李 欣，謝 芃，駱寒冰，劉 鑫，尹漢軍

(1．海洋石油工程股份有限公司，天津300461;2．天津大學 建筑工程學院，天津300072)

0 引 言

隨著經濟發(fā)展對能源的使用需求，石油資源成為經濟發(fā)展的重要因素之一。多年大開發(fā)，使得陸上石油資源開始枯竭，所以海洋石油的勘探和開發(fā)將是今后石油資源開發(fā)的主要方向。海洋石油資源的開發(fā)利用，需要具備海洋施工能力的船舶來進行作業(yè)。對于傳統(tǒng)工程船舶而言，船舶的限位方法是利用錨、纜等設備對船舶進行定位控制。對于水深較淺的海域，錨泊定位易于實現(xiàn)并被廣泛使用。而對于深水施工的船舶而言，若采用錨泊定位的話，錨系布置、施工時間就大大的增加，施工周期延長，對施工效率不利。

動力定位技術的出現(xiàn)解決了深水資源開發(fā)中的船舶定位問題。動力定位技術通過控制若干個推進器的推力大小和推力方向，來控制船舶在風、浪、流載荷下在允許的偏差范圍內運動。動力定位不受水深和海床的影響，可以使施工船舶的機動性增強，極大地縮短了船舶施工周期，提高了船舶效率。尤其是對于深水施工，船舶動力定位技術極大地增強了施工的靈活調動和操縱。

1957年美國研制設計的CUSS1 號船首次使用了動力定位技術。動力定位技術已經得到了很多改進和發(fā)展，并應用于多種船舶上。目前，國際上主要的動力定位系統(tǒng)制造商主要有挪威的Kongsberg 公司、蘇格蘭的Nautronix 公司和Converteam 公司。20世紀70年代，基于PID 的自航控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了利用PID 控制算法發(fā)展出了PID 動力定位控制算法。Fossen 提出了非線性PID 控制方法［1］。除了PID 算法之外，Balchen 提出了卡曼濾波控制方法［2］，使得卡曼濾波方法用于估計波浪頻率從而控制船舶低頻運動。國內關于動力定位的研究如邊信黔［3］進行了自抗擾控制器(ADRC)的研究［4］。

本文主要針對某工程船舶在設計海況下，采用動力定位的船舶運動響應。主要計算研究在風浪流組合下的動力定位時船舶的運動和動力定位系統(tǒng)的推進器的推力角度輸出情況。為實際工程船舶的使用提供參考，以評估該船舶的適宜施工海況，避免工程船在不利施工的海況下作業(yè)而產生不必要的損失。

1 船舶動力定位PID 控制算法

動力定位通過一系列推進器對船舶施加的推力來保持船舶位置，或以一定速度沿軌跡移動。推力的施加，需要采用實時的環(huán)境和位置監(jiān)測來測量船舶的位置，并且通過計算需要施加的推力對各個推進器進行推力大小和推力方向分配。

船舶運動的基本方程為［1］:

將推力作為外力考慮，在時域計算中對外力不斷地調整和變化，就可得到所需要的推力［5］:

式中，ε(t)為位置偏差值;KV為速度系數(shù);KP為比例系數(shù);KI為積分系數(shù)。該PID 控制器的輸出控制，主要由這3 個系數(shù)決定在船舶運動和實際定位時船舶運動產生的位置偏差計算得到推力輸出。

對于各個參數(shù)而言，KV主要影響船舶運動偏差位置的變化速率;KP主要影響船舶的實際位置變化的比例輸出推力;KI主要消除靜差，提高系統(tǒng)穩(wěn)定。在實際控制中，由于積分作用，推力輸出不會在偏差信號消失后而馬上消失，而是會持續(xù)作用，直到出現(xiàn)負的信號影響，積分作用才會減小。而比例系數(shù)對于偏差的控制起著重要作用，比例系數(shù)的大小直接決定著位置偏差而引起的輸出大小，但如果比例系數(shù)過大，會出現(xiàn)運動震蕩反而達不到定位效果。

2 動力定位環(huán)境載荷

動力定位的推力主要用于抵抗海洋環(huán)境載荷。本文主要利用SESAM 中的SIMO 模塊來模擬計算船舶在復雜環(huán)境載荷中的動力定位的運動響應，所以環(huán)境載荷的計算必須考慮。

2.1 風載荷

風速的分布采用NPD 風譜模擬風速的載荷變化，可知NPD 的風譜為［6］:

由此可得到風速的頻域分布，由風譜得到風速的時域分布針對風速計算船舶的風載荷，船舶3 個自由度的受力可以利用以下公式計算到［7］:

式中:AT，AL為船舶的橫向受風面積和縱向受風面積;CXw，CYw和CXYw分別為各自由度的風力系數(shù)。利用此公式可以計算出船舶主要受風載荷影響的3 個自由度的風力載荷。

2.2 流載荷

流載荷需要通過流載荷的分布計算出流速分布，由于流速比較穩(wěn)定，采用定常流進行流速的模擬，流速分布采用公式［6］:

式中:VC(z0)為參考點處流速;z 為流速計算點;h 為水深。流載荷采用以下公式［7］:

2.3 波浪載荷

隨機波浪使用JONSWAP 海浪譜模擬隨機海浪譜如下［6］:

3 計算實例

采用SESAM 軟件，對某船舶在復雜海況下的運動進行時域模擬。在SIMO 中建立推進器模型和控制算法的設定，其余的水動力系數(shù)要通過SESAM 其他模塊計算。船舶的建模工作主要在SESAM 中的GeniE 模塊進行，在Wadam 模塊下計算船舶RAO和船舶的平均漂移力系數(shù)。船舶的DP 推進器主要考慮的是作用于船舶的二階慢漂運動，不注重船舶一階波浪力對船舶運動的影響。主要是由于如果考慮一階波浪載荷則會增加能源消耗和機械磨損，考慮一階的波浪力影響下船舶的定位能力也沒有明顯增加。最后，船舶的動力定位參數(shù)和推進器設置在SIMO 中進行。

船舶主尺度如表1所示。

表1 船舶主尺度Tab.1 Principal dimensions

該船舶布置了5 個推進器:船后方布置了2 個L 型主推進器，船舶前方布置了一個L 型全回轉推進器，船前方還布置有2 個軸隧式推進器。各個推進器布置和計算的編號如圖3所示。

圖1 某船舶幾何模型Fig.1 Geometry model of ship

圖2 某船舶水動力網格Fig.2 Hydrodynamic mesh of ship

圖3 船舶推進器布置Fig.3 Sketch of thruster arrange

本實例中計算具體的海況由船舶DP 設計的最大海況，選取海況分布如表2 所示。

表2 海況分布Tab.2 Sea condition for calculation

對表2 分別進行動力定位時域分析，對于定位問題，主要考慮船舶縱蕩、橫蕩和首搖運動情況。

船舶在平面上的運動時歷，模擬結果如圖4 ～圖14所示。

圖4 船舶縱蕩運動時歷Fig.4 Time history of ship surge

圖5 船舶橫蕩運動時歷Fig.5 Time history of ship sway

圖6 船舶首搖運動時歷Fig.6 Time history of ship yaw

對于船舶推進器的推力以及角度輸出結果為:

圖7 推進器1 推力輸出時歷Fig.7 Time history of thruster No.1 force

圖8 推進器1 推進器角度時歷Fig.8 Time history of thruster No.1 direction

圖9 推進器2 推力輸出時歷Fig.9 Time history of thruster No.2 force

圖10 推進器2 推進器角度時歷Fig.10 Time history of thruster No.2 direction

圖11 推進器3 推力輸出時歷Fig.11 Time history of thruster No.3 force

圖12 推進器4 推力輸出時歷Fig.12 Time history of thruster No.4 force

圖13 推進器5 推力輸出時歷Fig.13 Time history of thruster No.5 force

圖14 推進器5 推進器角度時歷Fig.14 Time history of thruster No.5 direction

通過計算，可以評估在5 級海況下，對船舶影響最大的平面上的運動情況:縱蕩運動的振幅在3 m左右并且可以在某一平衡位置趨于穩(wěn)定;橫蕩運動的運動幅值在穩(wěn)定區(qū)域大約為3 m 左右并且可以在原始位置附近做較為穩(wěn)定的運動;對于首搖運動，風浪流作用下以－8°為平衡位置運動，振幅大概為1° ～2°之間，在該海況下，首搖運動的控制比較穩(wěn)定。同時，5 個推進器的推力輸出和角度變化也在比較穩(wěn)定的范圍內。

在計算結果中，對于動力定位推力輸出，在斜風、斜浪的情況下，主要由船后的2 個主推進器輸出推力，首部的L 型推進器主要提供輔助作用，而軸隧推進器主要用于保持船舶水平運動的推力輸出。而對于保持角度的推力輸出，主要由船后的主推進器來提供水平面上的轉矩。

4 結 語

本文主要針對某工程船的動力定位裝置，利用SIMO 軟件計算船舶在動力定位的情況下，在復雜海況下船舶的六自由度運動和船舶動力定位裝置的推力輸出情況。通過軟件的模擬來評估船舶的動力定位情況。利用軟件計算船舶的動力定位運動，可以評估船舶在動力定位時的運動和定位情況。對實際的施工起到參考和輔助作用，以避免不必要的損失發(fā)生。

［1］FOSSEN T I．Marine control systems:guidance，navigation and control of ships，rigs and underwater vehicles［M］．Trondheim:Marine Cybernetics，2002．

［2］BALCHEN J G，JENSSEN N A，MATHISEN E，et al．A dynamic positioning system based on Kalman filtering and optimal control［J］．1980．

［3］邊信黔，付明玉，王元慧．船舶動力定位［M］．北京:科學出版社，2011．

［4］邊信黔，嚴浙平，施小成．船舶動力定位系統(tǒng)參數(shù)辨識方法的研究［J］．船舶工程，1999(1)．

［5］SIMO-Theory Manual Version3．4，MAEINTEK，2004．

［6］FALTINSEN O．Sea loads on ships and offshore structures［M］．Cambridge University Press，1993．

［7］OCIMF．Predictions of wind and current loads on VLCCs，Oil Companies International Marine Forum，1994．