張豐

摘 要：近些年來，隨著我國科技水平的不斷提升，各行各業(yè)的技術(shù)手段得到明顯改進(jìn)與優(yōu)化，尤其是船舶業(yè)。目前，以動力系統(tǒng)為主的系統(tǒng)設(shè)置逐漸成為船舶業(yè)廣泛應(yīng)用的運行系統(tǒng)，取得的應(yīng)用效果較佳。究其原因，主要是因為船舶動力系統(tǒng)能夠為船舶行駛提供源源不斷的動力。即便在正式運行過程中，出現(xiàn)突發(fā)情況，動力系統(tǒng)也會根據(jù)突發(fā)情況的不同，進(jìn)行不同程度的抵御。因此可以說，船舶動力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為我國船舶業(yè)帶來無限發(fā)展機(jī)遇，利于實現(xiàn)長足發(fā)展目標(biāo)。針對于此，研究人員最好結(jié)合船舶動力系統(tǒng)的應(yīng)用情況及相關(guān)性質(zhì)，做好系統(tǒng)的精度控制工作，從根本上確保船舶行駛的安全性與合理性。

關(guān)鍵詞：船舶動力;定位系統(tǒng);控制器;設(shè)計

1 動力定位系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1有關(guān)結(jié)構(gòu)

動力定位系統(tǒng)主要由以下系統(tǒng)組成：即位置測量、控制及推力三大系統(tǒng)。測量系統(tǒng)是一種傳感器系統(tǒng)，它可以準(zhǔn)確測量環(huán)境及船舶運動的相關(guān)參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)具有處理由測量系統(tǒng)檢獲得的信息的功能，從而得出推進(jìn)器控制信號，實現(xiàn)對推進(jìn)器的控制，進(jìn)而保證動力定位船舶在相關(guān)外力的推進(jìn)下，朝向預(yù)訂的航行位置行駛。

1.3有關(guān)工作原理

動力定位系統(tǒng)基于測量系統(tǒng)測出的信息，對船舶的實際位置艏向與設(shè)計數(shù)值進(jìn)行比較分析，基于得出的偏差，控制系統(tǒng)可以計算出推力，進(jìn)而對推力進(jìn)行合理分配。通過控制系統(tǒng)的調(diào)控，船舶可以抵抗各類力矩的影響，從而保證船舶的航向及位置。動力定位系統(tǒng)的控制策略是根據(jù)其工作原理制定的，它可以同時兼顧能耗、控制精度和響應(yīng)速度。

2 動力定位船舶推力優(yōu)化分配

2.1動力系統(tǒng)主機(jī)

主機(jī)是船舶的最初動力來源，按照原理的不同可以分為柴油主機(jī)、燃汽輪機(jī)等，其中，柴油主機(jī)輸出功率高，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，是目前裝機(jī)量最廣的一種主機(jī)類型。

2.2傳動裝置

傳動裝置是主機(jī)功率的傳遞設(shè)備，主要是指傳動軸系。傳動軸系的作用包括：在一定工況下，將主機(jī)與推進(jìn)器隔開，起到離合器的作用;利用軸系的齒輪箱等結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)減速和方向傳動的作用。

2.3推進(jìn)器

推進(jìn)器是船舶與水發(fā)生相互作用的裝置，通常是指螺旋槳。螺旋槳的水動力特性決定了與海水相互作用力的質(zhì)量，進(jìn)而決定了船舶的推進(jìn)力質(zhì)量。因此，有必要對螺旋槳的水動力特性進(jìn)行研究。

當(dāng)船舶處于環(huán)境力較小而方向頻繁變化的特殊海洋環(huán)境中定位作業(yè)時，采用常規(guī)的推力分配方法將會導(dǎo)致推進(jìn)器的方位角也頻繁地變化，但由于推進(jìn)器本身的物理特性，方位角轉(zhuǎn)動速度有限，很可能出現(xiàn)方位角的滯后現(xiàn)象而影響船舶的定位精度，同時也會加速推進(jìn)器的磨損。針對這類問題，Kongsberg提出了偏置的思想，即對DP 船舶的推進(jìn)器進(jìn)行分組，允許推進(jìn)器之間推力相互抵消。這種方法雖然額外消耗了部分功率，但避免了因推進(jìn)器頻繁轉(zhuǎn)向而降低定位精度及加速推進(jìn)器磨損等問題，在實際工程中有重要應(yīng)用價值。Veksler 采用組合偏置算法以減少 DP 船舶在復(fù)雜工況下船舶電站的功率大幅度波動。國內(nèi)學(xué)者施小成、魏玉石等人針對組合偏置算法提出了自適應(yīng)組合偏置策略，仿真結(jié)果表明自適應(yīng)組合偏置策略能有效地提高船舶的動態(tài)性能，但是沒有系統(tǒng)研究偏置量的大小對偏置效果的影響，而且在組合偏置后存在推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗過大的問題。

3 多傳感器系統(tǒng)

船舶動力定位系統(tǒng)需要采集大量的位置信息、速度信息、氣象信息、動力信息等，因此，采用多傳感器系統(tǒng)非常有必要。

多傳感器系統(tǒng)是一種結(jié)合了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的綜合信息系統(tǒng)，在船舶動力定位過程中，可以高效、快速的監(jiān)測、采集各種環(huán)境或?qū)ο蟮男畔?，并將信息傳送至船舶動力定位控制系統(tǒng)。其顯著特征是傳感器節(jié)點的相互協(xié)作，從而使獲取的信息具有快速、精確的特點。其信息融合與重構(gòu)技術(shù)是指將多個傳感器節(jié)點采集的信息進(jìn)行匯總，并在簇節(jié)點和匯聚節(jié)點上完成信息的處理和分析，然后將信息通過總線網(wǎng)絡(luò)傳送至動力定位控制中心。

4 船舶動力系統(tǒng)控制器的設(shè)計方案

船舶所處的環(huán)境較之一般交通工具而言，呈現(xiàn)出的時變性以及非線性程度較高，再加上海浪等環(huán)境因素的干擾與影響，很容易對船舶的正常航行效果產(chǎn)生不利影響。針對于此，我們必須做好船舶動力系統(tǒng)控制器的設(shè)計方案，從根本上確保船舶航行的安全性與合理性。結(jié)合以往的實踐經(jīng)驗來看，船舶動力系統(tǒng)控制器在具體組成方面，多以自抗擾控制器為主。自抗擾控制器（ADRC）主要以跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）以及非線性反饋（NFSEF）為核心控制環(huán)節(jié)。在實際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)船舶實時位置的濾波情況或者實際航行狀態(tài)，進(jìn)行合理監(jiān)測。一般來說，通過應(yīng)用自抗擾控制器可以最大限度地確保船舶定位的精準(zhǔn)性，利于船舶的安全航行。

動力定位系統(tǒng)在正式運行過程中，往往需要先設(shè)定好位置，并輸入相關(guān)信號，才能夠發(fā)揮跟蹤微分器的作用。如跟蹤微分器可以對輸入的給定信號進(jìn)行檢測與處理，發(fā)出高品質(zhì)的微分信號。并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)跟蹤微分器的處理作用，確?？刂破鞯聂敯粜缘靡杂行嵘?。另外，在船舶定位系統(tǒng)運行過程中，運動速度往往是由狀態(tài)觀測器觀測得到的數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步夯實其的測量精度，建議研究人員在設(shè)計過程中，需要綜合考慮動力定位系統(tǒng)的濾波情況以及具體的運行狀態(tài)，防止船舶實際運行過程中出現(xiàn)安全事故。

需要注意的是，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器在實際工作過程中，必須控制好其的參數(shù)數(shù)值，確保船舶運行始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。與此同時，操作人員可以根據(jù)控制器系統(tǒng)反饋出的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對系統(tǒng)實施動態(tài)反饋補(bǔ)償機(jī)制，抑制不良因素的干擾作用，最大限度地確保船舶動力系統(tǒng)的運行安全，規(guī)避隱患問題的出現(xiàn)。

5 關(guān)于船舶動力系統(tǒng)控制技術(shù)的相關(guān)研究

隨著計算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)的深入發(fā)展，船舶動力系統(tǒng)的控制技術(shù)在發(fā)展方面，已經(jīng)經(jīng)歷三個階段的發(fā)展歷程。各個階段根據(jù)各自的理論基礎(chǔ)進(jìn)行不斷改進(jìn)與完善，如經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論等。結(jié)合實際來看，國內(nèi)外在研究船舶動力系統(tǒng)控制器裝置當(dāng)面，主要以智能控制理論為研究基礎(chǔ)，并結(jié)合以下控制技術(shù)對船舶動力系統(tǒng)控制器進(jìn)行合理優(yōu)化，分別是：

5.1 PID 控制

PID 控制主要結(jié)合經(jīng)典控制理論予以實現(xiàn)的控制技術(shù)。一般來說，PID 控制實現(xiàn)對船舶三個自由度的控制要求，完成控制器的控制與管理任務(wù)。然而，結(jié)合實踐經(jīng)驗來看，PID 控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中，往往存在著控制精度不高、控制速度過慢以及定位效率不高等情況，不利于獲取精準(zhǔn)的 PID 參數(shù)值。

5.2 DMRAC 控制

DMRAC 控制技術(shù)屬于模型參考自適應(yīng)控制范疇內(nèi)的技術(shù)內(nèi)容。DMRAC 在控制結(jié)構(gòu)上，主要以內(nèi)環(huán)與外環(huán)兩個控制回路為主要的結(jié)構(gòu)形式。內(nèi)環(huán)的主要功能在于控制器與被控對象形成有效的反饋回路，完成控制工作。而外環(huán)的主要功能在于對參數(shù)數(shù)值進(jìn)行重設(shè)與調(diào)整。結(jié)合實踐經(jīng)驗來看，DMRAC 控制系統(tǒng)的控制效率較高，利于船舶動力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是，由于控制系統(tǒng)不存在記憶功能，導(dǎo)致操作人員需要反復(fù)輸入數(shù)據(jù)并操作，才能夠?qū)崿F(xiàn)控制目標(biāo)。

5.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制本身屬于模糊控制范疇內(nèi)的重要分支。所謂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要基于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)功能進(jìn)行操作與控制。這種控制技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，多具備不確定性與非線性等方面的特點，使得該控制技術(shù)具備較強(qiáng)的容錯性與兼容性，利于輔助操作人員完成船舶行駛的控制工作。

結(jié)語：總而言之，船舶動力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用對于船舶正常行駛而言，具有重要的促進(jìn)作用，值得推廣與應(yīng)用。

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