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        高性能船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)技術(shù)研究

        2022-04-28 03:38:48譚永燦
        大科技 2022年15期
        關(guān)鍵詞:推力器推進(jìn)器航行

        譚永燦

        (江龍船艇科技股份有限公司,廣東 珠海 519000)

        0 引言

        對(duì)于船舶的制造和加工環(huán)節(jié)來說,進(jìn)一步提高動(dòng)力定位系統(tǒng)的運(yùn)行效率,能夠有效地控制船舶,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)象,具備多樣化的作業(yè)功能。在其上方需要進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)的配置,不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于自動(dòng)化船舶操作的控制,同時(shí)還能夠確保在大風(fēng)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(jì)方案的基礎(chǔ)之上,針對(duì)具體的設(shè)計(jì)思路,展開深入的研究和探討。通過改進(jìn)方案的提出,對(duì)于原有的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行優(yōu)化與完善。

        1 研究背景

        對(duì)于當(dāng)前的海洋工程來說,在深海技術(shù)持續(xù)推進(jìn)發(fā)展的過程中,動(dòng)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(dòng)力定位系統(tǒng)就是依靠控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)于推機(jī)器的驅(qū)動(dòng),這樣就能夠使船舶在航行的過程中,面對(duì)風(fēng)浪、水流等外界環(huán)境條件之下,能夠?qū)τ谒饔糜诖耐饬?,?shí)現(xiàn)有效的抵消,并通過對(duì)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(duì)于船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)而言,可以將其簡(jiǎn)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(cè)量系統(tǒng),對(duì)于船舶的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。并通過對(duì)比得到和目標(biāo)位置之間的偏差,在環(huán)境外力影響的基礎(chǔ)之上,對(duì)于全部重新回歸到目標(biāo)位置所需要的推力大小,展開進(jìn)一步計(jì)算。這樣就能夠針對(duì)船舶上的各個(gè)推進(jìn)器,進(jìn)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(duì)于船舶的運(yùn)行所帶來的干擾和阻礙。讓船舶在航行的過程中,能夠自動(dòng)維持在預(yù)設(shè)值的軌道位置上。按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的航線不斷地前進(jìn)。在當(dāng)前的海上作業(yè)中,很多船舶都應(yīng)用了動(dòng)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(jī)動(dòng)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(shì)。所以,在現(xiàn)階段的各項(xiàng)研究中,也得到了重點(diǎn)的關(guān)注。

        2 原有設(shè)計(jì)方案的概述

        前期有一個(gè)廣東省沿海600 噸級(jí)綜合消防雙體船的項(xiàng)目,因該船設(shè)計(jì)對(duì)外消防能力較強(qiáng),全船配備7 臺(tái)水炮,其中多功能消防炮1 臺(tái)(流量3000m3/h,水射程大于200m),主消防水/泡沫炮2 臺(tái),副消防水/泡沫炮4臺(tái),所有消防炮通過駕駛室控制臺(tái)及無線遙控器遙控,同時(shí)配有手動(dòng)操作。船東要求在對(duì)外消防救援時(shí),能精準(zhǔn)打到目標(biāo)??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(jì)方案,引入DP 動(dòng)力定位系統(tǒng)。另根據(jù)船東實(shí)際使用需要和作業(yè)海域情況,確認(rèn)DP-1 入級(jí)符號(hào)。

        在設(shè)計(jì)方案中,對(duì)于DP 動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行了基本的配置,其中包含三方面的內(nèi)容,分別為動(dòng)力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。

        (1)在動(dòng)力系統(tǒng)中,我們選用船舶電站,涉及兩臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組。在其中進(jìn)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(jìn)行自動(dòng)并車和起停機(jī)組的操作,同時(shí)還能夠進(jìn)行負(fù)載的轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)對(duì)于大功率負(fù)載的詢問。對(duì)于所出現(xiàn)的故障問題,具備報(bào)警和處理的功能。通過電力系統(tǒng),能夠?qū)τ趧?dòng)力定位系統(tǒng)中的各項(xiàng)設(shè)備,進(jìn)行驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的提供。作為工作電源,對(duì)于其他的控制系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行,提供充足的電力。

        (2)在推力器系統(tǒng)中,我們選用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器,主推進(jìn)裝置選用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)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(duì)于推進(jìn)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(gè)系統(tǒng)維持在正常的運(yùn)行狀態(tài),提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率,這樣才能對(duì)于動(dòng)力定位系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)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(duì)于推進(jìn)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(dòng)力定位系統(tǒng)和通信線路作為主要的媒介。以自動(dòng)或者是人工的方式,進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)的操作與控制,這樣就能夠確保動(dòng)力推進(jìn)功能的實(shí)現(xiàn)。

        (3)在動(dòng)力定位控制系統(tǒng)中,包含動(dòng)力定位操作臺(tái)、系統(tǒng)控制器、便攜式操作板等等。通過該系統(tǒng)的運(yùn)行,能夠在船舶行駛的過程中,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的定位、轉(zhuǎn)向、巡航、導(dǎo)航以及跟蹤目標(biāo)航行。在整個(gè)系統(tǒng)中,主要的控制中心就是動(dòng)力定位操縱臺(tái),在其上方設(shè)置了操縱桿、顯示器等設(shè)備。對(duì)于操作臺(tái)來說,通過便攜式的操作板,起到備用的作用。在動(dòng)力定位系統(tǒng)中,系統(tǒng)控制器主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集以及信息處理等功能。在本文所設(shè)計(jì)的船舶系統(tǒng)中,在進(jìn)行信號(hào)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(hào)傳送到控制模塊,進(jìn)行具體的運(yùn)算。并且在控制推進(jìn)或者是報(bào)警設(shè)備中,對(duì)于控制指令進(jìn)行發(fā)送,這樣就能夠讓船舶的推進(jìn)控制和報(bào)警功能,得到進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)[1]。

        3 動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

        DP 定位系統(tǒng)可通過運(yùn)用定位控制算法,對(duì)船舶在運(yùn)行的過程中所處的位置進(jìn)行具體計(jì)算。這樣就能對(duì)于船舶進(jìn)行有效控制,確保船舶能夠在提前設(shè)計(jì)好的軌跡上按部就班的航行。對(duì)于船舶自動(dòng)定位目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具體的判定來說,就是在船舶實(shí)際航行的過程中,其與提前設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)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(dòng)定位目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

        對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的船舶來說,進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制的具體原理,就是在控制器中,對(duì)于提前設(shè)計(jì)好的航線軌跡和所要到達(dá)的終點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)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(dòng)力定位控制系統(tǒng),結(jié)合相關(guān)的控制算法,對(duì)于船舶的航速和航向展開進(jìn)一步設(shè)計(jì)。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(shí)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(diǎn)。因此對(duì)于所采用的算法來說,也有著較高的復(fù)雜性。通過相關(guān)的航海實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)之上,進(jìn)行了動(dòng)力自動(dòng)定位運(yùn)動(dòng)曲線的繪制,如圖1所示。

        圖1 自動(dòng)定位運(yùn)動(dòng)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(jìn)一步的針對(duì)自動(dòng)定位的流程,做到了數(shù)據(jù)上的反映。通過運(yùn)動(dòng)曲線得知,相較于實(shí)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(duì)于運(yùn)動(dòng)曲線的分析,能夠判斷動(dòng)力定位控制系統(tǒng)具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),雖然針對(duì)控制器做出了一定的處理,但是依然無法實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。整個(gè)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。

        4 動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制測(cè)量

        對(duì)于船舶的海上動(dòng)力學(xué)特性而言,難以通過精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行描述。而且在不同的海況背景之下,也會(huì)面對(duì)隨機(jī)的外部干擾,從而導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)特性出現(xiàn)難以預(yù)料的改變。所以在當(dāng)前的動(dòng)力定位系統(tǒng)中,對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行有效控制,屬于一個(gè)重點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容。在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中,具體的應(yīng)用性能指標(biāo)涉及對(duì)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(jìn),維持在正確的位置。同時(shí)還要在保證系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)之上,能夠在最大程度上,降低推進(jìn)系統(tǒng)的能耗。所以針對(duì)這種控制要求,在進(jìn)行控制策略的制定時(shí),要對(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)數(shù)量、海況、故障問題等多方面因素的差異性,也會(huì)分配不同的功率數(shù)量,所以就要有效的限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)所獲得的控制指令。要想最大化的實(shí)現(xiàn)性能,不會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行器的飽和,就要對(duì)于推力分配系統(tǒng)以及控制器,對(duì)功率的約束限制做到充分考慮。

        (2)推力器負(fù)載。對(duì)于推力器的推力而言,其與機(jī)械屬性有著密切的關(guān)系。所以在進(jìn)行控制策略的制定時(shí),也要對(duì)于硬約束做到充分的考慮。如果在電力的推進(jìn)之下,就會(huì)帶來高峰值推力,從而造成齒輪箱的損壞。所以為了確保運(yùn)行的安全性,就要有效的限制螺旋槳的轉(zhuǎn)速。另外,針對(duì)光滑的推力變化來說,也有助于能源節(jié)約目標(biāo)的實(shí)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(huì)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(dāng)前的操作條件下,促進(jìn)船舶性能最大化的實(shí)現(xiàn)。一般就要從安全或者是性能的角度上,進(jìn)行操作區(qū)約束的引進(jìn)。如果違背了這一約束,那么就可能會(huì)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(jìn)器可以對(duì)于任何方向,進(jìn)行推力的產(chǎn)生。在通常情況下,通過兩個(gè)推進(jìn)器就能夠組成整個(gè)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(duì)于推進(jìn)器系統(tǒng)而言,要能夠達(dá)到平臺(tái)工作所提出的可靠性和可操作性的特點(diǎn),所以一般來說在推進(jìn)器系統(tǒng)中,會(huì)進(jìn)行數(shù)量多達(dá)五個(gè)以上的推進(jìn)器的設(shè)置。在這一過程中,需要對(duì)于推進(jìn)器和船體之間各種影響因素,進(jìn)行充分的考慮,并且要重視起來控制多個(gè)推進(jìn)器所構(gòu)成的冗余系統(tǒng)[3]。

        所以,在對(duì)于船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行控制策略的制定和安排時(shí),要對(duì)于該系統(tǒng)的控制精度,做到充分的考慮和把握。同時(shí),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(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)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(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

        5 控制系統(tǒng)技術(shù)

        針對(duì)控制對(duì)象來說,具有雙輸入雙輸出的特點(diǎn),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(shí),就要通過解耦算法或者是多變量的控制。但是,對(duì)于這種算法處理方式來說,具有一定的復(fù)雜性,而且響應(yīng)速度比較慢,因此在面對(duì)不確定多變量對(duì)象時(shí),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(jì)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(duì)于BP 網(wǎng)絡(luò)來說,所應(yīng)用的為二級(jí)網(wǎng)。在隱含層的內(nèi)部包括五個(gè)單元,具體的原理就是在集中計(jì)算的基礎(chǔ)之上,從而得到誤差測(cè)度以及實(shí)際輸出兩個(gè)數(shù)值。同時(shí)還要進(jìn)一步的調(diào)整輸出層權(quán),經(jīng)過多次的循環(huán)和反復(fù),直到對(duì)所有的樣本都開展重復(fù)訓(xùn)練,確保其能夠符合容限誤差,滿足預(yù)先設(shè)計(jì)好的學(xué)習(xí)速率以后,就能夠判定訓(xùn)練工作目標(biāo)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(jī)的運(yùn)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(dāng)作樣本,進(jìn)行之后的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。這樣就能夠在船舶朝目標(biāo)坐標(biāo)航行的過程中,通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)于具體的主機(jī)和舵機(jī)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)還能夠在網(wǎng)絡(luò)權(quán)重中,完成對(duì)于規(guī)律的貯存。在這種情況之下,如果提前進(jìn)行了船舶運(yùn)行航線的確定,那么在經(jīng)過訓(xùn)練之后的網(wǎng)絡(luò),就可以在船舶航行的各個(gè)階段,對(duì)于舵角和主機(jī)選項(xiàng)進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)。這樣就能夠?qū)τ诖皩?shí)現(xiàn)自動(dòng)化的引導(dǎo),讓其能夠朝著指定的位置不斷地前進(jìn)。

        通過對(duì)于完成訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用,讓其成為在動(dòng)力定位系統(tǒng)中的控制器。在經(jīng)過運(yùn)算輸出以后,就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于操舵儀和主推進(jìn)器的直接控制,進(jìn)行船舶在航行過程中的方向和速度的改變,實(shí)現(xiàn)對(duì)于船只的自動(dòng)化的操作,從而讓其不斷地接近指定位置。

        6 結(jié)語

        綜上所述,對(duì)于高性能船舶而言,通過高效的動(dòng)力定位系統(tǒng)的建立,能夠促進(jìn)船舶自動(dòng)化航行目標(biāo)的實(shí)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(dòng)力定位系統(tǒng)從70 年代逐漸發(fā)展起來,在海洋工程、科學(xué)考察等領(lǐng)域有著重要的用途,也因應(yīng)國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)的政策,各種公務(wù)執(zhí)法船艇、特種工作船和海上風(fēng)電運(yùn)維船的功能需求提高。隨著船舶電力推進(jìn)的成熟和自動(dòng)控制理論的發(fā)展,動(dòng)力定位系統(tǒng)的性能也不斷提高。所以就要通過進(jìn)一步的強(qiáng)化對(duì)于動(dòng)力定位系統(tǒng)技術(shù)的分析,促進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)水平的提高。

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