論船舶動力定位控制系統(tǒng)設(shè)計范文

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摘要:船舶深海作業(yè)的核心技術(shù)之一是動力定位系統(tǒng)。本文基于海洋工程中常見的船舶動力定位系統(tǒng)，通過介紹其系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對動力定位系統(tǒng)的基本構(gòu)架和控制技術(shù)進行了分析和設(shè)計。

關(guān)鍵詞:船舶;定位控制;推力分配

當今世界隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，在能源和資源方面帶來了嚴重的問題，海洋資源的開發(fā)和爭奪非常激烈。另一方面，海洋作業(yè)的工作環(huán)境非常復雜，因此開發(fā)海洋資源需要先進的技術(shù)支撐。當前船舶定位主要采用動力定位、錨泊定位以及第三種錨泊+動力綜合定位。錨泊定位因其簡單的結(jié)構(gòu)和高可靠性多應(yīng)用在淺水區(qū)域。當水深1500m時，定位方式多為錨泊輔助動力定位方式。隨著水深進一步增加，錨泊定位系統(tǒng)經(jīng)濟成本嚴重增加。當前多數(shù)系統(tǒng)采用錨泊系統(tǒng)與動力定位系統(tǒng)聯(lián)合定位。水深在一定條件下時，浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的主要定位方式為錨泊定位，但由于水深增加，導致了錨泊系統(tǒng)降低了其抓底能力，使得拋錨難度增加，這樣大大增加了其重量，導致海上布鏈作業(yè)難度上升，增加了系泊錨鏈經(jīng)濟成本，大大限制了其定位功能。

1動力定位控制系統(tǒng)概述

動力定位系統(tǒng)為閉環(huán)模式，屬于高新控制技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用在船舶作業(yè)中。其最大的特點是無錨泊系統(tǒng)時，實時監(jiān)測船舶實時位置與目標位置的偏差，結(jié)合自身計算能力，綜合考慮外界流、浪、風等因素計算得到船舶前進到目標位置所需的動力，并將推力合理分配至船舶的推力器上，由其所屬的各推力器產(chǎn)生對應(yīng)大小的推力，使船盡量到達并穩(wěn)定地保持在海平面的目標位置。動力定位系統(tǒng)主要由推力系統(tǒng)、位置測量系統(tǒng)以及最重要的控制系統(tǒng)組成。眾所周知，海洋結(jié)構(gòu)物運動的產(chǎn)生是波浪、推水力器、流和風等綜合影響的結(jié)果。其中，低頻運動由水流、風、推力器和二階波浪慢漂力造成;波頻運動則是由一階波浪引起的。低頻運動導致海洋結(jié)構(gòu)物向遠離原來的位置的方向緩慢漂浮，因此必須加以控制;波頻運動則引起結(jié)構(gòu)物發(fā)生高頻往復運動。當動力定位系統(tǒng)在對高頻位移嘗試進行控制時，會大大增加推力器系統(tǒng)的磨損和能耗，因此這種操作應(yīng)當盡力避免。此外，海洋中的流、風、浪的存在也會對海洋結(jié)構(gòu)物的運動造成動力干擾，并最終導致結(jié)構(gòu)物模型的參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，在動力定位控制中，需要保證海洋結(jié)構(gòu)物在面對海洋復雜多變的環(huán)境下仍能使船舶保持較高的性能指標。

2船舶動力定位控制系統(tǒng)設(shè)計

2．1位置測量系統(tǒng)

位置測量系統(tǒng)的主要構(gòu)成有:風速風向儀、測深儀、DGPS系統(tǒng)、航向傳感器、回聲傳感器、雷達系統(tǒng)、氣象傳真等。這些系統(tǒng)可以實時測量船舶的相對位置以及完整位置。在動力定位系統(tǒng)當中，最核心的問題是能通過合適的位置測量系統(tǒng)，及時在船舶工作時間段實時傳輸其所測得測量數(shù)據(jù)。

2．2推進器系統(tǒng)

推進器系統(tǒng)是一種執(zhí)行機構(gòu)(圖1)，接受動力定位系統(tǒng)的指令后通過它傳遞給下一機構(gòu)。常見的推進器形式有吊艙式推進器、全回轉(zhuǎn)推進器以及槽道式推進器三種。槽道推進器可以提供橫向力，且其安裝時位置靠近艏艉兩端。全回轉(zhuǎn)推進器能夠提供任意方向上的推力，方便船舶定位。由于動力定位控制的運動其方向為水平方向，運動方式為:橫蕩、艏搖、縱蕩。為使推進器系統(tǒng)完成其功能，為船舶固定位置相對提供足夠動力，其必須具備兩種能力:提供足夠大的推力來抵消環(huán)境因素產(chǎn)生的作用力;必須提供足夠快的響應(yīng)速度，在船舶上的外力發(fā)生變化時能及時作出反應(yīng)。

2．3動力定位系統(tǒng)控制器

船舶動力定位系統(tǒng)(圖2)由多個部分構(gòu)成，其首先通過控制臺給出所需的推進指令，保證船舶安全穩(wěn)定作業(yè)。在動力定位系統(tǒng)進行操作時，控制器自動接收系統(tǒng)中由各種傳感器傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，完成接受后及時進行數(shù)據(jù)處理，從而對船舶所在進行估算，DP控制臺上會顯示估算值，并實時更新。如果系統(tǒng)可以切換到自動定位模式，此時DP操作員必須預(yù)先設(shè)置期望的能自由定位的定位點，比如鉆井作業(yè)中存在的連接角、船舶位置或首向等。控制器將會對期望設(shè)定點和船舶的估算位置或者是首向位置進行對比，結(jié)合設(shè)計規(guī)定的控制運算，及時將推進指令發(fā)給推進器，不斷調(diào)整偏差。到達設(shè)定點后，系統(tǒng)自動對環(huán)境作用力進行補償，保證船舶動態(tài)穩(wěn)定在設(shè)定點附近。為擺脫海洋環(huán)境影響，保證船舶能穩(wěn)定地保持在設(shè)定點，DP系統(tǒng)在設(shè)計階段建立數(shù)學模型時綜合考慮了多種因素影響。

3結(jié)論

船舶動力定位技術(shù)是船舶設(shè)備在海洋作業(yè)過程中的關(guān)鍵的核心技術(shù)，和傳統(tǒng)的錨泊方式相比，其具有的優(yōu)點是機動性強、定位精準、方便快捷且不受水深限制等優(yōu)勢，對于海洋開發(fā)和提高海洋經(jīng)濟效益有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻:

［1］周利，王磊，陳恒．動力定位控制系統(tǒng)研究［J］．船海工程，2008，37(2):86-91．

［2］陳國洋，吳欠欠，宋華屏．提升“海洋石油201”深水鋪管起重船DP性能的可行性分析［J］．船舶工程，2010，32(Z1):29-32．

作者：呂永惠 單位：青島市海洋與漁業(yè)行政執(zhí)法支隊