1.动力定位技术背景
1.1 国外动力定位技术发展
当前, 国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。
下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术发展现状。
1．动力定位控制系统
1)测量系统
测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。
国内外动力定位控制系统生产厂家均根据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品。
位置参考系统主要采用DGPS, 水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐, 微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4, 张紧索位置参考系统可选择LTW Mk, 激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4, 雷达位置参考系统可选择RADius 500X。
罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。
2)控制技术
20世纪60年代出现了第一代动力定位产品, 该产品采用经典控制理论来设计控制器, 一般采用常规的PID控制规律, 同时为了避免响应高频运动, 采用滤波器剔除偏差信号中的高频成分。
20世纪70年代中叶, Balchen等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法, 即产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。
近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法, 使
动力定位控制进一步向智能化的方向发展。
智能控制方法主要体现在鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。
年5 月份, 挪威著名的Kongsberg Simrad 公司首次展出了一项的新产品—绿色动力定位系统( Green DP) , 将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。
Green DP 控制器由两部分组成: 环境补偿器和模型预测控制器。
环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力; 模型预测控制器是经过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型, 用以预测船舶的预期行为。
模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时, 主要有三个步骤: 1.从非线性船舶模型预测运动;
2.寻找阶跃响应曲线;
3.求解最佳推力。
控制器结构如图所示[1]:
图1.1Green-DP总体控制图
荷兰的Marin在20世纪80年代初期即确定了关于推进器和动力定位的研究计划, 并开展了动力定位的模型实验, 内容包括: ①推进器和推进器之间的相互作用; ②推进器和船体之间的相互作用; ③环境力和船舶的低频运动。
研究结果产生了应用于动力定位的模拟程序RUNSIM, 包括模拟实验的程序DPCON和理论模型计算的程序
DPSIM。
初步进行了流力、风力、二阶波浪漂移力、推进器力的计算, 控制系统采用经典的PID控制算法[2]和扩展卡尔曼滤波算法, 风力采用前馈的形式。
同时, Marin还开展了下述工作: 动力定位系统和系泊系统联合使用的情况; 扩展了动力定位系统在航迹控制方面的应用, 航迹控制功能现已成为动力定位控制系统的基本要求; 动力定位设计阶段的性能评估、功率需求估算。
一般认为, Marin在动力定位系统实验研究方面已走在世界前沿。
挪威在20世纪90年代做过动力定位方面的实验, 她们将重点放在控制理论和控制方法上面, 在满足李雅普诺夫大范围渐进稳定的基础上, 应用现代控制理论的方法, 采取状态反馈和输出反馈两种形式, 设计不同的状态观测器, 观测速度和干扰, 并以此代替卡尔曼滤波, 在比例为1: 70的船模实验中证实定位的效果。
由于系统模型的不精确性, 以及所受环境力的扰动性对船舶动力定位系统稳定性有很大的影响, 因此在解决稳定性方面存在优势的H∞控制理论和鲁棒控制越来越受到了人们的关注。
日本的九州(Kyushu)大学还在1: 100的船模实验中验证了控制结果的有效性。
当前, 国际上应用得较为成熟的动力定位控制系统一般都采用第二代控制方法, 而基于第三代控制方法(如自适应模糊控制、自学习模糊控制等)及实时测量和计算二阶波浪慢漂力以提升更高精度的动力定位系统研制是一种趋势, 世界各国都正在加紧研制中。
在国外, 有些大学以船舶运动为对象进行深入的控制理论研究。
如麻省理工学院的Triantafyllou和Hover所研究的船舶运动控制, 加州大
学的Girard、Hedrick等研究的协调动力定位理论和实验等。
由美国海洋学会组织的国际动力定位年会, 近年来发表的文章主要从技术层面出发, 研究动力定位系统的设计与改进。
, 挪威Kongsberg公司的Jens-sen发表的”基于模型的流估计”和”基于能量最优的推力使用”、日本Akishima发表的”深海钻井船‘CHIKYU’的动力定位系系统”、美国Prasad、Elgamiel发表的”半潜式平台模型实验”、挪威Kongsberg 公司的Halyard发表的”综合控制系统的改进方法”, 都对各自动力定位控制系统的研究进行了论述。
挪威科学与技术大学与挪威的Kongsberg公司具有密切的联系, 每年都有博士生作相关方面的理论研究|, 每年都邀请Kongsberg公司的相关技术人员给学生讲授动力定位方面的最新进展。
, Kongsberg公司的Lokling Oyvind在”动力定位和导航系统的产品和开发”一文中提到了动力定位系统的要求及未来的挑战。
其认为未来的挑战有: 在模型预测方面, 主要涉及速度、铺管力、起重力、一些未知力的干扰预测等; 在控制系统方面, 主要在于危险作业要求的高精度六自度定位, 以及能量消耗和推进器的损耗, 推进器方面的推进器布置、推进器的限制及影响, 推力分配中的推进器响应时间、推进器组的顺序控制等。
由于网络的发展, 主要以动力定位为主的舰桥集成控制系统的研制也是船舶操纵的发展趋势。
2．推进系统
用于动力定位船舶的推进系统, 除常规的主推进器和舵外, 还有舵桨推进器、槽道推进器、喷水推进器、全回转推进器等。
国外生产动力定位全回转推进系统的厂家主要有英国的Rolls-Royce、荷兰的Wgrtsilg、德国的Schottel和日本的川崎。
其中, Roils-Royce是国际上最大全回转推进器的生产厂家, 全回转推进器的功率从900kW到5000kW, 可安装在各种船型上; Wartsila、Schottel和川崎也是全回转推进器的主要生产厂家, 电力驱动可达7000kW, 可安装在各种船型上。
3．动力系统
现代船舶自动化程度越来越高, 各类达到24h无人机舱要求的船舶基本都采用了船舶电站功率管理系统。
船舶电站功率管理系统基本可分为基于主配电板为平台和基于机舱监控系统为平台两种模式。
以机舱监控系统为平台的典型代表是Kongsberg公司的DC-C20型机舱监控系统中的功率管理系统。
1.1.1 Kongsberg公司动力定位技术的发展
挪威对于动力定位技术的探索始于1975年Kongsberg Vapenfabrikk (KV)公司的一个称为Dynapos的工程师小组, 此小组原属于国防部门,
之后很快转到石油部门, 即隶属于KV的近海分部。
30多年的今天, Kongsberg公司已经成为世界最大的动力定位系统制造厂商。
Kongsberg动力定位系统主要分为以下两类[3]: ( 1) 早年采用KV技术的Kongsberg500原型系统, 即KS500.在20世纪70年代早期, 系统计算机是由Forsvarets Forskning 和KV研制, 是基于
晶体管逻辑技术的。
( 2) 几年后出现了基于单片机系统的单一插件计算机( SBC) 新技术,。