1、 本科 毕业设计 船舶动力定位控制技术研究 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 随着人类不断地深入海洋，人们对海洋的开发和探索的范围越来越广。由于海面上的不稳定因素很多，风、海、浪对船舶的运动以及在海面上的位置有很大的影响 ，因此对船舶在海洋中的控制的要求越来越高。 以往 ， 大多船舶采用锚泊等方法进行定位，所需建设工程时间较长，尤其在深海处，锚泊定位方法存在较大困难。因此，船舶动力定位也就应运而生了。船舶动力定位有别于传统的定位方法，船舶动力定位是依靠自身的动力，在控制系统的指挥下抵抗外界的干扰，使其保持某一姿态和艏向、悬停于空
2、间任何一定点位置。它具有不受海水深度影响、定位准确快速等特点。在船舶动力定位系统中，控制系统是它的核心部分。随着控制技术的不断的发展，船舶动力定位控制技术得到快速的提高。至今，动力定位控制技术也经历了三代的 发展， 其特点分别是经典控制理论 、 现代控制理论和智能控制理论在动力定位控制技术中的应用。 本文主要采用的动力定位控制技术是模糊控制技术，其具有 可以不依赖于对象的精确模型， 鲁棒性好，响应速度快，抗干扰能力强的特点， 考虑到船舶动力定位的特点，模糊控制技术还是比较适合动力定位系统的。 关键词 ： 动力定位； PID 控制；模糊控制；船舶运动 II Abstract Along with
3、 research deep in ocean by human, the development and exploration of marine are increasingly wide by people. Because many factors of instability on the sea, wind, sea, wave motion of the ship and the location of the sea has a great influence. So there are increasingly demanding on the control of shi
4、ps in the ocean. In the past, most of ships used the method of anchor for locating, which required longer time for construction projects. Especially in the deep sea, there is a big difficulty in mooring location method. Therefore, the dynamic positioning vessel was generated at that time. The dynami
5、c positioning vessel is different from the traditional. The Dynamic Positioning is the driving force on its own, which is under the command of the control system against outside interference, to keep an attitude and heading, hover over any certain point in space. It has not affected by water depth a
6、nd it also can locate quickly and accurately and some characteristics like those. In the Dynamic Positioning System, control system is the core of its. With the continuous development of control technology, the technology of Dynamic Positioning control has improved rapidly. So far, the Dynamic posit
7、ioning control technology has also experienced the development of three generations, which characteristics are the classical control theory, modern control theory and intelligent control theory of dynamic positioning control technology in the application. This paper uses the dynamic positioning cont
8、rol technology is the fuzzy control technology, which can not depend on the object with the exact model, robustness, fast response, the characteristic of strong anti-interference ability, Taking into account the characteristics of dynamic positioning ships, fuzzy control technology is more suitable
9、for dynamic positioning system. Keywords: Dynamic Positioning; PID control; Fuzzy control; Ship motion III 目录 第 1 章 前言 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 船舶动力定位技术在国内外的发展和研究现状 . 1 1.3 船舶动力定位系统控制技术 . 2 1.4 本文研究的主要内容 . 3 第 2 章 船舶动力定位系统 . 4 2.1 动力定位系统的介绍 . 4 2.1.1 动力定位系统的概念 . 4 2.1.2 动力定位系统的组成 . 4 2.1.3 动力定位控制系
10、统的工作原理 . 4 2.1.4 动力定位系统的功能 . 5 2.2 船舶 运动模型 . 6 2.2.1 船舶平面运动基本方程 . 7 2.2.2 动力定位船舶数学模型 . 7 第 3 章动力定位经典控制技术 PID 控制 . 10 3.1PID 控制 . 10 3.1.1PID 控制原理 . 10 3.2 PID 控制在动力定位中的应用 .11 第 4 章 模糊控制 . 13 4.1 模糊控制概论 . 13 4.1.1 人类思维的两种模式 . 13 4.1.2 模糊逻辑系统和模糊逻辑控制 . 13 4.1.3 模糊控制的优势 . 14 4.2 模糊控制的理论基础 . 14 4.2.1 模糊集
11、合与隶属函数 . 14 4.2.2 模糊推理 . 15 4.2.3 模糊规则库 . 16 IV 4.3 模糊控制原理 . 16 4.3.1 模糊控制系统的组成 . 16 4.3.2 模糊控制原理分析 . 17 4.3.3 模糊控制器 . 18 4.4 船舶动力定位模糊控制算法步骤 . 19 总结 . 22 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 23 1 第 1 章 前言 1.1 课题研究的背景及意义 船舶在海上运行时会遇到风、海浪和海流等海洋环境的干扰，这样船舶就产生了受扰运动。例如科学考察船在海上进行作业时，需要停在指定的位置上。但是由于海上环境的影响，考察船不能一直停在指定的位置上
12、。因此为了确保船舶在海上运作的稳定性，需要对船舶进行定位。 以往，传统的定位方法是锚泊定位。传统的抛锚定位是将锚扔入海底，利用锚钩住海底的淤泥，从而使船舶抵抗受到的外界的干扰力。抛锚定位它的优点是，锚是 任何船舶上都会备有的定位设备，从而不用另外加装其他的定位设备。但是这种定位系统有不可避免的缺陷： 1、 定位不够准确，其精确性与水深成反比； 2、抛锚、起锚费时比较麻烦，机动性能差。一旦抛锚，如果需要重新定位时，需要收锚然后重新抛锚定位，这一过程本身就很繁琐和费时。 3、锚泊系统很容易受海底情况及水深的影响和限制，在一般情况下，它的有效定位的范围是在水深 100 米左右的区域。 4、对于一些需
13、要在深海作业或者航行的船舶，随着水深的增加，锚泊系统的抓底力会逐渐减小，抛锚的困难程度也会增加，同时还要增加锚链的长度和加强强度， 从而导致锚链的重量一下增大，使海上的布链作业将变得复杂。此外，锚链的价格和安装费用也会猛烈增加。在实际情况下，当水深达到一定的深度时，多点锚泊系统已经没有多大的用处。 而船舶动力定位系统与传统的定位不同，它不需要借助锚泊系统定位，而是通过测量系统检测出船舶的实际位置与所需要的目标位置的偏差，然后再根据外部环境扰动力的影响来计算出使船舶恢复到目标位置时需要的推力大小，再通过控制船舶上的推力器进行推理分配，从而使推力器产生相对应的推力，尽可能地使船保持在要求的位置上。
14、动力定位系统的特点是不受海水深度的影响，推力 器能在任何水深下提供推力抵抗环境力，动力定位系统的定位成本不会随着水深的增加而增加，同时它具有定位迅速准确，快速响应天气环境的变化和不受海洋环境的影响等优点。由此看来，相比于传统的锚泊定位，动力定位有很大的优势，尤其适用于深海领域。因此对动力定位的研究具有重要的意义。 1.2 船舶动力定位技术在国内外的发展和研究现状 船舶动力定位系统最早开始使用是从 20 世纪 60 年代和 70 年代初。率先使用动力定位系统的船是用于铺设电缆，勘探或是对水下的作业进行一定的水面支援，并且船的排量大概是450 1000 吨。 “ 犹勒卡 ” 号是 第一艘装有动力定
15、位系统的船舶。动力定位系统最明显的特点是它一般都装有好几台推力器，但是并不会影响船体的形状和尺寸。在早期的装有动力定位系统船舶中，最出名同时也是最成功的是 “ 格洛马挑战者 ” 号。这艘船差不多游遍了世界的每一个海洋，在水深超过 2000 英尺的海洋中收集岩心，这些岩心为地质学上的发现特别是为板壳结构理论提供了非常有利的证据。 在 第二代装有动力定位系统的船舶中，虽然每艘船舶都有一些不同之处，但是都采用了差不多相同的传感器和数字计算机控制系统。数字控制器一般都是有计算机组成的，而位置传感器是从单一型发展到 综合型的，在一个系统中可以同时采用竖管角、声学和张紧索这三2 种位置基准传感器。第二代动
16、力定位船舶中最具有代表性的船舶是 “ 赛德柯 445” ，该船是在1971 年投入运营的，与早期的动力定位系统相比，它的主要的特点是采用了数字式的控制器，其中包括了一台 16 位小型计算机，系统可以长期不间断的运行。同时该船还装有多台推力装置，其中有 2 个主螺旋桨与 11 个辅助推进器。 第三代动力定位系统开始形成于 80 年代初，当时主要采用的是刚开始发展起来的微处理机技术和 Vme、 Mutibus 多总线标准等，其中典型的有法国的 DPS800、挪威 的 ADP100、 ADP503系列，这些动力定位系统装备了潜水支持船、海洋三用工作船、科学考察船、穿梭油船、消防船、电缆敷设船等多种船
17、舶。 我国从 70 年代开始研究动力定位技术，目前有很多研究单位通过结合实际课题并且开展了技术攻关。例如，我国唯一的专门从事国际海底区域资源勘察研究开发的 “ 大洋一号 ” 远洋科学考察船，该船已经达到了国际先进水平。 2002 年，该船安装了动力定位系统，用以科学考察船在海上的作业需求。 1.3 船舶 动力定位系统控制技术 由于推进技术、传感器和计算机技术的发展使动力定位系统产生巨大的进步，然而 动力定位技术的核心是控制技术，因此控制技术的发展才真正代表了动力定位技术的发展水平。到目前为止，动力定位控制技术已经发展到第三代，这三代动力控制技术的特点分别是经典控制理论、现代控制理论和智能控制理
18、论在动力定位控制技术中的应用。以下是几种控制技术的介绍： 1、 PID 控制 PID 控制是早期的动力定位控制技术，它控制船舶的三个自由度，分别是纵荡、艏摇和横荡。 PID 控制采用风前馈技术，根据艏向和位置的偏差来计算推力大小，然后确定推力的分配逻辑并控制推力器产生推力，从而实现船舶的定位。在早期不得不说 PID 控制确实取 得很大的成功。但是 PID 控制 还是有不可避免的缺陷。首先， PID 控制使用的是一种线性模型，而动力定位系统是一种非线性系统，因此 PID 控制的功效就有一定的局限性。此外，由于海上的环境情况是不断变化的，因此对 PID 参数的选择也要随之变动。这也促使了动力定位控
19、制技术要进一步的发展。 2、 LQG 控制 第二代动力定位控制技术是 LQG控制，该技术在现代的船舶应用十分广泛，它 将 Kalman滤波引入到动力定位的控制中，通过 Kalman滤波器测量船舶的位置信息，然后估算出其低频运动状态，并将之反馈形成针对船舶低频运动的线性随 机最优控制。 LQG控制在鲁棒性、节能和安全上较 PID控制都有较大的进步，同时还解决了在控制中由于滤波而导致的相位滞后的问题。但是也有一些缺点：一是它的计算工作量比较大；二是由于模型不够精确导致有一定的误差产生。 3、模糊控制 模糊控制是一种新型的控制技术，它与传统的控制技术有一定的区别。模糊控制可以不依赖于对象的精确模型，
20、 鲁棒性好，响应速度快，抗干扰能力强 。考虑到船舶动力定位的特点，模糊控制技术还是比较适合的。 Inoue最初在单点系泊中结合了模糊控制动力定位，给出了其基本的模型，控制器的输入量是位置及位置偏 差，输出量是推进力。 但是模糊控制缺乏3 自适应与自学习的能力导致其控制策略都是提前设定好的，一旦海上情况发生变化，控制的效果将不会很理想。因此在模糊控制中加入自我调节功能，这样能提高模糊控制在外部条件发生变化时能自动调整控制策略。 4、神经网络控制 神经网络控制和模糊控制一样，都属于智能控制。由于神经网络控制比较适合高度非线性和不确定性的对象，所以还是比较适合作为动力定位控制技术来使用。 Yip和
21、Pao为了证明用 船的轨迹可以导出漂移力的基础上提出一种神经网络控制器 ， 并把它应用到动力定位系统中 。 做法如下 ： 将一段时间 历程的控制力及船的平均位置作为输入 ， 通过一个循环神经网络学习船的漂移动力学关系 ， 以此来预测为使船在下一时刻与预定位置误差最小所需的控制力 。值得注意的是控制力也包括下一时刻将要受到的波浪漂力 。 1.4 本文研究的主要内容 本文主要是在了解国内外动力定位控制技术的基础上，分析、比较和研究动力定位控制技术的特点以及它们的优势和劣势。 1、分析传统定位技术与动力定位技术的优势和劣势，介绍了动力定位系统的发展状况以及几种常见的动力定位控制技术。 2、说明动力定
22、位系统的概念、功能、原理以及组成。同时分析了船舶的运动方程以 及船舶的低频运动模型和高频运动模型。 3、分析和研究 PID控制技术，首先分析 PID控制的原理。主要是三个环节分别是比例、积分和微分。同时还分析了 PID控制在船舶动力定位控制的优缺点。 4、介绍模糊控制的原理以及模糊控制的组成，还分析了模糊控制的控制算法。作为一种智能控制，与 PID控制相比较，模糊控制的确有它的优势。 4 第 2 章 船舶动力定位系统 2.1 动力定位系统的介绍 2.1.1 动力定位系统的概念 动力定位系统 （ Dynamic Positioning System） 是一种闭 环的控制系统 ，它是通过 推力器来
23、提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力 ， 从而使船尽可能地保持在海平面上要求的 位 置上 ， 其定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便。 随着动力定位技术的发展，动力定位的概念也在扩大。采用动力定位技术，可以使船舶与其他船只保持相对位置不变，使船舶按预定轨迹移位，按预定计划航线以预定航速航行，实现船舶自动驾驶，对水下目标进行自动跟踪等。 2.1.2 动力定位系统的组成 动力定位系统通常由三部分组成包括测量系统，控制系统和推力器系统。 其中控制系统是动力定位系统的核心部分。 1、 测量系统 测量系统包括位置测量设备（用于测量船舶位置）和传感器（用于测量船舶艏向、运动状态、外部环境状
24、态）。常用的有全球定位系统、水声定位系统、无线电定位系统、激光定位系统、数字电罗经、张绳、运动参考单元或垂直参考单元、激光惯性导航系统、风向风速仪、多普勒计程仪等。 2、 控制系统 控制系统主要由以下几部分组成：微机、便携式遥控操纵器、不间断电源、动力定位控制台、控制软件。控制系统分为监测和控制两部分，其中的核心部分是动力定位控制台，具有友好的工作界面和强大的控制功能，同时监测船舶的环境信息和运动信息以及推力 器系统（侧推装置）的反馈信号，监测系统另设故障声光报警。 3、推力器系统 推力器系统用于产生抗衡干扰力的推进力。推力器包括主螺旋桨推进器、全向转动螺旋桨、导 。 管螺旋桨和隧道螺旋桨和侧
25、向推力器。各推进器根据需要安装在船的不同位置 ， 用以产生纵向推力和横向推力及力矩 ， 实现推力联合调控。 2.1.3 动力定位控制系统的工作原理 如图 2.1所示的船舶动力定位控制原理框图。该系统由 DP控制和 JS控制组成。其中 DP控制是自动控制而 JS控制是人为手动控制。其中风速风向仪、差分 GPS、电罗经和参考垂直单元等用来测量位置和外部环 境信息，然后将这些信息经过信息采集单元的收集和处理传送给 DP控5 制主电脑进行计算，再将计算的结果传送给信号处理单元，接着输出到控制转换单元来控制推进器等设备来产生推力。其中的推进设备中的主发 1、主发 2、主发 3是三台柴油发电机。母联 1和
26、母联 2分别是主配电板和配电板。通过船舶的功率管理系统即 PMS管理输出控制信号来驱动这三台柴油发电机供电开关、主配电板的开关和配电板的开关使相应功率提供得到保障。JS控制是人为通过输入参数来控制。 风 速 风 向仪差 分 G P S电 罗 经参 考 垂 直单 元信息采集单元左 翼 控 制右 翼 控 制D P 控 制打 印 机 触 摸 控 制 屏J S 控 制手 动 控 制信 号 处 理 单 元信 号 处 理 单 元控制转换单元艏 侧 推左 主 推右 主 推左 舵 机右 舵 机主 发 1主 发 2主 发 3母 联 1母 联 2图 2.1 典型船舶动力定 位信息采集及控制系统图 2.1.4 动力
27、定位系统的功能 动力定位系统的功能主要包括以下几个方面。 1、定点控制 船舶控制的指令通常是地球坐标系上的某一点。船舶的定点控位由横向、摇艏、纵向三个自由度组成的控制，通过计算，控制器然后发出各项控制指令从而使船在横向、摇艏、纵向等自由度上保持在设定值附近。 2、航迹控制 船舶在航行的过程中，常常要沿着一条预先设定的航线前进。航迹控制需要上层控制机或者是人设定航线指令和速度指令，通过动力定位系统控制船舶使其沿预先设定的航线前进。在航行过程中，海洋环境是在不断变化的，船舶 的艏向可以让控制系统做出相应的调整。 3、循线控制 循线控制主要功能是在系统控制船沿预先设定的航线前进时，使艏向与预先设定航线方向一致，不能自行调整船舶的艏向。 4、跟踪控制 跟踪控制的主要作用是自动跟踪目标，且使船与目标保持一定的空间位置关系。
