CN111483569A - 基于环境力前馈的浮托安装模型试验控制方法及系统 - Google Patents

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贺华成
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Abstract

本发明涉及一种基于环境力前馈的浮托安装模型试验控制方法，在船舶重心位置设置风速计、流速计和浪高仪，实时监测对应的风速、流速、波高，估算出船舶此时所受的环境载荷，提前将其加入到控制力：τ＝kp*x+kd*v+ki*∫xdt+F风前馈+F流前馈+F波浪前馈；本发明构建了整套动力定位浮托安装模型试验系统；减小了驳船的定位误差，保证浮托安装进船的顺利进行；测量得到的数据信息对工程应用提供了较高的参考价值。

Description

基于环境力前馈的浮托安装模型试验控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于环境力前馈的动力定位浮托安装模型试验控制系统，用于海上浮托安装模型的动力定位，属于海洋工程技术领域。
背景技术
对于大型海洋平台上部组块的安装通常采用浮托安装方法，由驳船载上部组块进入导管架平台的槽道，准确定位后，再进行上部组块的载荷转移等操作。进船阶段是浮托安装最为关键的阶段，必须保证驳船能精准进入导管架平台的槽道，同时保证与两侧的碰撞在一定的安全范围内，否则容易出现安装事故。在实际作业之前，通常要开展模型试验验证在指定的海况下，浮托安装进船的可行性，测量相关数据，为实际安装提供重要参考。
现有的浮托模型动力定位方法，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
本发明为了在模型试验中完成动力定位浮托安装，提出一种基于环境力前馈的控制系统，通过实时测量船舶重心处的风速、流速和波高，估算船舶此时所受的环境载荷，以前馈的形式加入反馈回路，能提前控制推进器产生相应推力，抵抗外载荷，阻止船舶的偏移，保证高精度的定位，顺利完成浮托安装进船。
本发明采取以下技术方案：
一种基于环境力前馈的浮托安装模型试验控制方法，由位置测量系统测量得到船舶的位置，该位置信息发送到滤波器中，由滤波器估算处船舶低频位置x和低频速度v；在船舶重心位置设置风速计、流速计和浪高仪，实时监测对应的风速、流速、波高，估算出船舶此时所受的环境载荷，提前将其加入到控制力：τ＝kp*x+kd*v+ki*∫x dt+F风前馈+F波前馈+F波浪前馈；
F波浪＝2P平均*η2；
Figure BDA0002473086170000021
Figure BDA0002473086170000022
Figure BDA0002473086170000023
式中kp、kd和ki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；
式中ρ气和ρ水为气体和水的密度，S上和S下分别为水线以上和水线以下的投影面积，特定艏向角下的S下和S上是已知量；C为力的系数，v风为测量得到的风速，V流为测得的流速。
一种上述试验控制方法的系统，包括中心PID控制器、位置测量系统、滤波器、浪高仪，风速计、流速计、动力定位驳船；所述中心PID控制器、动力定位驳船、位置测量系统、滤波器、中心PID控制器依次连接；所述风速计、流速计、浪高仪分别与所述中心PID控制器连接。
本发明的有益效果在于：
1)构建了整套动力定位浮托安装模型试验系统；
2)减小了驳船的定位误差，保证浮托安装进船的顺利进行；
3)根据风速、流速、波高，提供了多重前馈的方式，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。
4)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；
5)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是浮托安装顺利进船的示意图。
图2是本发明基于环境力前馈的浮托安装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，针对传统的控制方法，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驳船的各个推进器上。控制力可表达为τ＝kp*x+kd*v+ki*∫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。实际控制中很容易产生一定的偏差，导致浮托安装中船舶的首向不能顺利进入导管架槽道，无法完成进船。
实施例二：实施例二本发明技术方案的实施例。
针对本发明的控制方法，我们通过安装在船舶重心位置附近的风速计、流速计和浪高仪，测量得到对应的风速、流速和波高，估算出船舶此时所受的环境载荷，提前将其加入到控制力中：
τ＝kp*x+kd*v+ki*∫x dt+F风前馈+F波前馈+Fi波浪前馈；
具体来说：由位置测量系统测量得到船舶的位置，该位置信息发送到滤波器中，由滤波器估算处船舶低频位置x和低频速度v；在船舶重心位置设置风速计、流速计和浪高仪，实时监测对应的风速、流速、波高，估算出船舶此时所受的环境载荷，提前将其加入到控制力：τ＝kp*x+kd*v+ki*∫x dt+F风前馈+F波前馈+Fi波浪前馈；
F波浪＝2P平均*η2；
Figure BDA0002473086170000041
Figure BDA0002473086170000042
Figure BDA0002473086170000043
式中kp、kd和ki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；
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。
式中ρ气和ρ水为气体和水的密度，S上和S下分别为水线以上和水线以下的投影面积，特定艏向角下的S下和S上是已知量；C为力的系数，v风为测量得到的风速，V流为测得的流速。
关于P(w,w，α)与S(w)，进一步说明如下：
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：
Figure BDA0002473086170000051
ηi为对应于频率ωi的规则波的波高，
Figure BDA0002473086170000052
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
Figure BDA0002473086170000053
其中P(ωi，ωi)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；
Figure BDA0002473086170000061
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。本发明采用风、流、浪等环境力前馈的方式，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。
参见图2，硬件系统包括：中心PID控制器、位置测量系统、滤波器、浪高仪，风速计、流速计、动力定位驳船；所述中心PID控制器、动力定位驳船、位置测量系统、滤波器、中心PID控制器依次连接；所述风速计、流速计、浪高仪分别与所述中心PID控制器连接。
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，从而能保证驳船高精度的定位，这点对于浮托安装进船尤为重要。
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)

1.一种基于环境力前馈的浮托安装模型试验控制方法，其特征在于：
由位置测量系统测量得到船舶的位置，该位置信息发送到滤波器中，由滤波器估算处船舶低频位置x和低频速度v；
在船舶重心位置设置风速计、流速计和浪高仪，实时监测对应的风速、流速、波高，估算出船舶此时所受的环境载荷，提前将其加入到控制力：τ＝k p*x+kd*v+ki*∫xdt+F风前馈+F波前馈+F波浪前馈；
F波浪＝2P平均*η2；
Figure FDA0002473086160000011
Figure FDA0002473086160000012
Figure FDA0002473086160000013
式中kp、kd和ki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；
式中ρ气和ρ水为气体和水的密度，S上和S下分别为水线以上和水线以下的投影面积，特定艏向角下的S下和S上是已知量；C为力的系数，v风为测量得到的风速，V流为测得的流速。
2.一种实施权利要求1所述试验控制方法的系统，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，风速计、流速计、动力定位驳船；
所述中心PID控制器、动力定位驳船、位置测量系统、滤波器、中心PID控制器依次连接；
所述风速计、流速计、浪高仪分别与所述中心PID控制器连接。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102393624A (zh) * 2011-04-29 2012-03-28 上海交通大学 基于环网冗余结构的挖泥船动力定位控制系统
CN102455708A (zh) * 2010-10-28 2012-05-16 上海振华重工(集团)股份有限公司 船舶动力定位的船舶模型在线辨识和控制系统和方法
CN104898688A (zh) * 2015-03-27 2015-09-09 哈尔滨工程大学 Uuv四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法
CN107729641A (zh) * 2017-10-10 2018-02-23 江苏科技大学 一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法
CN108845576A (zh) * 2018-06-28 2018-11-20 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102455708A (zh) * 2010-10-28 2012-05-16 上海振华重工(集团)股份有限公司 船舶动力定位的船舶模型在线辨识和控制系统和方法
CN102393624A (zh) * 2011-04-29 2012-03-28 上海交通大学 基于环网冗余结构的挖泥船动力定位控制系统
CN104898688A (zh) * 2015-03-27 2015-09-09 哈尔滨工程大学 Uuv四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法
CN107729641A (zh) * 2017-10-10 2018-02-23 江苏科技大学 一种用于海洋工程领域的动力定位能力分析方法
CN108845576A (zh) * 2018-06-28 2018-11-20 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李博: "动力定位系统的环境力前馈研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅱ辑》 *

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