一确定位置( 定点控位) 或沿着一定的预定航迹( 循迹) ， 以便进行特殊作业的，集现代控制理论、计算机技术、通讯技术、船舶流体 力学、船舶结构设计、人工智能、以及近代电力推进技术的跨学科高新技术。 船舶动力定位系统开始于六十年代。第一批装有动力定位系统的船舶的 排水量，大致为4 5 0 到1 0 0 0 吨。这些船用于钻探、敷设电缆或对水下作业 进行水面支援。第一艘装有自动反馈系统的动力定位船是“尤勒卡”号。动 力定位系统对船体的尺寸和形状并没有影响，而最显著的标志是它装有多台 推力器。在世界上最早的动力定位船只中，最成功而且也是最出名的，大概 要算“格洛马挑战者”号了。该船的冒险业绩遍布全球，它几乎遍游地球的 每一个海洋搜集水深大于2 0 0 0 英尺处的岩心，为地质学上的发现提供了 证据。例如，“格洛马挑战者”号的勘探，就为板壳结构理论提供了无数有 力的证据。 在第二代动力定位船舶中最具代表性的就要算“s e d c 0 4 4 5 ”号了，该 船是1 9 7 1 年营运的，其动力定位系统与早期系统相比，其主要特点是采用 数字式控制器，其中包括一台1 6 位的小型计算机，系统的各个元件都有冗 余，从而可能长期不问断运行，系统在设计时要求能连续作业5 0 天。 “s e d c 0 4 4 5 ”号也装有多台推力装置，其中包括1 1 只辅助推进器和两只主 螺旋桨。第二代动力定位船只中，每艘船都有其独到之处，但是都采用几乎 相同的传感元件和数字计算机控制系统，它们一般都采用有一台1 6 位数字 计算机组成的数字控制器，而位嚣传感器由单一型发展成综合型，例如在一 个系统中同时利用了声学、张紧索和竖管角三种位置基准传感器。 第二代动力定位船舶中另有与钻探船不同类型的动力定位系统，其吨位 小得多，而且动力定位系统中无冗余。其原因是这些船的使命是支援近海水 面作业、支持深潜器作业以及检查管道等水下工程。还有大吨位的采矿船， 其动力定位系统与钻探船十分相像，例如“休士格洛马探险者”号曾是装 备动力定位系统的最大的船舶，而该船动力定位系统与其他船只的主要区别 是它的位置基准系统有特色。一般钻探船上都采用短基线系统作为位置基准 系统，但“休士格洛马探险者”号却采用长基线声学系统。同时也装有短 武汉理工大学硕士学位论文 基线声学系统作为备用。 自八十年代初开始形成的第三代船舶动力定位系统主要是采用当时刚 开始发展的先进的微处理机技术和m u t i b u s 、v m e 多总线标准等，其中典型 的有挪威的a d p l 0 0 、a d p 5 0 3 ，法国的d p s 8 0 0 系列，这些动力定位系统装备 了海底钻探船、穿梭油轮、电缆敷设船、海洋三用工作船、r o v 支持船、消 防船、科学考察船、潜水支持船等多种船舶。 国内自七十年代开始研究动力定位技术，目前，大多数研究单位尚处于 理论研究或实验研究阶段，哈尔滨工程大学、上海交通大学等院校开展了系 统的理论研究。科研院所结合实际课题也开展了技术攻关，已建立了船舶动 力定位技术联调实验室，进行了包括潜艇救生艇六自由度动力定位系统的研 制。中国船级社也在近期完成了动力定位规范的编写。 “大洋一号”远洋科学考察船是我国唯一的专门从事国际海底区域资源 勘查研究开发的、达到国际先进水平的现代化综合性远洋科学考察船。该船 于2 0 0 2 年进行了高起点的现代化增改装工程，大大提高了全船的技术水平。 增改装工程中最重要的内容之一便是增设动力定位系统，以满足科学考察作 业的需要。作为国内第一艘自行设计增设动力定位系统的大型远洋特种船 舶，其增改装工程在各方面的努力拼搏与通力合作下已胜利完成。 图1 6 大洋一号海上作业示意图 6 武汉理工人学硕士学位论文 1 4 动力定位系统的主要功能【1 4 】【l s j ( 1 ) 定点控制 船舶控制的指令为大地坐标系上的某一点。水面船舶的定点控位包括纵 向、横向、摇艏三个自由度的定位控制，通过控制器的解算，发出控制指令 使船舶在各自由度上保持在设定点附近。 ( 2 ) 航迹控制 船舶复杂作业或航行过程中，往往需要沿着一条预定轨迹前进。典型的 应用是海洋考察的区域目标搜索。航迹控制需要人或上层控制机给定轨迹指 令及速度指令，由动力定位系统来控制船舶沿预定的轨迹前进，直到终点， 在此过程中船的艏向允许控制系统根据航行过程中的海洋环境的变化自行 调整。 ( 3 ) 循线控制 循线控制的功能与航迹控制的功能很相像，其主要差别在于动力定位系 统控制船舶沿预定的路线前进时，必须保持船舶的艏向与预定轨迹的航迹方 向一致，不允许自行调整船舶的艏向。典型的应用是石油管线的铺设和检修。 ( 4 ) 跟踪控制 跟踪控制主要用于自动目标跟踪，始终让被控船与目标保持固定的空问 位置关系。一般用于r o v ( r e m o t eo p e r a t e dv e s s e l s ) 工作母船，它能时 刻跟踪作业潜器的运动。 1 510 0 0 米采矿船水面支持子系统概述【1 6 】 ( 1 ) 水面支持子系统概述 水面支持子系统是采矿系统1 0 0 0 米海上实验的水面机动作业平台，由 布放回收装置、动力定位系统、电器系统、操作控制系统等关键部分组成， 并集中布置在一艘水面采矿船上。水面支持子系统在整个1 0 0 0 米海上实验 过程中负担实验设备与人员的保障任务，其主要功能有： a 、采矿设备装船并运往采矿区； b 、准确、可靠地布放和回收采矿系统的水下设备： c 、为采矿系统提供动力源，并随水下实验设备一起移动； 武汉理工夫学硕士学位论文 d 、为参试设备、人员提供保障； e 、对采集的矿物进行初步处理并储藏。 根据2 0 0 1 年1 1 月2 日召开的“大洋多金属结构采矿系统1 0 0 0 米淹上 实验总体方案评审会”意见，决定1 0 0 0 米海试水面支持子系统首选旧船改 造方案。 经过多方面调研，初步选定一艘8 2 年设计，8 4 年投入运营的集装箱多 用途货船作为目标船进行改装设计，以达到1 0 0 0 米海试的要求。 ( 2 ) 船舶的主尺度为： 总长1 0 6 8 m 设计水线长1 0 3 2 9 m 两柱间长1 0 0 3 m 型宽1 7 m 型深( 至上甲板)9 m 设计吃水 7 m 方形系数07 l 满载排水量8 4 8 4 t 总吨4 2 0 0 t ( 3 ) 动力定位系统要求 本船的动力定位系统将船的位置信息、运动信息及环境信息输入控制系 统，通过微机完成控制计算，指挥侧推装置发出所需的推力和力矩，以抵抗 风和海流产生的干扰力，动态控制船位处于与水下采矿机相协调的位置，保 证采矿作业顺利完成。 本船动力定位系统要求船舶在7 级风力，1 5 k n 海流的海况下能保持船 位；动力定位精度在利用广域差分全球卫星定位系统( d g p s ) 时控位半径 不大于3 0 米。动力定位系统工作时不影响本船电力系统正常供电。 本动力定位系统主要包括测量系统、控制系统和执行机构。 1 ) 测量系统 为满足动力定位精度的要求，需要以下的测量设备： a ，1 。域差分全球卫星定位系统( d g p s ) ； b 气象仪( 风速风向传感器) ： c 电罗经： 武汉理工大学硕士学位论文 d 声学定位系统； e 垂直参考单元。 为了将上述测量设备的型号传输至控制系统，以上设备均需要配置测量 接口。 2 ) 控制系统 控制系统的主要组成部分主要有以下几部分： a 动力定位控制台； b 微机； c 控制软件； d 便携式遥控操纵器： e 打印机； f 不问断电源( u p s ) 。 控制系统分控制和监测二部分，核心部分是动力定位控制台，具有强大 的控制功能和友好的工作界面，并监测船舶的运动信息和环境力信息以及执 行机构( 侧推装置) 的反馈信号，监测系统另设有故障声光报警。 为方便操作，本系统配有便携式遥控操纵器。打印机可随时打印所需动 力定位系统工作参数和故障情况。不间断电源( u p s ) 可保护动力定位系统， 增加可靠性。 3 ) 执行机构 动力定位执行机构的功能是接受控制系统发出的指令，产生足够的推力 和力矩实现动力定位。 a 执行机构组成 本项目的主推进系统纳入动力定位系统，增加艏、艉侧推装置。 侧推装置出本体、弹性连轴器、电机、液压系统及控制系统等组成。 b 执行机构接口 为了接受控制系统发出的指令并反馈信息到控制系统，执行机构的所有 均需配置接口设备，包括以下接口部分： a 推力器与舵机接口： b 艏侧推力器接口； c 艉侧推力器接口。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 本论文的主要工作 本论文的主要内容包括四个部分： 第一，确定了船舶动力定位的数学模型。首先讨论了船舶数学模型所采 用的两种坐标系；接着阐述了低频运动和高频运动的数学模型；最后，讨论 了环境因素的数学模型，包括风力及风力矩、波浪力及波浪力矩和海流的作 用力和力矩。这些模型都是基础部分，在第三、第四章中均要用到。 第二，建立了船舶动力定位的测量系统。船位与姿态的测量结果是船舶 动力定位系统工作的依据，船位与姿态的测量装置是整个系统的“感觉器 官”。对于不同的动力定位系统，其测量系统的组成相差很大，但是对于任 何动力定位系统来说，其位置测量设备( 或系统) 、艏向测量设备( 或系统) 都是必不可少的。本章将重点讨论船位及艏向的测量问题，并将介绍动力定 位系统中的重要环境传感器风速风向仪和垂直参考单元。 第三，分析了船舶动力定位执行机构一推力器的特点并进行了初步设 计。首先介绍螺旋桨推进的一般性能：接着介绍了螺旋桨的分类，中小型舰 船动力定位系统的执行机构主要包括：槽道推力器、全回转推力器和直翼推 力器；然后利用侧投影面积法给出螺旋桨所需最大功率；第三对现有的最成 熟的侧推进行了方案优化，对所采用的侧推方案，以某母型船模型试验数据 为基础，绘制动力定位能力图，对控位能力进行了估算；第四，驱动方式的 选择；最后，对侧推的安装位置进行了分析。 第四，建立了推力器的驱动模型和对推力分配单元进行了分析研究。推 力器系统中除了推力执行机构外，还有一些其它单元。这部分首先介绍了推 力系统的驱动模型：首先应该有一台原动机，用以为推力机构提供动力；其 次应该是推力控制系统；第三还应有反馈和性能传感器。在推进器的各元件 之间，存在着电气和机械形式的联系。所以推力器系统的各元件是密切相关 的，而应该看成是一个单元。然后对动力定位控制器和驱动单元之涮的中间 环节一一推力分配单元进行了分析和研究，初步确定了本船的推力分配策略 并进行了仿真检验，仿真结果满足要求。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船舶动力定位系统的数学模型 2 1 本章引言 船舶动力定位系统始于6 0 年代，经过该领域科技人员几十年的努力， 船舶动力定位系统得到了较大的发展，在风浪流中的控制精度已达到几米以 内。装备动力定位系统的船舶小至数十吨，大至十几万吨。 这些成绩的取得都是以数学模型为基础的，本章首先主要讨论了船舶数 学模型所采用的两种坐标系；接着阐述了低频运动和高频运动的数学模型； 最后，讨论了坏境因素的数学模型，包括风力及风力矩、波浪力及波浪力矩 和海流的作用力和力矩。 2 2 动力定位船舶坐标系的选取i i 在建立船舶数学模型时，通常采用两种不同的坐标系，一种是空间固定 直角坐标系e f 嘭，右手法则，坐标原点任取地球或海面上的一点，也就是 我们通常所说的惯性坐标系，用来计算船舶的运动；另一种坐标系是平行坐 标系o x y z ，右手法则，其坐标原点与惯性坐标系的原点相同，x 轴的正向指 向船艏，与船舶纵荡轴平行。y 轴的正向指向船的右舷，与船舶横荡轴平行， 用来计算作用在船舶上的力。两种坐标系的垂向轴均定义为沿垂线方向向 下，指向船底。静水面是x - y 平面，船舶的顺时针方向的艏向角为正，有关 坐标系的定义见图2 1 。 、 f c - s - - - , 矗 泌? 黛冉 ( tzj o ) 宝倒直角坐橼系 武汉理工大学硕士学位论文 h 。， ( ”x 叫平面的投影 图2 1 描述船舶模型的两种坐标系 图中： h ，y 。惯性坐标系中测得的船位； x ，y 平行坐标系中测得的船位； 相对于惯性坐标系中北坐标纵的船舶艏向； “，v 平行坐标系中的船速分量； 以海流速度： 缸相对于惯性坐标系中北坐标系纵的海流方向角； n 风速； 庐。相对于惯性坐标系中北坐标纵的风向角； n 相对于水的船速。 在实际应用过程中，传感器测量得到的船舶运动状态( 位置和速度) 必 须转换到平行坐标系下才能进行位置、速度的估计和控制指令的计算。然后 返回到地球坐标系中。设船舶艏向角为1 l r ，则转换关系为。 蜀甜匆 ， 2 3 船舶模型8 】 当动力定位船舶在海上作业时，在风、波浪和海流的作用下，它就会产 生六自由度运动。对于水面动力定位船舶，动力定位系统是用来控制船舶的 下而对杯 i f 一。苎2 2 船舶高频、低频运动合成图 5 面对低频运动模型和高频运动模型进行募磊。”。“删 2 3 1 船舶低频运动模型 型爨器掣篙飘舅麓勰蒸 竺8 7 摇运动( 采用平行坐标系进行描篡；! _ 嚣着筹二兰? 鎏竺篓：，。篓荡运动 遥动非线性方程如下： “。”功、馕汤柙艏摇的低频 ( + 豫) ：2 ( 村+ 哆沙+ c ，( ，+ 乞+ 匕 ( 2 2 ) ( + ) ；= 一( 村+ 鸭渺+ 弓，( 甜，帕+ ，v ) + e + ( 2 3 ) ( 乞十厶) ；。( m x - - y ) 聊+ 墨( 以v ) + ( 虬，) + 砭+ ，。r9 一d 、 武汉理工大学硕士学位论文 式中，u ，v ，r 一一船舶的纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度；。，一 一与u ，v 有关的水动力；耳一一与u ，v 有关的水动力矩；：，五一一与u ， r 有关的水动力和力矩；只，只，疋z 一一推进器产生的力和力矩；l ，巳， l 一一风的力和力矩；m 一一船舶质量；m ，小。一x ，y 轴方向上的附加 质量；，。一一船舶绕z 轴转动的转动惯量；咒船舶绕z 轴转动的附加 转动惯量。 式2 2 、2 - 3 、2 - 4 是从船舶操纵性角度建立的船舶操纵性数学模型，用 于船舶运动仿真，其中有关系数可通过实验或推算获得。 2 3 2 船舶高频运动模型 高频运动在动力定位船舶中是不需要加以控制的波频运动，因为波浪运 动的往复性，会使船舶回到原先的位置。但是传感器在测量船舶的运动时， 不可避免地包含了这部分高频运动分量，因此必须对高频运动建模，以便进 行滤波处理，在船舶进行动力定位控制时排除其所造成的影响。 船舶高频运动模型从目前公开发表的方法来看有二：一种是假设高频运 动主要来自对一级波浪扰动的响应；另一种是假设高频运动为具有一定频率 的正弦发生器的输出。 对于动力定位船舶的高频运动，可认为纵荡、横荡和艏摇三个自由度式 没有耦合的，所以每个自由度均为一个独立的子系统，而且都有类似的结构。 船舶高频运动我们采用三个独立的具有可交频率的正弦波发生器模拟， 其数学模型如下： z h l = z h2 ( 2 - 5 ) x h 1 = 一；l x + r m ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 x 4 。一h 22 xh 3 七碍h2 x 5 = x 6 j 片6 = 一h 23 x h3 + r 日， 0 9 h i 2 r hd 国h 22 7 h 5 m h 3 = r 6 ( 2 8 ) ( 29 ) ( 2 1 0 ) ( 21 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) 式中：x 。一一高频纵荡位移；x 。：一一高频纵荡速率； 。，一一高频 纵荡角频率；x 。，一一高频横荡位移；x h 。一一高频横荡速率：( o h 2 一一 高频横荡角频率；x 。，一一高频艏摇角位移；x 。一一高频艏摇角速率；国。， 一一高频艏摇角频率；r h 1 ，r 月2 ，玎h 3 ，r 日4 ，r h5 ，r h 6 一一零均值高斯白 噪声。 2 4 环境因素的数学模型f 1 9 h 2 5 】 船舶在海上作业时会受到环境干扰作用，使船位和艏向发生变化。作用 在船上最普通的干扰因素是风、波浪和海流。如果传感器系统能够测量某些 环境因素，控制系统就可以在船舶受到扰动之前作用一个反力，有利于提高 定位精度。下面分别讨论各种因素。 2 4 1 风力及风力矩的表达 环境干扰因素中最普遍的是风。对地面上空的某点来说，风可以用持续 变化的速度和方向来描述，风的速度和方向可以描述为平均值或稳定分量加 上时变分量，即规则风( 恒速、定向) 和阵风( 变速、变向) 两种。时变分 量实际上是一个随机量，为了分析方便起见，风的随机量可以用功率谱密度 来表示。阵风相对于规则风，对船舶的作用更明显。并且接近于海上的实际 情况。 武汉理工人学硕士学位论文 阵风的随机变化是一个白噪声过程，可采用线性过滤法，其主要方法为： ( 1 ) 将所选用的做傅立叶( f o u r i e r ) 展丌，系数为 爿，= 7 1 鲁t v 7 - s “y ，- c 。s ( - ，z 去) ) ( 2 一1 4 ) 式中： s 。选用的功率谱。 ，频率，= f 够：兰( 取川：5 0 ) ，4 ，为频率间隔；，为频率上限， f 2 击，公式中的2 主要是由于所用的功率谱为双向谱的缘故，j 的取值范 围为，= 0 , 1 ，2 ，m 。 ( 2 ) 模拟过程 设所模拟的变量为p ( t ) ，则 p ( f ) = 4 + 4 肋。+ ，+ 钆一，) ( 2 一1 5 ) 式中： 仇白躁声，仇2 善n ( 2 一1 ) 詈，式中的是( 。，1 ) 均匀分布的随 机数。 通过上面讨论过滤法可以进行阵风的模拟，而到目前为止，还没有比较 理想的阵风的风向谱发表，而且本文所指的阵风为风速随机变化的风，忽略 了风向的随机变化。下面介绍风速的模拟。 1 9 6 1 年达文坡( d a v o n p o r t ) 提出了风速的一种表示方法，可以表示为： 锷：0 ( z - 1 6 ) k 州f 1 + x2 1 1 3 式中： 。：望： 厂频率； 上基准长度，为4 0 0 0 英尺( 约1 2 0 0 m ) ； 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 v 地面上空z 处的一小时平均风速，m s ； 岸表面阻力系数对地面上空z 处的平均风速，取0 0 0 5 ； z 标准基准高度，等于1 0 米。 船舶运动时，风向对于船的速度及方向均要随之变化，因此，在计算风 力和风力矩时要考虑风与船的相对运动，如图2 3 。 图2 3 风与船的相对运动 若”为风相对于大地的速度，设“。、“。分别为风相对于船的纵向、横 向速度，“：代表风相对于船的速度，则有如下关系： “= 甜f - c o s ( 口f 妒) 一“ ( 2 1 7 ) “。= “f s i n ( a 一_ ；f ，) 一v ( 2 1 8 ) “j = 厩 ( 2 1 9 ) 有了纵、横向的相对风速，则相对风向角可表示为； 口：t a n 一1 1 竺( 22 0 ) 甜掣 根据所得的相对风向角口：，利用试验得到的风力及风力矩系数，通过 插值，可以得到在该角度下的纵、横向风力及风力矩系数c 。、c 。、c 。，。 设p o 为空气密度，则风力和风力矩可表达为如下： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 z 。：三p 。爿，；2 c 。( 2 - 2 1 ) 匕= i 1 风4 “；2 c 印( 2 - 2 2 ) m 。：= i 岛4 “；2 c f 上l ( 2 - 2 3 ) 式中： 止上层建筑侧面积( 受风面积) ； l ，船舶总长。 2 4 2 波浪力及力矩的表达 波浪漂移力是波浪作用在船上的二阶力，它会使船舶缓慢的漂离原来的 位置，所以动力定位中必须考虑波浪漂移力的存在。在实际的海洋环境中， 波浪力是缓慢变化的，但计算较为复杂，因此本文近似的以平均漂移力代替。 若波浪与船的相对夹角为瑾。，利用j n n e w m a n 远场法所求得的不规则波 的力及力矩系数，利用插值法，可得到该角度下的平均波浪漂移力及力矩系 数c 。、c 。、c w o ，则波浪力及力矩可表达为： = i i 彬t 舻c 。( 2 - 2 4 ) = i p g l 砖c m ( 2 - 2 s ) m m = i i 履皿b j c m ( 2 - 2 6 ) 式中： 上水线长； b 水线宽。 计算模拟有义波高时采用的波浪谱为i t t c 建议的单参数谱： = i a ，e - 号 式中： a ：8 1 0 1 0 - 3 p 2 ，g 为重力加速度； 武汉理1 ：大学硕士学位论文 。= 可3 1 1 ，气为有义波高，取4 o m d j 2 4 3 海流的作用力和力矩 海流的作用力司以表不为： 盖。= 0 5 p 4 曙c c x ( ) ( 22 7 ) 砭、= 0 5 p a 。吃c ( 、，( ) ( 2 2 8 ) m c = 0 5 p a w 曙c o ( ) ( 2 2 9 ) 式中k 表示流速，a ”为水线以下船舶正投影面积，a 。、为水线以下船 舶侧投影面积，为海流的入射角，c ( 。( ) ，c 。( 卢) ，c 岛( 卢) 为试验系数，亦可 通过下式求取。 ( p ) = c ls i n f l c dc o s f l ( 23 0 ) c ( i ( ) = c lc o s 3 + c ds i n f l ( 23 1 ) c 。( 3 ) = c 。 ( 2 - 3 2 ) 其中，q c 。，c t 卅分别作为短翼的船体升力系数、阻力系数、转矩系数。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 本章引言 第3 章动力定位的测量系统 船位与姿态的测量结果是船舶动力定位系统工作的依据，船位与姿态的 测量装置是整个系统的“感觉器官”。对于不同的动力定位系统，其测量系 统的组成相差很大，但是对于任何动力定位系统来说，其位置测量设备( 或 系统) 、艏向测量设备( 或系统) 都是必不可少的。本章将重点讨论位置及 航向的测量问题，并将介绍动力定位系统中的重要环境传感器一风速风向 仪和垂直参考单元。 3 2 位置测量设备 常见的用于船舶动力定位系统的位置测量设备有差分g p s 、水声定位系 统、张绳装置、激光定位系统等，见表3 1 f 2 6 1 。对于不同的船舶其测位装置 可能有所不同，可能是单- - n 位设备，也可能是多种测位设备同时并存。 表3 1 位置测量设备的比较 殴备类型测量范围 测量水深 测量精度 适崩范嗣 g p s 系统无限制无限制 3 m 全球 无线电定位系统 3 0 k i n 无限制 l m 能接收信号区域 水声定位系统5 倍水深 4 6 k m 水深的1 2 全球 张绳系统1 4 倍水深 5 0 0 m 水深的2 全球 激光定位系统 2 5 0 m 无限制 = l i ll 一 一 。 。 f 1 。、m d f 心 ：1 3 i； ) ：桨叶直径 图4 1 9 侧推垂向和横向安装位置 直径 武汉理t 大学硕士学位论文 第5 章推力系统的驱动模型及推力分配策略 5 1 本章引言 推力器系统中除了推力机构外，还有一些其它元件。本章首先介绍了推 力系统的驱动模型：首先应该有一台原动机，用以为推力机构提供动力；其 次应该是推力控制系统；第三还应有反馈和性能传感器。在推进器的各元件 之间，存在着电气和机械形式的联系。所以推力器系统的各元件是密切相关 的，而应该看成是一个单元。然后对动力定位控制器和驱动单元之间的中间 环节一一推力分配单元进行了分析和研究，初步确定了本船的推力分配策略 并进行了仿真检验。 5 2 驱动模型 在船舶动力定位系统中，所谓推力器是指任何可控制的、能够产生力和 力矩去抗衡作用在船上的干扰力和干扰力矩的装置，通常是指螺旋桨。推力 器是动力定位系统的执行元件。单个推力器的系统 4 4 】见图5 1 。 图5 1 单个推力器的系统框图 武汉理工大学硕士学位论文 从图5 1 可以看出，推力器由四部分组成，原动机、推力控制系统、推 力机构和性能传感器。 原动机一般采用电动机；推力控制系统的作用是使推力机构尽可能快而 准确地执行改变推力的指令：推力机构主要有两种，定距调速螺旋桨和定速 调距桨，对于调速浆，控制的是螺旋桨的转速和方向，对于调距浆，控制螺 旋桨的螺距就可以控制推力的大小和方向；性能传感器部分对推力器的状态 进行监测。 对于调距浆，原动机使推力器在接近恒速下运转，推力控制系统根据动 力定位控制器的指令螺距，调整桨叶的螺距，由于推力器在接近恒速下运转， 所以原动机可以采用交流电动机，它主要由交流电动机、液压系统、螺距反 馈信号和机械连接等元件组成。交流电动机的转速是恒定的，通过调整浆叶 的螺距