船舶动力定位系统-郑荣才

第21卷第4期中国惯性技术学报Vol.21No.42013年8月JournalofChineseInertialTechnologyAug.2013收稿日期：2013-01-24；修回日期：2013-06-21基金项目：国家863计划重点项目（2011AA110201）作者简介：郑荣才（1973—），男，工学博士，高级工程师，研究方向为综合导航和多传感器数据融合技术。E-mail：[e-mail]文章编号：1005-6734(2013)04-0495-05船舶动力定位系统郑荣才，宋健力，黎琼，吴园园，窦玉宝(天津航海仪器研究所，天津300131)摘要：随着深海技术的不断发展，动力定位系统的在海洋工程上得到广泛应用。动力定位系统通过其控制系统驱动船舶推进器来抵消风、浪、流等作用于船上的环境外力,从而使船舶保持在确定的位置上或沿预期的航迹航行。本文在分析了国际海事组织和国际海洋工程承包商协会对动力定位系统定义及分级要求的基础上，阐述了国外船舶动力定位系统的发展及其应用状况，分析了动力定位系统的组成和工作原理，研究了动力定位系统的各种约束、控制策略、控制技术、推力分配等关键技术，指出动力定位系统精度取决于控制系统和测量系统性能，并提出了发展国产动力定位系统应采用的途径。关键词：动力定位系统；推力分配；测量系统；控制系统中图分类号：U666.1文献标志码：ADynamicpositioningsystemofshipZHENGRong-cai,SONGJian-li,LIQiong,WUYuan-yuan,DOUYu-bao(TianjinNavigationInstrumentResearchInstitute,Tianjin300131,China)Abstract:Withthedevelopmentsofdeep-seatechnologies,thedynamicpositioningsystem(DPS)hasbeenwidelyappliedinoffshoreproject.Thedynamicallypositionedsystemofavesselisdesignedtoaccuratelymaintainthevessel’spositionandheadingatafixedlocationorapredeterminedtrackformarineoperationpurposesbyexclusivelyusingactivethrusters.Inthispaper,thedevelopmentandapplicationofthedynamicpositioning(DP)systemwereinvestigated.TheprinciplehowtheDPworkswasanalyzed.ThetypicalconfigurationsoftheforeignfamousDPSwerestudied.Thesystemrestrictions,controlstrategy,controltechnology，andthrustallocationofDPwereanalyzed.Itwaspointedthattheaccuracyofdynamicpositioningsystemdependsondynamicpositioningcontrolandmeasurementequipment.Basedontheresearchesabove,anapproachtodevelopourowndynamicpositioningsystemwaspresented.Keywords:dynamicpositioningsystem;thrustallocation;measurementsystems;controlsystems船舶动力定位(dynamicpositioning，DP)系统是一种闭环控制系统，它通过控制系统驱动船舶推进器来抵消风、浪、流等作用于船上的环境外力,从而使船舶保持在海平面某要求的位置上。DP通过测量系统不断检测船舶的实际位置与目标位置的偏差，再根据环境外力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，进而对全船的各推进器进行推力分配，使各推进器产生相应的推力以克服风、浪、流等环境外力的干扰，使船舶保持在某确定位置或沿一定预定航迹航行[1]。DP广泛用于海上作业船舶和海上平台的定点系泊，具有定位精度高、灵活性好、机动性强、适用于多种海况作业等诸多优点，受到广泛关注[2]。1动力定位系统的定义和分类国际海事组织（InternationalMaritimeOrganization，IMO）和国际海洋工程承包商协会(InternationalMarineContractorsAssociation，IMCA)将DP定义为动力定位船舶需要装备的全部设备，包括动力系统、推进器系496中国惯性技术学报第21卷统和动力定位控制系统[3,4]。由于海上作业船舶对动力定位系统的可靠性要求越来越高，IMO和各国船级社都对DP提出了严格要求[5-7]，制定了三个等级标准。设备等级一(DP1)：在单故障的情况下可能发生定位失常。设备等级二(DP2)：有源组件或发电机、推进器、配电盘遥控阀门等系统单故障时，不会发生定位失常，但当电缆、管道、手控阀等静态元件发生故障时可能会发生定位失常。设备等级三(DP3)：任何单故障都不会导致定位失常。DP的分级主要是考虑设备的可靠性和冗余度，目的是对动力定位系统的设计标准、必须安装的设备、操作要求和试验程序等作出规定，保证DP安全可靠运行，并避免在DP作业时对人员、船舶、其它设备造成损害。2动力定位系统的发展状况船舶动力定位系统最初的应用开始于20世纪60年代。1961年，美国壳牌石油公司的钻井船Eureka号完成下水，很快自动控制推进器的设备就进行了装船，它是由HowardShatto设计完成的。这艘船配备了一套最基本类型的模拟式控制系统，并和外部的一个张紧索参考系统相连。除了主推进器外，还在船头和船尾加装了易于操纵的推进器，船长为40m，排水量为4.5×105kg。船上装有动力定位系统后最显著标志是它具有多台推进器。在第一批动力定位船舶中，最成功最著名的是“格洛马挑战者”号船舶，该船几乎遍游地球的每一个海洋，收集到水深达6100m处的岩心，为地质学上的发现尤其是为板壳结构理论提供了大量有利证据[8]。第二代动力定位系统于20世纪70年代初开始形成。第二代动力定位船舶中最具有代表性的是“SEDC0445”号，该船于1971年投入营运，系统具有连续作业50天能力。“SEDC0445”号也装有多台推力装置，包括11只辅助推进器和2只主螺旋桨。与第一代动力定位系统相比，主要特点是采用了卡尔曼滤波等现代控制技术，各动力定位船舶都采用几乎相同的传感元件和数字计算机控制系统，而位置传感器则由单一型发展成综合型，在一个动力定位系统中可同时采用声学、张紧索和竖管角三种位置基准传感器，系统的各个原件都有冗余，可长期不间断地运行。第三代动力定位系统于20世纪80年代初开始形成的，主要采用现代计算机技术和现场总线技术。经过多年的发展，动力定位系统的鲁棒性、灵活性、功能性和操作的简易性均提高到新的水平。其中典型的有Konsberg公司的SDP11系列，Navis公司的NavDP4000系列，L3公司的NMS6000系列。这些动力定位系统均具有开放性的结构，能够实现船舶位置和航向的高精度保持，广泛用于风力发电安装船、溢油回收船、平台供应船、铺管船、辅缆船、挖泥船、打桩船、半潜运输船、钻井平台、打捞船、起重船、无限区化学品船、LNG船等船舶和海洋工程领域。目前最先进的DP可以在2级流、6级风的海况下实现0.35m的位置定位精度，0.1°的艏向保持精度和1m的航迹保持精度。船舶定位控制是在不断壮大的石油和天然气勘探业以及舰船作业需要的背景下于20世纪60年代初期产生，目前己经迅速发展为一项高新而成熟的技术。1980年，具有动力定位能力的船舶数量为65艘，到1985年增长到150艘，到2002年其数量超过了1000艘，目前全世界已有2000多艘具有动力定位能力的船舶。动力定位技术在军事和海洋工程领域得到了广泛应用。3动力定位系统的组成及工作原理船舶动力定位系统主要由3部分组成：位置测量系统、控制系统和推力系统[1]，如图1所示。测量系统是指获得船舶相应运动参数和环境参数的传感器系统，主要有：提供船舶艏向的电罗经；提供船舶准确位置的DGPS、声学定位系统、张紧索等；提供风速和风向变化的风向风速仪；提供船舶姿态的垂向基准传感器。动力定位控制系统主要对测量系统测量到的船舶运动信息及当前环境作用信息进行处理，给出推进器控制信号以对推进器进行控制，使动力定位船舶在风、流、浪等外力和推进器的推力作用下保持在期望位置及艏向。推力系统是动力定位系统的执行机构，包括动力系统和推进器。推力系统按照控制系统发出的指令控制推进器推力的大小和方向，以抵抗外界环境的干扰力和力矩。目前，国外各主要DP厂家的产品均符合IMO及主要船级社的要求，均能提供三个等级的产品，其产品均能提供手动、半自动和自动三种操作方式，对船舶的位置和艏向的控制可单独进行或两者同步进行。但由于各家公司设计理念及产品用途的不同，产品的配置也不完全一样，但大体上均包括操控台、控制和信号处理单元、测量系统、动力推进系统和网络等。Kongsberg公司典型的动力定位系统SDP11(DP1)配置如图2所示，L3公司典型的动力定位系统NMS6000第4期郑荣才等：船舶动力定位系统497(DP2)配置图3所示。图1动力定位系统组成Fig.1Blockdiagramofdynamicpositioningsystem图2Kongsberg公司的SDP11Fig.2ConfigurationofKongsbergSDP11图3L3公司的NMS6000Fig.3ConfigurationofL3NMS6000船舶动力定位系统根据测量系统测量到的船舶运动信息及当前环境参数，将船舶的位置和艏向与期望值比较，控制系统依据此偏差计算出所需推力，同时对推力进行分配。船舶在控制系统的控制下利用自身的动力驱动推进器，形成一个足以抵消外界时变环境载荷的主动力，从而抵消风、浪、流等环境外力（矩）498中国惯性技术学报第21卷的干扰，使船舶保持在一定位置和方向的系统。动力定位系统工作原理如图4所示。图4动力定位系统工作原理Fig.4Systemimplementationofdynamicpositioningsystem4动力定位系统的控制策略船舶在海上的动力学特性很难用精确的数学模型加以描述，而风、浪、流等外部随机干扰的统计特性也随着不同的海况而发生很大的变化且难以预知。如何对动力定位系统进行控制是动力定位系统需要解决的关键问题之一。应用于海上作业船舶和海洋平台动力定位系统的主要性能指标包括：动力定位系统能快速响应外界环境因素的影响，使船舶保持在预期的位置、艏向范围内或沿预期的航迹行驶，并且在确保动力定位系统安全可靠工作前提下使推进系统能耗最小。在此要求下，制定动力定位系统的控制策略时主要考虑以下约束条件：1)功率消耗船舶能产生的功率数量是有限的，推力器只能使用其中的一部分。随着海况、作业类型、服役发动机的数目和故障情况的不同，所分配的功率的数量也有所不同，因此，执行机构得到的控制指令必须受到限制。为了达到最高的性能而不发生执行器饱和，在控制器和推力分配系统中都应考虑功率的约束限制[9]。2)推力器负载推力器推力的大小与推力器的机械属性有关，是制定控制策略时要考虑的硬约束，如由电力推进产生的高峰值推力能损坏齿轮箱。因此，出于安全考虑，螺旋桨的转速必须受到约束。另外，光滑的推力变化对节约能源也有好处，因此，速度约束也应和与作业有关的功率约束综合起来考虑。3)操作区约束根据作业不同（如钻井、跟踪ROV、装载等），可能存在和工作区域相关的不同操作约束。为了