譚永燦
(江龍船艇科技股份有限公司,廣東 珠海 519000)
對于船舶的制造和加工環(huán)節(jié)來說,進一步提高動力定位系統(tǒng)的運行效率,能夠有效地控制船舶,實現(xiàn)自動化操作,防止出現(xiàn)突發(fā)問題。本文所研究的高性能船舶對象,具備多樣化的作業(yè)功能。在其上方需要進行動力定位系統(tǒng)的配置,不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)對于自動化船舶操作的控制,同時還能夠確保在大風浪的條件之下,船舶也能夠安全的作業(yè)。因此,就需要在原有系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)之上,針對具體的設(shè)計思路,展開深入的研究和探討。通過改進方案的提出,對于原有的設(shè)計方案,進行優(yōu)化與完善。
對于當前的海洋工程來說,在深海技術(shù)持續(xù)推進發(fā)展的過程中,動力定位系統(tǒng)也具有較為廣泛的應(yīng)用范圍。在船舶上所設(shè)置的動力定位系統(tǒng)就是依靠控制系統(tǒng),實現(xiàn)對于推機器的驅(qū)動,這樣就能夠使船舶在航行的過程中,面對風浪、水流等外界環(huán)境條件之下,能夠?qū)τ谒饔糜诖耐饬Γ瑢崿F(xiàn)有效的抵消,并通過對于船舶推力器大小、方向的調(diào)整和控制,讓其始終維持在事先設(shè)定的位置上。對于船舶動力定位系統(tǒng)而言,可以將其簡稱為DP 系統(tǒng)。DP 系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng),通過該系統(tǒng)的應(yīng)用,能夠維持船舶航行的穩(wěn)定性,確定船中心和船艏向,減少乃至消除航行方向與軌道偏離的問題。DP 系統(tǒng)能夠依靠測量系統(tǒng),對于船舶的實際位置進行檢測。并通過對比得到和目標位置之間的偏差,在環(huán)境外力影響的基礎(chǔ)之上,對于全部重新回歸到目標位置所需要的推力大小,展開進一步計算。這樣就能夠針對船舶上的各個推進器,進行推力的分配,確保其能夠通過推力的產(chǎn)生,從而抵抗環(huán)境外力對于船舶的運行所帶來的干擾和阻礙。讓船舶在航行的過程中,能夠自動維持在預(yù)設(shè)值的軌道位置上。按照預(yù)先設(shè)計好的航線不斷地前進。在當前的海上作業(yè)中,很多船舶都應(yīng)用了動力定位系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的設(shè)置,不僅能夠提高定位的精確度,而且具有良好的機動性和靈活性。在多種類型的海上作業(yè)中都較為適用,具有很多的應(yīng)用優(yōu)勢。所以,在現(xiàn)階段的各項研究中,也得到了重點的關(guān)注。
前期有一個廣東省沿海600 噸級綜合消防雙體船的項目,因該船設(shè)計對外消防能力較強,全船配備7 臺水炮,其中多功能消防炮1 臺(流量3000m3/h,水射程大于200m),主消防水/泡沫炮2 臺,副消防水/泡沫炮4臺,所有消防炮通過駕駛室控制臺及無線遙控器遙控,同時配有手動操作。船東要求在對外消防救援時,能精準打到目標??紤]該船水炮數(shù)量多、流量大和后坐力大的綜合因素,我們經(jīng)過多次技術(shù)討論,最終給船東定下設(shè)計方案,引入DP 動力定位系統(tǒng)。另根據(jù)船東實際使用需要和作業(yè)海域情況,確認DP-1 入級符號。
在設(shè)計方案中,對于DP 動力定位系統(tǒng)進行了基本的配置,其中包含三方面的內(nèi)容,分別為動力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)。
(1)在動力系統(tǒng)中,我們選用船舶電站,涉及兩臺主柴油發(fā)電機組。在其中進行了相應(yīng)的管理系統(tǒng)的設(shè)置,通過管理系統(tǒng),能夠進行自動并車和起停機組的操作,同時還能夠進行負載的轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)對于大功率負載的詢問。對于所出現(xiàn)的故障問題,具備報警和處理的功能。通過電力系統(tǒng),能夠?qū)τ趧恿Χㄎ幌到y(tǒng)中的各項設(shè)備,進行驅(qū)動動力的提供。作為工作電源,對于其他的控制系統(tǒng)和設(shè)備的運行,提供充足的電力。
(2)在推力器系統(tǒng)中,我們選用柴油機驅(qū)動的推進器,主推進裝置選用全回轉(zhuǎn)推進器,艏部設(shè)液壓艏側(cè)推,左右片體各一套以及有關(guān)的各種輔助性的設(shè)施。對于推進系統(tǒng)來說,其中很多設(shè)備可以相互備用,這樣就能夠確保整個系統(tǒng)維持在正常的運行狀態(tài),提高系統(tǒng)運行的效率,這樣才能對于動力定位系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn),做到基本的保障,提高系統(tǒng)功能的安全性和可靠性。對于推進系統(tǒng)來說,其中所設(shè)置的設(shè)備相互之間的聯(lián)通,以動力定位系統(tǒng)和通信線路作為主要的媒介。以自動或者是人工的方式,進行動力定位系統(tǒng)的操作與控制,這樣就能夠確保動力推進功能的實現(xiàn)。
(3)在動力定位控制系統(tǒng)中,包含動力定位操作臺、系統(tǒng)控制器、便攜式操作板等等。通過該系統(tǒng)的運行,能夠在船舶行駛的過程中,實現(xiàn)自動化的定位、轉(zhuǎn)向、巡航、導航以及跟蹤目標航行。在整個系統(tǒng)中,主要的控制中心就是動力定位操縱臺,在其上方設(shè)置了操縱桿、顯示器等設(shè)備。對于操作臺來說,通過便攜式的操作板,起到備用的作用。在動力定位系統(tǒng)中,系統(tǒng)控制器主要負責信號采集以及信息處理等功能。在本文所設(shè)計的船舶系統(tǒng)中,在進行信號采集以后,通過控制處理器展開相應(yīng)的分析和處理,之后再將處理過的信號傳送到控制模塊,進行具體的運算。并且在控制推進或者是報警設(shè)備中,對于控制指令進行發(fā)送,這樣就能夠讓船舶的推進控制和報警功能,得到進一步實現(xiàn)[1]。
DP 定位系統(tǒng)可通過運用定位控制算法,對船舶在運行的過程中所處的位置進行具體計算。這樣就能對于船舶進行有效控制,確保船舶能夠在提前設(shè)計好的軌跡上按部就班的航行。對于船舶自動定位目標的實現(xiàn)具體的判定來說,就是在船舶實際航行的過程中,其與提前設(shè)定的坐標點之間存在的距離誤差,能夠控制在允許的范圍內(nèi),那么就說明船舶自動定位目標的實現(xiàn)。
對于本文所設(shè)計的船舶來說,進行動力定位系統(tǒng)的控制的具體原理,就是在控制器中,對于提前設(shè)計好的航線軌跡和所要到達的終點坐標,進行預(yù)先輸入。之后就能夠在預(yù)定軌跡的基礎(chǔ)之上,通過動力定位控制系統(tǒng),結(jié)合相關(guān)的控制算法,對于船舶的航速和航向展開進一步設(shè)計。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)船舶的有效控制,確保其能夠按照預(yù)先制定好的軌跡,實現(xiàn)正常的航行。
從本質(zhì)上來看,該系統(tǒng)屬于多變量控制系統(tǒng),具有雙輸入雙輸出的特點。因此對于所采用的算法來說,也有著較高的復雜性。通過相關(guān)的航海實驗數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)之上,進行了動力自動定位運動曲線的繪制,如圖1所示。
圖1 自動定位運動曲線
為了讓數(shù)據(jù)的比較更加鮮明,還在航海環(huán)境條件的基礎(chǔ)之上,進一步的針對自動定位的流程,做到了數(shù)據(jù)上的反映。通過運動曲線得知,相較于實際的過程,仿真結(jié)果能夠做到很大程度上接近。因此,這也證明了仿真算法具有一定的可信性。通過對于運動曲線的分析,能夠判斷動力定位控制系統(tǒng)具有較為復雜的結(jié)構(gòu),雖然針對控制器做出了一定的處理,但是依然無法實現(xiàn)良好的控制效果。整個系統(tǒng)具有較為遲緩的響應(yīng)速度,存在著較為明顯的控制偏差。
對于船舶的海上動力學特性而言,難以通過精準的數(shù)學模型來進行描述。而且在不同的海況背景之下,也會面對隨機的外部干擾,從而導致統(tǒng)計特性出現(xiàn)難以預(yù)料的改變。所以在當前的動力定位系統(tǒng)中,對于系統(tǒng)進行有效控制,屬于一個重點的研究內(nèi)容。在船舶動力定位系統(tǒng)中,具體的應(yīng)用性能指標涉及對于外界環(huán)境因素的快速響應(yīng),確保船舶能夠按照預(yù)期的航行路線前進,維持在正確的位置。同時還要在保證系統(tǒng)安全、可靠運行的基礎(chǔ)之上,能夠在最大程度上,降低推進系統(tǒng)的能耗。所以針對這種控制要求,在進行控制策略的制定時,要對于如下幾方面的約束條件,做到充分的考慮[2]。
(1)功率消耗。對于船舶而言,具體的功率產(chǎn)生比較有限,所以只有部分能夠應(yīng)用于推力器。在船舶航行的過程中,由于作業(yè)類型、發(fā)動機數(shù)量、海況、故障問題等多方面因素的差異性,也會分配不同的功率數(shù)量,所以就要有效的限制執(zhí)行機構(gòu)所獲得的控制指令。要想最大化的實現(xiàn)性能,不會出現(xiàn)執(zhí)行器的飽和,就要對于推力分配系統(tǒng)以及控制器,對功率的約束限制做到充分考慮。
(2)推力器負載。對于推力器的推力而言,其與機械屬性有著密切的關(guān)系。所以在進行控制策略的制定時,也要對于硬約束做到充分的考慮。如果在電力的推進之下,就會帶來高峰值推力,從而造成齒輪箱的損壞。所以為了確保運行的安全性,就要有效的限制螺旋槳的轉(zhuǎn)速。另外,針對光滑的推力變化來說,也有助于能源節(jié)約目標的實現(xiàn)。
(3)操作區(qū)約束。在不同的作業(yè)類型的基礎(chǔ)之上,就會根據(jù)具體的工作區(qū)域,存在差異性的操作約束。要想在當前的操作條件下,促進船舶性能最大化的實現(xiàn)。一般就要從安全或者是性能的角度上,進行操作區(qū)約束的引進。如果違背了這一約束,那么就可能會在作業(yè)的過程中,帶來災(zāi)難性的后果。
(4)冗余度。在理想狀態(tài)之下,通過推進器可以對于任何方向,進行推力的產(chǎn)生。在通常情況下,通過兩個推進器就能夠組成整個推力系統(tǒng)。但是由于推力器具有有限的推力容量,所以也就無法符合推力容量的需求。另外,對于推進器系統(tǒng)而言,要能夠達到平臺工作所提出的可靠性和可操作性的特點,所以一般來說在推進器系統(tǒng)中,會進行數(shù)量多達五個以上的推進器的設(shè)置。在這一過程中,需要對于推進器和船體之間各種影響因素,進行充分的考慮,并且要重視起來控制多個推進器所構(gòu)成的冗余系統(tǒng)[3]。
所以,在對于船舶的動力定位系統(tǒng)進行控制策略的制定和安排時,要對于該系統(tǒng)的控制精度,做到充分的考慮和把握。同時,還要能夠分析定位系統(tǒng)所具有的能耗以及響應(yīng)速度。要想實現(xiàn)良好的動力定位系統(tǒng)的控制效果,就要在綜合多效約束情況的基礎(chǔ)之上,能夠?qū)崿F(xiàn)對于系統(tǒng)的優(yōu)化控制。
針對控制對象來說,具有雙輸入雙輸出的特點,因此在控制通道之間,具有耦合和關(guān)聯(lián)關(guān)系的存在。在具體的處理時,就要通過解耦算法或者是多變量的控制。但是,對于這種算法處理方式來說,具有一定的復雜性,而且響應(yīng)速度比較慢,因此在面對不確定多變量對象時,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用,具有較高的適用性。
在本次的方案設(shè)計中,采取的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP 算法的應(yīng)用。這種算法的發(fā)展比較成熟,其中對于BP 網(wǎng)絡(luò)來說,所應(yīng)用的為二級網(wǎng)。在隱含層的內(nèi)部包括五個單元,具體的原理就是在集中計算的基礎(chǔ)之上,從而得到誤差測度以及實際輸出兩個數(shù)值。同時還要進一步的調(diào)整輸出層權(quán),經(jīng)過多次的循環(huán)和反復,直到對所有的樣本都開展重復訓練,確保其能夠符合容限誤差,滿足預(yù)先設(shè)計好的學習速率以后,就能夠判定訓練工作目標的順利完成[4]。
在具體的控制方案中,在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,以方位距離作為輸入元素,而網(wǎng)絡(luò)輸出則為舵角和主機的運轉(zhuǎn)方向。通過人工的船舶操作,從而將所獲得的數(shù)據(jù)當作樣本,進行之后的網(wǎng)絡(luò)訓練。這樣就能夠在船舶朝目標坐標航行的過程中,通過網(wǎng)絡(luò)對于具體的主機和舵機運行規(guī)律進行識別。同時還能夠在網(wǎng)絡(luò)權(quán)重中,完成對于規(guī)律的貯存。在這種情況之下,如果提前進行了船舶運行航線的確定,那么在經(jīng)過訓練之后的網(wǎng)絡(luò),就可以在船舶航行的各個階段,對于舵角和主機選項進行有效的預(yù)報。這樣就能夠?qū)τ诖皩崿F(xiàn)自動化的引導,讓其能夠朝著指定的位置不斷地前進。
通過對于完成訓練網(wǎng)絡(luò)的運用,讓其成為在動力定位系統(tǒng)中的控制器。在經(jīng)過運算輸出以后,就能夠?qū)崿F(xiàn)對于操舵儀和主推進器的直接控制,進行船舶在航行過程中的方向和速度的改變,實現(xiàn)對于船只的自動化的操作,從而讓其不斷地接近指定位置。
綜上所述,對于高性能船舶而言,通過高效的動力定位系統(tǒng)的建立,能夠促進船舶自動化航行目標的實現(xiàn)。并在這一過程中,有效地防止各種問題的出現(xiàn)。即便遇到較為惡劣的海上作業(yè)條件,也能夠?qū)崿F(xiàn)船舶的安全航行。船舶的動力定位系統(tǒng)從70 年代逐漸發(fā)展起來,在海洋工程、科學考察等領(lǐng)域有著重要的用途,也因應(yīng)國家海洋強國的政策,各種公務(wù)執(zhí)法船艇、特種工作船和海上風電運維船的功能需求提高。隨著船舶電力推進的成熟和自動控制理論的發(fā)展,動力定位系統(tǒng)的性能也不斷提高。所以就要通過進一步的強化對于動力定位系統(tǒng)技術(shù)的分析,促進系統(tǒng)技術(shù)水平的提高。