动力定位系统概况

1、 船舶动力定位概况一、 船舶为什么需要“动力定位系统”？长期以来，船舶在近浅海和内陆水域里，人们都是采用抛锚技术来保持船位在水面上相对稳定。这种定位技术的最大特点就是：锚必须牢固地抓住水下的固定物体（陆基），并且一旦锚通过锚链将船舶的位置固定后，船上的推进设备及其辅助设施和相应的控制系统便停止运行，完全处于停电（电力推进）和停油、停气（柴油机推进）工况。但是，随着地球上人口的急剧增加，科学技术的飞速发展，人们的生活水平日益提高，世界对能源的需求量越来越大。陆地上资源的开采和供应日趋极限，甚至出现紧缺的态势。这就迫使世界各国必须把经济发展的重点转移到海洋上。因为占地球总面积2/3以上的浩瀚大海里

2、，有极其丰富的海水化学资源、海底矿产资源、海洋大量资源和海洋生物资源。可以预料，21世纪将是人类全面步入海洋经济的时代，人们对海洋的探索和开发的范围将越来越广，对海洋的探索和开发的手段也越来越先进，对海洋探索和开发的领域由近海浅海日趋向远海深海发展。目的只有一个，就是将浩瀚大海里的资源开发出来，供人类充分使用。因而，世界各国便随之研究开发出各式各样的、不同类型的深远海作业的浮式生产系统，诸如半潜式钻井平台、多用途石油钻井平台供应船、科学考察船和海洋资源调查船等等。这些浮式生产作业系统有一个共同的特点：就是在浩瀚深邃的大海上，能够按照人们的要求将其位置稳定在地球的某个坐标范围里；就像抛锚定位那样

3、，将这些浮动的作业体牢牢地锁定在人们期望的浩瀚深邃的大海的某个位置上。这便进一步诱发了世界各国对深远海作业的浮式生产系统的定位技术和系泊方式的研究。在一般的近浅海水深情况下，浮式生产系统的系泊定位主要采用锚泊系统。但是，随着水深的增加，锚泊系统的抓底力减小，抛锚的困难程度增加。同时，锚泊系统的锚链长度和强度都要增加，进而使其重量剧增，这必然使海上布链抛锚作业变得更加复杂，其定位功能也会受到很大的限制，定位的效果也不尽人意。同时，这种系泊锚和锚链的造价以及安装费用也会猛增。在深远海的情况下，这些问题将会更加突出，锚泊技术将无济于事。既然传统的锚泊系统在深远海域绝对无法使用，在二十世纪五、六十年代

4、，世界各国特别是西欧开始研究新的船舶定位技术和系统。直到上个世纪六十年代后期，一种有别于锚泊系统的新的船舶定位系统诞生了这就是动力定位系统。二、什么是“船舶动力定位系统”？我们知道，一艘船舶（或浮式生产作业系统）停泊在海面上作业，假如是在风平浪静的状况下，它还能够保持自己的位置不变。但是，海洋上的自然环境因素（风、浪、流）是千变万化的，一艘船舶（或浮式生产作业系统）在海面上绝对是无法保持自己位置稳定的，它在风、浪、流的作用下，产生纵摇、横摇、纵荡、横荡、艏摇、升降6个自由度的运动，使船舶漂移离开人们期望的目标位置。其中风和水流作用于船舶的力和力矩的大小和方向的时间常数是稳定的，浪的作用分为相对

5、稳定的漂移力、力矩和较高频率的振荡力、力矩。这个高频分量只使船舶发生较小的纵荡和横荡平面运动，在船位的控制过程中，为了防止推力器瞬时过载而增加磨损，一般都采用一种叫“卡尔曼滤波器”设备将这种高频分量滤掉。为了消除上述船位的漂移和运动，人们便研制出一种新的船舶动力定位系统。这个系统是一种闭环的自动控制系统，其功能是不借助锚泊系统的作用，而能不断检测出船舶的实际位置与目标位置的偏差，再根据外界的风、浪、流等扰动力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小。并对船上的推力器进行推力分配，进而使各推力器产生相应的推力，以抵消外界扰动力的影响，从而使船舶尽可能保持在海平面上要求的位置。由于这种保持船

6、舶位置的能力是由各推力器发出的动力产生的，所以称之为“船舶动力定位”，因为其英文名称是Dynamic Positioning Systems,所以这个系统又简称为“DP系统”。DP系统的优点是船舶定位不需要锚泊系统，定位成本也不会像锚泊系统那样随水深增加而增加。并且控制系统自动化程度高，操作方便。这种“DP系统”的技术尚属不断研究持续开发阶段，所以现在世界各国都不禁余力地开发研究船舶动力定位系统最新技术。可以预料DP系统的研究将会如火如荼地在世界各国蓬勃开展。所以DP系统的研究也就具有广阔的前途和越来越重要的意义。三、 船舶动力定位系统的组成：船舶动力定位系统并不局限于船舶本身的一个有限的局部

7、空间，它涉及到空、海、陆无限大的空间。所以它是一个较庞大的自动化控制系统，它是由四个部分组成。每部分的主要设备（系统）及作用如下：1、位置测量系统：主要有水下超短基线声学定位装置、无线电定位系统、差分式全球卫星定位（DGPS）系统、张紧索、激光定位装置等。其作用是测量出船舶的实际位置相对于某一参考点（目标）的位置之间的偏差；2、环境参数测量系统：主要有高精度运动参考仪（垂直参考单元）、风速风向仪、电罗经等。其作用是测量出船艏方向和由风、浪、流引起的船舶6个自由度运动参数和风速风向。3、控制系统：主要有操纵台、控制装置和外围设备（核心是计算机系统）等。其作用是根据外部环境条件（风、浪、流）计算出

8、船舶所受的干扰力，然后由此外力与测量出船所在的位置，由计算机系统计算得出保持船位所需的作用力，即推力系统应产生的合力，并合理地安排推力系统中的各个推力器的工况；4、推力系统：分为主推力器和辅推力器：主推力器和舵装置（Z推和POD推不需舵装置）一般有两套；辅推力器一般有一至四套侧向推力器；一至两套方位推力器。各种推力器的取舍和具体数量由设计决定。其作用是这些推力器在控制系统的控制下，产生必要的纵向、侧向推力和回转力矩，以保持船位和船艏稳定在目标范围内。因此，DP系统所涉及的设备、装置、器件不但数量繁多，而且 图 1类型复杂。要使这些设备、装置、器件有机地连接在一起，彼此协调一致有条不紊工作，达到

9、船舶准确定位的目的。就必须采用适当的办法进行精心的设计。典型的DP系统在船上的组成简图如图1所示。四、动力定位系统的简单作用原理；如前所述，DP系统组成的设备繁多，涉及领域广泛。因此，整个DP系统的作用原理复杂。为了深入浅出简单明了地说明问题，我们将一个复杂的DP系统简化成图2形式的DP系统框图。从图2中我们便可一目了然地看清DP系统中，各个子系统之间的相互关系和彼此作用的情况了。环境因素：风、浪、流干扰力风速风向传感器 船舶特性船体推力器控制器位置与艏向指令位置测量系统 图 2 动力定位系统框图从图2中不难看出：在风平浪静的情况下，也就是船体不受风、浪、流的作用的时候，人们发出一个“船位和艏

10、向指令”通过“控制器（子系统）”操纵“推力器（子系统）”，推力器便推动船体运动。这时，船体的运动特性（船位、艏向）通过“位置测量（子）系统”反馈给“控制器（子系统）”（此时由于风平浪静，六个自由度运动趋于平稳），当船位和艏向符合“指令”要求时，“控制器”输出为零，推力器停止运行，船体便稳定在指令要求的位置上。当海上风云突变，船体在风、浪、流的作用下开始6个自由度的摇、荡运动，船位和艏向开始偏离目标位置。与此同时，“风传感器”和“位置测量系统”都向“控制器”发出信号。“控制器”接收这些信号后，通过计算机系统进行计算，算出船体所受到风、浪、流的干扰力。然后，计算机系统又根据此干扰力和由“位置测量系

11、统”所测得的船位、艏向和摇、荡状况，计算出保持船位所需要的作用力。并确定各个推力器的推力分配情况，由“控制器”按照推力分配的要求发出指令，控制各个推力器的工况，使推力系统发出的合力抵消风、浪、流的干扰力。使船舶在风云突变的大海上保持船位和艏向在目标位置上不变。这样，DP系统便起到了动力定位的作用。从上面的原理分析显而易见：“位置测量系统”对所测得的信息传送的速度和精度至关重要，它决定了整个DP系统定位的敏感性和精确性。所以我们有必要进一步了解一下图1所表明的“位置测量系统”中的几个子系统的工作原理和各自特点：1、 声学定位系统：将一组发射器或接收器按约定几何图形或基阵布置在船上，也可以布置在作

12、为动力定位基准坐标的海底。发射器安装在海底，接收器安装在船上的（如图1所示）为短基线系统。反之，为长基线系统。声信号从发射器发出经过水传播到接收器，然后根据接收到的信号计算出船体的位置。因此，声能在水中的传播性能在很大程度上影响着声学定位系统的性能。声学定位系统在较长的一段时间内有比较好的精确度，但会有瞬间或短时间段的干扰。2、 张紧索定位系统：在船体和海底之间连接一根钢索，测量钢索在恒张力情况下的斜度，然后根据船体、钢索以及海底三者之间所构成的几何图形，来求解船体所在的位置。由于流的存在，将会导致张紧索在长时间段的偏移，所以精确度不如声学定位系统，但张紧索不会受瞬时或短时间的干扰。3、 无线

13、电定位系统：该系统是由无线电发射、接收设备和支持设备组成，一般而言，一个（或多个）发射设备按照一定的要求，分别安装在陆地的一定的经纬度上，接收设备安装在船体上。然后根据接收到的无线电信号，计算出船体的位置。该系统具有很高的精确度，但会受到无线电波和天气等因素的干扰。4、 差分式全球定位系统（DGPS）：人们通常都是使用全球卫星定位系统（GPS）来确定某个物体在地球上的方位和运动状况。GPS是用卫星进行地面、空中的导航和位置定位的系统。通过卫星接收设备，用户可实时得到时间、三维位置坐标和运动速度。所测的位置精度不大于30米。利用两个或两个以上高精度GPS接收机进行同步观测，可得到测量点的精确坐标

14、点间的长度。其精度为毫米级，1000公里基线测量精度不大于2毫米。目前，共有18颗工作卫星和3颗备用卫星在太空组成GPS，它们分别围绕地球运行在6个与地球赤道保持不同夹角的平面轨道上，平均每个轨道上有3颗工作卫星（如图3所示）。 图 3图4是船舶利用GPS定位的示意图。图中SV表示工作卫星；X、Y、Z表示空间坐标；t表示宇宙时间（Universal Time）;PSR表示假设范围。 图 4 GPS的定位精度是小于10米，为了提高定位的精度，人们便研制出一种名为“差分式全球定位系统”简称DGPS。DGPS是将一台GPS接收机安装在陆地基准站上进行观测，根据基准站已知的精密坐标，计算出基准站到卫星

15、的距离修正数据，并由陆地基准站实时将这一数据发送出去。船上接收机在进行GPS观测的同时，也接收到陆地基准站发出的修正数据，并对自己测得的定位结果进行修正，从而提高了船舶定位的精度（如图5所示）。 图 5假如船舶的作业区远离大陆，陆地基准站发出的数据信息船上无法直接收到。这时船舶就要接收太空中另外一颗名为“INMARSAT卫星”转发的陆地基准站发出的修正数据（如图6所示）。这种修正数据的传输和接收的过程是比较复杂的。因为“INMARSAT卫星”同样存在着偏差，需要陆地基准站进行修正。从图6显而易见：陆地基准站发出的修正数据发送给网络控制中心站；陆地监控站将测得的“INMARSAT卫星”的距离修正

16、数据也发送给网络控制中心；网络控制中心自身也观测“INMARSAT卫星”。网络控制中心将其接收到的三个信息进行综合计算，得出一个考虑到“INMARSAT卫星”偏移误差的综合数据，并将这个综合数据发送给INMARSAT上行线站。上行线站便将这个综合数据转发给“INMARSAT卫星”，该卫星实时地将这一修正数据发送出去，此时的修正数据并不包含“INMARSAT卫星”的偏差，纯粹是GPS陆基站发出的修正数据。远离陆基站的船舶便准确无误地接收到了这个修正数据，对自己的定位结果进行修正，计算出准确地船位。 图 6四、 船舶动力定位系统的控制方法：在船舶动力定位的过程中，控制系统读取位置测量系统所得到的位

17、置信号，将其数值与预定的目标值进行比较，经过运算，得到抵消位置偏差和外界干扰所需的推力。然后对推力器发出指令，以产生推力使船舶尽可能靠近所希望的目标位置。船舶动力定位是自动控制理论的一个具体应用，因此可以应用经典控制理论和现代控制理论来研究和设计动力定位的控制方法。随着科学技术不断地发展，动力定位的控制方法大致可以分为以下几种类型：1、 经典控制（第一代）方法：第一代DP系统所采用的控制方法是经典的比例-积分-微分控制即PID控制。其优点是：PID控制简单、有效，且理论成熟，分析容易，稳态误差小。其缺点是：参数调整较为困难，鲁棒性差，动态性能也不够令人满意。其控制原理如下： PID控制方程式为

18、：f=Kp+KIdt+KD ddt+FA(AA)式中：KP为比例增益系数；KI为积分增益系数；KD为微分增益系数；FA（AA）为风的反抗力矩；A为风速，A为风向。在上式中，比例项使控制系统得到的推力系统复位指令正比于测量值和基准值之差。因此，船舶越偏离基准值，推力器的指令就越大；速度或微分项使推力器指令有必要的超前，从而使DP系统对于干扰有预定的动态效应；积分项的作用是抵消作用在船上的缓慢变化的和静态的力。上述的PID控制系统分别对船舶在海平面内纵荡、横荡以及艏摇三个自由度上的运动实施控制，同时为了避免相应高频运动，还采用滤波器以剔除偏差信号中的高频成分。这主要是因为船舶在海上的综合运动是由风

19、、流、二阶波浪、推力器以及一阶波浪共同引起的。一阶波浪力推力器无法平衡抵消，同时由于高频运动仅表现为周期性的振荡而不会导致平均位置的变化，所以在动力定位中为了避免不必要的能量浪费以及推力器的磨损，仅对低频运动加以控制而忽略高频成分。应该说在DP系统中应用PID控制系统取得了相当大的成功。在设计PID系统时，选择对控制性能至关重要的PID系数是一件很困难的事情。因为PID使用的是线性模型，对于DP这样复杂的非线性系统来说，PID所取得的功效将会受到一定的限制。如果海况和船体有变化，PID控制系统的所有参数将不得不重新选择。这客观上也促进了其他控制方法在DP中的应用。2、 现代控制（第二代）方法：

20、第二代DP系统采用的控制方法是基于数学模型的现代控制理论的控制方法。如：卡尔曼滤波器、自适应控制、最优控制（H2）、预测控制、鲁棒控制（H）、变结构控制等。其优点是：较好地解决了多输入、多输出系统的控制问题，其中卡尔曼滤波器解决了传感器测量的干扰及滤波造成的迟后问题；预测控制解决了大迟后、大惯量、变结构系统的控制问题（DP系统属于这类系统）等。所以第二代DP控制系统的性能已大大优于经典的PID控制的DP系统，特别是在动态性能方面PID控制是无法与其相比的。其不足之处在于：由于现代控制理论的基础是数学模型（不是一个简单的方程式），因此数学模型的准确性就决定了控制性能，实际上要获得准确的数学模型是

21、十分困难的，所以说第二代DP系统的控制性能与人们期望值仍有差距。为了解决数学模型不准确的问题，人们提出了黑箱理论、灰箱理论企图绕过数学模型不准确的困扰，但至今尚未彻底解决此类问题。3、 智能控制（第三代）方法：智能控制也称神经网络控制，是控制技术发展的高级阶段，它是近代科学技术高度分化又高度综合的必然结果。50多年前维纳创立了控制论，其经典的控制理论有三个要素：信息、反馈和控制。反馈控制是经典控制论的基础。经典控制论的优点在于：有了“反馈”才能控制，但他的致命伤也就在“反馈”，如果没有偏差它就不知道怎么控制。上述的第二代控制理论为了克服这个缺点，提出了以“数学模型”为基层的控制理论。因而与维纳

22、的经典控制论相比，第二代的现代控制理论就大大地向前迈进了一大步在没有偏差的情况下，它也知道怎么控制。遗憾的是人们无法得到精确的数学模型。因此控制系统中的三大性能指标（快速性、稳定性与稳态误差）之间的相互矛盾性，经典控制论和现代控制论都未能很好地解决。智能控制的基本出发点就是模仿人的神经网络系统，对复杂的不稳定的系统进行控制。要模拟人的神经智能，就是要模拟人的抽象（逻辑）思维、形象（直觉）思维和灵感（顿悟）思维。因此智能控制是在人工智能、模式识别、系统论、信息论、模糊集合论、人工神经网络、进化论以及耗散结构论、协同论、突变论、混沌学等等的基础上形成和发展起来的。与经典的控制论一样，智能控制也有三

23、个基本要素：智能信息、智能反馈和智能决策。它与经典控制论的区别在于：（1） 智能信息不是简单的传感器测量的信息，而是将测量得到的信息进行信息特征的识别，并进行加工处理以克服不准确性；（2） 智能反馈不是简单的实际情况的反馈（系统反馈为负反馈）。它能根据实际情况的需要灵活地采用反馈，如加反馈或不加反馈？加正反馈还是加负反馈？反馈量的强弱也可根据需要而变化，甚至还可以加（超）前反馈。（3） 智能决策不是简单的控制系统定量控制，它包括：定性控制、定量控制和综合控制。它是一种模仿人脑决策的思维控制。由此可见：智能控制系统必定是一个多模式、变结构、变参数的控制系统，它能够根据被控制对象的实际情况，自学习、自组织的控制模式，自适应地改变结构，自动调整参数，以获得最佳的控制效果，因而它能很好地解决控制系统的三大控制指标（快速性、稳态性与稳态误差）的矛盾。船舶DP系统是一个非线性、大滞后、时变性的系统。而智能控制恰恰是解决该类系统控制的最好办法。第三代DP系统尚未有成熟产品推出，而各国的研究院所、高等院校都在研究此类控制方法。较为典型的有自适应、自组织、自学习模糊控制；模糊神经网络的自组织