船舶动力定位系统模型
摘要随着油气开采逐渐向深海发展,传统的一般的锚泊系统已经不能满足深海地域定位作业要求，动力定位因其在深海作业中无可替代的优势而被越来越广泛的应用。

本文给出了简单的深海作业船舶外载荷的计算，建立了简单的船舶动力定位系统模型。

关键词动力定位外载荷计算动力分配与优化
引言
由于海洋开发的不断深入和地域的扩展，传统的一般的锚泊系统已经不能满足深海地域动力定位作业要求，但是船舶动力定位系统能够好的满足这一要求。

以前，船舶在浅海作业时，如果要求船舶的位置保持不变，通常采用的是传统的锚泊定位。

但是随着作业海域的海水深度不断增加，或者作业海域海底的海况比较复杂，不允许抛锚，那么传统的锚泊系统就很难使船舶保持原来的位置。

所以船舶动力定位系统就在这种情况下应运而生了。

传统的抛锚定位是将锚抛入海底，锚爪会抓住海底的淤泥，来抵抗船舶所受到的干扰力。

锚的优点是:锚是任何船舶都有的设备，不需要额外的加装定位设备。

但是它的缺点是:定位不准，而且抛锚、起锚费时比较麻烦，机动性能比较差。

最至关重要的是它还受到水深的限制，其有效定位范围在水深100米以内的区域。

船舶动力定位是依靠本船的动力，在控制系统的控制下抵抗外部的干扰，使其保持一定姿态和腊向、悬停于空间一定点位置。

动力定位系统具有不受海水深度影响、定位快速准确等特点。

1、动力定位系统简介
任何一条船舶或者海洋运动体，它有六个自由度的运动，三个平移运动和三个旋转运动，这其中包括:纵荡，横荡，垂荡，舷摇，纵摇和横摇，如下图1。

图1 船舶六自由度运动示意图
动力定位系统包括了对船舶六个自由度的自动控制，所有这些的控制都是根据操作器所设定的位置值和舶向设定值，通过位置值和舷向的值的测量可以获得需要设定值与现在位置的差值。

位置值的测量可以通过一系列的传感器获得，而脂向值是通过一个或多个罗盘获得的。

设定值与反馈值的差值就是偏差量，而动力定位系统的任务就是尽量减小这种偏差值。

船舶必须在受到外部干扰的时候，控制自己的船位和舷向在最小的误差范围之内，如果这些外部干扰力可以及时准确的被测量，那么控制计算机就可以及时的提供补偿。

动力定位系统除了可以保持船舶的位置和舶向之外，还可以控制改变船舶的位置和舷
向，动力定位控制系统可以通过控制系统来选定某一个固定的新的位置，动力定位控制系统也可以选择某一个固定的航速。

同样，控制系统也可以输入一个新的舶向。

这时，船舶可以保持位置不变的情况下按照一定的角速度来旋转至新的舷向。

同样，同时改变船的位置值和舷向都是可行的。

本文仅考虑船舶的纵荡，横荡，舷摇运动，不考虑垂荡，
纵摇和横摇运动，建立船舶在各种外载荷作用下保持船舶的位置不变的模型。

2 、外载荷计算
2.1 风载计算
具有稳定速度气的稳流风作用到一个物体的时候，在迎面产生的压力如式1所示：
（式1）式中是风的入射角函数，是空气的密度，如果船舶的迎风面由几个部分所组成，那么它所受到的风力可以由几个部分所受到的风力的和的叠加，如式2所示：
（式2）
式中为船舶的迎风部分的截面积的总和，式则是船舶每个迎风部分的截面积。

那么稳流风作用与船舶上面的所产生的扰动力和扰动力矩可以用式3近似表示:
（式3）式中为风干扰下产生的纵荡力，为风干扰下所产生的横荡力，为舷摇力矩，为船舶的总长，为船舶的遭遇风向角，
和分别为船舶水面以上部分的纵向截面积和横向截面积，
，和分别是船舶受到风力作用以后所受到的纵荡力系数，横荡力系数和舷摇力系数，它们与风向角有关。

2.2海浪力计算
海浪的波形分为规则波和不规则波，为简化计算只计算规则波。

规则波中的波浪干扰力和干扰力矩，海浪作用在船体上的流动力和力矩如下式4所示:
（式4）
其中，为压力分布为式,为单位外法线方向，为船舶在海水面以下的面积。

这个时候，将式4用高斯定理，把沿着表面积的积分变化成沿着体积的积分，再把波浪干扰力。

和波浪干扰力矩
投影到随船的坐标系当中，用分量的形式在随船坐标系中表达，那么波浪作用在船体上的纵荡力，横荡力和舶摇力矩如式5所示:
（式5）
式中，为船舶浸没在水下部分的体积。

2.3 海流力计算
一般来说，流从时间上来划分为定常流和不定常流，从空间位置上可以划分为均匀流和非均匀流，在设计船舶动力定位的模型的时候，常常把海流作为定常的均匀流来处理，那么这个时候，海流对于船舶的干扰主要由两部分组成，第一部分是:由于船舶的船体与海流存在粘滞摩擦力和压差阻力，称之为粘滞阻力，一般情况下，船舶所受到的粘滞摩擦力小于船体所受到的压差阻力，所以在设计船舶的控制器的时候可以只考虑船舶所受到的压差阻力。

第二部分:船舶航行在大海中，会受到由周围的自由液面和环流所引起的惯性阻力，但在大多数情况下，船舶所受到的惯性阻力比粘滞阻力要小得多。

综上所述，主要考虑的还是船舶所受到的压差阻力。

那么海流对船舶船体所产生的纵荡力，横荡力和舷摇力矩可以表示如式6所示：
（式6）式中为船舶船体所受到的纵荡力，为船舶船体所受到的横荡
力，为船舶所受到舷摇力矩，为船舶的速度，为船舶舷向与海流方向的夹角，为船舶在水下部分的横向截面积，为水下部分的纵向截面积，为船舶的纵向长度，为纵荡力系数，为横荡力系数，为舷摇力矩系数。

3、回复力、回复力矩计算
船舶在受上述外载荷作用下需保持位置不变，由静力法分析可知，船舶的动力系统须提供回复力和回复力矩抵消外载荷对船舶产生的力和力矩。

由
=（+ +，++）（式7）
=++；（式8）即有
（式9）
（式10）4、建立动力定位系统模型
如图2建立船舶动力定位系统模型。

在船舶A、B、C、D四处采用回转推力器，ABCD构成的正方形的中心与船舶重心在同一铅垂线上，正方形边长为a，推力方向可绕垂直方向旋转任意角度。

考虑A、B、C、D四处的推力产生的回复力和回复力矩要抵消和，令A、
B、C、D四处推力均分解为两部分、
，其中抵消，
提供回复力矩。

即有：
（式11）
（式12）
(式13）
图2 船舶动力定位系统模型
在上述简化下，动力定位的动力分配和优化的问题即为确定
的值使得A、B、C、D四处推力器所需输出推力最小，即使整个动力定位系统耗能最低的最优化问题。

总结如下：
目标函数：MIN(+++)
约束条件：
该四自由度优化问题可通过变换为三自由度问题：
约束
转变如下
在此基础上利用最优化理论即可得到优化的值，从而确定了各推力器所需的动力大小和方向。

总结与展望
本文首先介绍了锚泊定位与动力定位，重点介绍了动力定位的较锚泊定位的优点，给出了船舶在海洋定位的海况模型，船舶动力定位过程中推力器的控制以及力的分配方案，建立了动力定位模型。

为了更好的建立船舶动力定位系统模型，就必须对船舶所处环境的环境进行准确的描述和计算，因此，船舶的海况模型还得进一步的完善和优化。

另外，利用静力法确定的船舶所需的回复力和回复力矩过于简单，也不满足动态控制的要求，因此，船舶的动力学模型也需更好的建立
和完善。

参考文献：
【1】吴文彬.半潜船动力定位系统建模及仿真研究（硕士学位论文）.
武汉:武汉理工大学，2010.
【2】张炳夫.深水动力辅助锚泊系统联合定位设计研究（硕士学位论文）.大连:大连理工大学，2011.
【3】赵之韵.船舶动力定位系统控制器设计（硕士学位论文）.大连:大连海事大学，2009.。