動力定位能力分析方法與控制算法研究.pdf

1、隨著海上石油鉆探和開采逐漸走向深海，動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）在海洋工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。動力定位系統(tǒng)具有不受海底地形，水深的限制，能夠快速實(shí)現(xiàn)定位和轉(zhuǎn)移等特點(diǎn)，其機(jī)動性和靈活性的優(yōu)勢非常明顯。由于動力定位系統(tǒng)的復(fù)雜性，對于新設(shè)計(jì)的動力定位系統(tǒng)在使用前通常要進(jìn)行性能的驗(yàn)證。隨著動力定位技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，對于這些驗(yàn)證手段的效率和精度提出了更高的要求。本文以此為背景，從靜態(tài)的動力定位能力分

2、析（DPCap）、動態(tài)的時(shí)域模擬與模型試驗(yàn)驗(yàn)證和動態(tài)的定位能力分析（DynCap）等方面對動力定位系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究。同時(shí)，為設(shè)計(jì)和提高動力定位系統(tǒng)的性能進(jìn)行了一些新的嘗試，包括跨越禁止角的推力分配策略和減小橫搖縱搖的五自由度控制方法等。
　　本文開發(fā)了進(jìn)行動力定位能力分析的程序，為動力定位系統(tǒng)的初步性能的驗(yàn)證提供了研究工具。尤其在靜態(tài)推力分配方面，基于二次規(guī)劃方法，建立了可對裝有槽道推力器，全回轉(zhuǎn)推力器，主推與舵的組合推力器的

3、各種推力系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確快速推力分配的方法。通過對一艘三用工作船的推力器失效模式下的動力定位能力分析，證明了該計(jì)算程序的性能和效率。當(dāng)在推力分配中考慮全回轉(zhuǎn)推力器的禁止角時(shí)，會出現(xiàn)非凸推力域，采用組合法對此問題進(jìn)行求解時(shí)，會造成求解效率下降的問題。本文提出了使用二分法搜索最大環(huán)境力的方法，使用該方法可以有效減小所需進(jìn)行推力分配的步數(shù)，從而保證了動力定位能力分析的高效性。
　　在進(jìn)行動力定位能力分析時(shí)，有時(shí)需要比較船舶在不同推力器配置下

4、的動力定位能力。為了量化船舶的動力定位能力，本文提出了動力定位能力的綜合判斷指標(biāo)，該指標(biāo)由船舶的整體平均動力定位能力和各艏向下定位能力的穩(wěn)定性共同決定。針對特定工作海域下海洋結(jié)構(gòu)物的工作情況，還可以定制相對應(yīng)的判斷方案，以期綜合比較不同工況下定位能力的優(yōu)劣?；谠搫恿Χㄎ荒芰C合判斷指標(biāo)，提出了進(jìn)行推力敏感性分析的方法。通過敏感性分析可以得到推力敏感性最高的推力器，當(dāng)需要提高船舶的綜合定位能力時(shí)，最有效的方法是提高該推力器的最大可提供推

5、力，因此推力敏感性分析可以給推力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供有效的參考。在此基礎(chǔ)上，本文還提出了推力器配置的局部優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法是推力器設(shè)計(jì)的一個(gè)補(bǔ)充優(yōu)化步驟，目的是基于推力器位置的約束，提高船舶的綜合定位能力。
　　動力定位的時(shí)域模擬是檢驗(yàn)新設(shè)計(jì)的動力定位船舶性能的相對方便和可靠的手段。本文獨(dú)立開發(fā)了動力定位時(shí)域模擬的程序。為了驗(yàn)證該時(shí)域模擬程序的有效性，對一艘半潛平臺進(jìn)行了模型試驗(yàn)對比驗(yàn)證。結(jié)果表明，動力定位時(shí)域模擬程序既可以用于檢驗(yàn)動

6、力定位系統(tǒng)的整體性能，又可以作為動力定位系統(tǒng)的研究工具并對系統(tǒng)中各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)分析優(yōu)化，進(jìn)一步提高動力定位系統(tǒng)的性能。
　　基于動力定位時(shí)域模擬程序，進(jìn)一步建立了動態(tài)動力定位能力分析方法。由于時(shí)域模擬方法從本質(zhì)上考慮了海洋結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動特性，推力系統(tǒng)的動態(tài)特性，控制方法的動態(tài)特性等，其分析結(jié)果與靜態(tài)動力定位能力結(jié)果相比更加接近海洋結(jié)構(gòu)物的真實(shí)定位能力。然而，使用時(shí)域模擬方法較靜態(tài)計(jì)算更加耗時(shí)，本文提出使用二分法搜索最大環(huán)境力，并對

7、該方法的效果進(jìn)行了探索。另外，由于進(jìn)行時(shí)域模擬的環(huán)境力是在不斷變化的，建立了一個(gè)增益庫的方法自動為控制器分配參數(shù)，通過計(jì)算實(shí)例證明了二分法和增益庫法的可行性。
　　基于動力定位時(shí)域模擬程序，提出了跨越動態(tài)禁止角的推力分配策略，可以使螺旋槳跨越禁止角，并且保證跨越后其推力分配的效果較跨越前好。通過對一艘裝有六個(gè)全回轉(zhuǎn)螺旋槳的駁船進(jìn)行時(shí)域模擬，驗(yàn)證了該方法的可行性。結(jié)果表明，采用跨越動態(tài)禁止角的推力分配策略，全回轉(zhuǎn)推力器將具有更大的可

8、行域并且推力分配的結(jié)果更趨合理，而且這個(gè)策略還能幫助動力定位系統(tǒng)節(jié)省燃料和提高安全性。
　　基于動力定位時(shí)域模擬程序，提出了一個(gè)減小橫搖縱搖的五自由度控制方法，并將橫搖、縱搖的角度比例反饋控制應(yīng)用在動力定位系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中。通過對一艘半潛平臺的時(shí)域模擬，對新提出的控制方法的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果證明，該控制方法可以減小平臺的橫搖、縱搖角度。然而，該控制方法所消耗的功率與水平面三自由度控制相比較高，而且該控制方法還會減小平臺在水平面運(yùn)