CN111469999A - 基于波浪前馈的动力定位模型试验控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于波浪前馈的动力定位模型试验控制方法，由位置测量系统测量得到船舶位置，该位置信息发送到滤波器中，由滤波器估算出船舶的低频位置x和低频速度v；在船舶重心位置设置浪高仪，实时监测波高，依据船舶在该姿态下二阶波浪力的传递函数，估算出船舶此时所受的平均二阶波浪力F_波浪，提前将其加入到所需控制力τ中：τ＝k_p*x+k_d*v+k_i*∫xdt+F_波浪；式中k_p、k_d和k_i分别为PID控制器的比例系数、微分系数和积分系数，t表示的是时间。本发明提供了波浪前馈的方式，显著提高动力定位模型试验的定位精度，使测量得到的数据能对实际动力定位系统的设计提供重要参考。

Description

基于波浪前馈的动力定位模型试验控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于波浪前馈的动力定位模型试验控制方法，用于船舶动力定位，属于海洋工程技术领域。

背景技术

在海洋工程领域，为了确定海洋结构物的受力、运动、系泊系统及立管系统的运动响应，为今后的设计提供重要依据，物理模型试验是一种重要的手段。动力定位模型试验能够在风浪流水池中，模拟海洋结构物在指定海况下的定位精度、功率消耗等重要信息，为实际应用中动力定位系统的设计提供重要参考，因此非常重要。一旦结构物定位精度达不到要求，偏移过大，就难以获得真实定位情况下系统的各项参数，必须要保证精准的定位。

现有的船舶动力定位方法，采用纯反馈控制，必须先有偏移才有力反馈，虽然有积分环节，但为了保证系统的稳定性，通常积分系数取值非常小。而实际控制中很容易受到外界的扰动而产生较大的偏移，在定位点附近来回震荡，最终导致系统达不到要求的定位精度，使测量得到的数据信息难以对工程应用提供参考价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于波浪前馈的动力定位模型试验控制方法，通过实时监测波高，通过数学运算加入前馈力，使得船舶不需要先有偏移，就能产生大致的推力抵抗外界环境载荷，从而能保证船舶高精度的定位，显著提高动力定位模型试验的定位精度，使测量得到的数据能对实际动力定位系统的设计提供重要参考。

本发明采取以下技术方案：

一种基于波浪前馈的动力定位模型试验控制方法，由位置测量系统测量得到船舶位置，该位置信息发送到滤波器中，由滤波器估算出船舶的低频位置x和低频速度v、艏向角α；在船舶重心位置设置浪高仪，实时监测波高，依据船舶在该艏向角下二阶波浪力的传递函数，估算出船舶此时所受的平均二阶波浪力F_波浪，提前将其加入到所需控制力τ中：

τ＝k_p*x+k_d*v+k_i，∫xdt+F_波浪；

F_波浪＝2P_平均*η²；

式中k_p、k_d和k_i分别为PID控制器的比例系数、微分系数和积分系数，t表示的是时间；P(w,w，α)为指定艏向角α方向上的二阶波浪力传递函数，其中α表示艏向角；S(w)为试验时的波浪谱密度函数；η为波高，由浪高仪测量得到。

一种实施上述的试验控制方法的控制系统，包括中心PID控制器、位置测量系统，滤波器，浪高仪，波浪前馈控制器，动力定位船舶；所述中心PID控制器、动力定位船舶、位置测量系统、滤波器、中心PID控制器依次连接；所述浪高仪与波浪前馈控制器连接；所述滤波器、波浪前馈控制器、中心PID控制器依次连接。

本发明的有益效果在于：

1)提供了波浪前馈的方式，显著提高动力定位模型试验的定位精度，使测量得到的数据能对实际动力定位系统的设计提供重要参考。

2)解决了动力定位船舶中，波浪纯反馈的控制必须先有偏移才有力反馈，导致实际控制中很容易受到外界的扰动而产生较大的偏移，在定位点附近来回震荡，最终导致系统达不到要求的定位精度的问题；

3)测量得到的数据信息对工程应用提供了较高的参考价值。

附图说明

图1是本发明基于波浪前馈的动力定位模型试验控制方法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

实施例一：

本实施例作为对比实施例，涉及现有技术，假设船舶定位在原点，针对现有技术的控制方法，由位置测量系统测量得到船舶此时的位置，该位置信息发送到滤波器中，由滤波器估算处船舶的低频位置x和低频速度v，此信息进一步发送到中心PID控制器，计算出所需的控制力τ，最后经过推力分配模块，将该推力分配到动力定位船舶的各个推进器上。控制力可表达为

τ＝k_p*x+k_d，v+k_i*∫x dt

这是一种纯反馈的控制方法，必须先有偏移才有力反馈，虽然有积分环节，但为了保证系统的稳定性，通常积分系数取值非常小。实际控制中很容易受到外界的扰动而产生较大的偏移，在定位点附近来回震荡，最终导致系统达不到要求的定位精度，使测量得到的数据信息难以对工程应用提供参考。

实施例二：实施例二本发明技术方案的实施例。

参见图1，硬件系统主要包括，中心PID控制器，位置测量系统，滤波器，浪高仪，波浪前馈控制器，动力定位船舶。

本实施例中的控制方法，我们通过安装在船舶重心位置附近的浪高仪，测量得到对应的波高，依据船舶在该角度下二阶波浪力的传递函数(QTF)，估算出船舶此时所受的平均二阶波浪力，提前将其加入到控制力中，具体形式如下：

τ＝k_p*x+k_d*v+k_i*∫xdt+F_波浪

F_波浪＝2P_平均*η²

式中，k_p、k_d和k_i分别为PID控制器的比例系数、微分系数和积分系数，t表示的是时间。

式中P(w,w，α)为指定艏向角方向上的二姐波浪力传递函数，可由船舶的有限元模型计算得到，S(w)为试验时的波浪谱密度函数，为已知量，η为波高，由浪高仪测量得到。

艏向角是船舶领域的术语，表示风浪流的方向，比如艏向角180度表示是顶着风浪流，90度时是表示风浪流从舷侧垂直作用于船舶，艏向角可由位置测量系统监测获得，这属于现有技术。

关于P(w,w，α)与S(w)，进一步介绍如下：

实际海洋环境中，船舶会在不规则波浪的作用下运动。不规则波可以表示成一系列不同频率不同波高的规则波的叠加，即任意t时刻的波高η(t)可以表示为：

η_i为对应于频率ω_i的规则波的波高，

为随机相位。不规则波波高与频率的关系通过波浪谱密度函数S(w)来描述，对于指定的工作海域，通过长期的实测可以确定该海域的S(w)。常用的不规则波波谱有Jonswap谱和PM谱。实际S(w)的表达式就是一个数学关系，用来确定给定频率ωi的波高有多大，属于现有技术，本文不做展开赘述。

在该不规则波的作用下，船舶会受到二阶波浪力的作用，该作用力的大小与波高的平方成正比，同时也由船舶的外形轮廓和波浪的频率分布所决定，可以由Newman近似快速计算得到

其中P(ω_i，ω_i)就是由船舶自身属性所决定的二阶传递函数，随波浪频率的变化而变，通常基于势流理论采用面元法求得。但上式中涉及到不同频率波浪的分辨问题，实际条件下很难获得，不适合前馈控制的快速计算，因此本实施例提出如下的快速计算方式：

F_波浪＝2P_平均*η(t)²

基于本实施例提出的方法，P_平均可以通过离线计算提前获知，我们只需要实时测量总的波高η(t)，就可以快速估算平均波浪力，而总的波高η(t)的测量时相对容易的，只需要安装一个浪高仪即可。

综上，由于有前馈力的加入，使得船舶不需要先有偏移，就能产生大致的推力抵抗外界环境载荷，从而能保证船舶高精度的定位。本发明采用波浪前馈的方式，显著提高动力定位模型试验的定位精度，使测量得到的数据能对实际动力定位系统的设计提供重要参考。

实施例二是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种基于波浪前馈的动力定位模型试验控制方法，其特征在于：

由位置测量系统测量得到船舶位置，该位置信息发送到滤波器中，由滤波器估算出船舶的低频位置x、艏向角α和低频速度v；

在船舶重心位置设置浪高仪，实时监测波高；

依据船舶在该艏向角下二阶波浪力的传递函数，估算出船舶此时所受的平均二阶波浪力F_波浪，提前将其加入到所需控制力τ中：

τ＝k_p*x+k_d*v+k_i*∫xdt+F_波浪；

F_波浪＝2P_平均*η²；

式中k_p、k_d和k_i分别为PID控制器的比例系数、微分系数和积分系数，t表示的是时间；P(w,w，α)为指定艏向角α方向上的二阶波浪力传递函数，其中α表示艏向角；S(w)为试验时的波浪谱密度函数；η为波高，由浪高仪测量得到。

2.一种实施权利要求1所述的试验控制方法的控制系统，其特征在于：

包括中心PID控制器、位置测量系统，滤波器，浪高仪，波浪前馈控制器，动力定位船舶；

所述中心PID控制器、动力定位船舶、位置测量系统、滤波器、中心PID控制器依次连接；

所述浪高仪与波浪前馈控制器连接；

所述滤波器、波浪前馈控制器、中心PID控制器依次连接。

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