SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)水池試驗(yàn)研究

許安靜， 韓 冰， 董勝利

（航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200135）

0 引 言

動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其功能是不借助錨泊系統(tǒng)的作用，能夠不斷檢測(cè)出船舶的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差，再根據(jù)風(fēng)、浪、流等外界擾動(dòng)力的影響計(jì)算出使船舶恢復(fù)到目標(biāo)位置所需推力的大小，并對(duì)船舶上各推力器進(jìn)行推力分配，進(jìn)而使各推力器產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使船舶盡可能地保持在海平面要求的位置上。對(duì)于新型的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)產(chǎn)品，通常需要在實(shí)船安裝前進(jìn)行水池試驗(yàn)測(cè)試，以驗(yàn)證產(chǎn)品的功能、性能等技術(shù)指標(biāo)。動(dòng)力定位水池試驗(yàn)可模擬實(shí)船操作，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；也可利用水池設(shè)備模擬各種自然海況條件，以分析系統(tǒng)的控制能力和控制精度；同時(shí)也能夠通過大量的控制試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。相對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)船試驗(yàn)，水池試驗(yàn)是一種經(jīng)濟(jì)、有效、快速的試驗(yàn)手段，可為產(chǎn)品的實(shí)船調(diào)試積累大量的經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)水池及對(duì)象

1.1 SRI－VC2110DP系統(tǒng)及控制對(duì)象

SRI－VC2110DP系統(tǒng)主要由動(dòng)力定位操縱臺(tái)、推力器遙控操作臺(tái)、側(cè)翼操作板、側(cè)翼接線盒、聯(lián)合操縱終端、控制箱、測(cè)量系統(tǒng)傳感器、不間斷電源（Uninterr uptible Power Supply，UPS）以及報(bào)警事件記錄打印機(jī)等設(shè)備組成（見圖1）。

表1 2 000 t回轉(zhuǎn)起重船動(dòng)力定位作業(yè)環(huán)境

系統(tǒng)控制目標(biāo)對(duì)象是振華重工（集團(tuán)）股份有限公司承建的2 000 t全回轉(zhuǎn)起重船。該船為無螺旋槳推進(jìn)的非自航淺吃水起重船，作業(yè)水深200 m，在作業(yè)時(shí)通過布置在船舶上的系泊絞車完成作業(yè)功能，同時(shí)在艏艉各配置1套1 500 k W的全回轉(zhuǎn)Z型導(dǎo)管推力器與布置舯部?jī)上系耐β释屏ζ餍纬赏屏ο到y(tǒng)。該船要求在表1所示環(huán)境中完成系統(tǒng)動(dòng)力定位功能。

1.2 試驗(yàn)環(huán)境

動(dòng)力定位系統(tǒng)試驗(yàn)要求水池能提供不同方向和大小的風(fēng)、浪、流環(huán)境。水池水面大小能夠滿足船模試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為避免淺水效應(yīng)，水池應(yīng)具有一定深度。

所涉及的各項(xiàng)試驗(yàn)均在航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)浪流水池中進(jìn)行。該水池長(zhǎng)為90 m，寬為15 m，水深為1.8 m。在水池一端裝配全場(chǎng)造流裝置和多單元搖板式造波機(jī)，提供最大速度為0.5 m／s的模擬海流和最大波高為0.25 m的海浪。水池造風(fēng)系統(tǒng)由15臺(tái)低噪聲軸流風(fēng)機(jī)組成，可通過移動(dòng)風(fēng)機(jī)位置實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)向最大風(fēng)速為8.0 m／s的環(huán)境風(fēng)。

由于造風(fēng)機(jī)分布高度及排列的原因，使得船模試驗(yàn)所處風(fēng)場(chǎng)略有不均。此外船模與水池拖車之間的電源及通訊線纜在試驗(yàn)過程中受風(fēng)作用，會(huì)對(duì)船模產(chǎn)生不確定的干擾力和力矩。試驗(yàn)環(huán)境中包含模擬海流時(shí)，用于保護(hù)船模的繩索在水中也同樣受到水流作用，會(huì)對(duì)船模產(chǎn)生不確定的拉力，因此船模受到的流作用力往往會(huì)比計(jì)算出的流力大。試驗(yàn)中用于船模供電的電源和通訊以太網(wǎng)均由線纜與水池拖車相連，由于線纜自身的重力作用，在試驗(yàn)中會(huì)對(duì)船模產(chǎn)生不確定的外力干擾，這種干擾在船模旋轉(zhuǎn)控制試驗(yàn)時(shí)較明顯。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 SRI－VC2110DP系統(tǒng)組成框圖

圖3 試驗(yàn)環(huán)境示意圖

2.1 動(dòng)力定位控制系統(tǒng)

用于水池試驗(yàn)的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)主要包括動(dòng)力定位系統(tǒng)操縱臺(tái)、控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)，通過以太網(wǎng)組成通信網(wǎng)絡(luò)。試驗(yàn)過程中的控制參數(shù)設(shè)置，船模及環(huán)境狀態(tài)顯示通過動(dòng)力定位操縱臺(tái)的人機(jī)界面完成。通過操縱臺(tái)控制面板上的觸摸按鈕可將船模的目標(biāo)位置、控制模式、增益選擇、推力器使能等信息發(fā)送到控制箱中的控制計(jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)位置、船模當(dāng)前狀態(tài)以及船模所處環(huán)境信息，計(jì)算出完成當(dāng)前控制任務(wù)的推力和轉(zhuǎn)矩，并通過推力分配算法完成每個(gè)推進(jìn)器推力大小和方位的計(jì)算。控制箱中還包含多個(gè)不同種類的通信模塊，除將控制命令發(fā)送到各推進(jìn)器外，各個(gè)模塊主要用于傳感器的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)記錄儀用于實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)中全部測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)試驗(yàn)需要在試驗(yàn)過程中動(dòng)態(tài)顯示關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化曲線。

2.2 模型及其控制裝置

水池動(dòng)力定位試驗(yàn)主要研究船舶在風(fēng)、浪及水流作用下的各種性能問題。為保證試驗(yàn)的有效性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛O(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下相似準(zhǔn)則（見表2）。

表2中：λ＝28為模型的縮尺比。根據(jù)縮尺比設(shè)計(jì)的船模主要參數(shù)見表3。

表2 各物理量換算關(guān)系

表3 船模主要參數(shù)表

名稱 實(shí)船槳 模型槳螺旋槳直徑／m 2.3 0.082 1轉(zhuǎn)速／（r／min）264 1 397轉(zhuǎn)速／（r／s）4.4 23.28推力／kg 12 171.1 0.553扭矩／kg m 4 465.98 0.007 27總推力／kg 21 906.88 0.991

船模按照實(shí)船推進(jìn)器配置設(shè)計(jì)，船模艏艉和左右弦裝配4臺(tái)相同規(guī)格的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。船模上裝有推進(jìn)器動(dòng)力控制箱，包括螺旋槳轉(zhuǎn)速控制驅(qū)動(dòng)裝置和螺旋槳方位角控制驅(qū)動(dòng)裝置。船模的螺旋槳與實(shí)船槳間的尺度關(guān)系按縮尺比線性關(guān)系設(shè)計(jì)，推力按縮尺比的三次方關(guān)系計(jì)算，扭矩按縮尺比的四次方關(guān)系計(jì)算，轉(zhuǎn)速按縮尺比平方根的倒數(shù)關(guān)系計(jì)算。模型槳與實(shí)船槳尺寸見表4。

此外，為模擬風(fēng)力對(duì)船模的作用情況，船模按比例裝配了上層建筑模型和起重機(jī)模型。船模動(dòng)力系統(tǒng)由岸上電纜配電。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與船模動(dòng)力控制箱連接。

2.3 傳感器及測(cè)量裝置

試驗(yàn)測(cè)量裝置分為：環(huán)境測(cè)量裝置、船模運(yùn)動(dòng)測(cè)量裝置和推進(jìn)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。

環(huán)境測(cè)量裝置主要包括：聲學(xué)多普勒流速儀、熱線風(fēng)速變送器、非接觸伺服式浪高儀和電容式浪高儀。主要用于試驗(yàn)過程中對(duì)風(fēng)、浪、流的測(cè)量。

船模運(yùn)動(dòng)測(cè)量裝置有AHRS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，攝像位置采集裝置。姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)（Attitude and Heading Reference System，A HRS）安裝在船舶重心位置，用于測(cè)量船模艏向和搖擺姿態(tài)。由于AHRS在試驗(yàn)環(huán)境中容易受到環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，因而實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)發(fā)生測(cè)量參數(shù)跳變，測(cè)量誤差范圍約為2°。用于測(cè)量船模位置的攝像裝置采用無接觸的光學(xué)測(cè)量和光源跟蹤方式，通過計(jì)算機(jī)圖像處理程序?qū)⒁曨l采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為光源位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)船模位置測(cè)量。位置測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度約為0.02 m。

《數(shù)據(jù)庫維護(hù)與編程》課程的特點(diǎn)是內(nèi)容多、更新快、課時(shí)少，在授課內(nèi)容方面除了要講授大量的基礎(chǔ)知識(shí)外，還要涉及具體的應(yīng)用、操作，因此傳統(tǒng)的講授和示教法就顯現(xiàn)出許多問題。例如：課堂教學(xué)空洞、呆板，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，忽視了學(xué)生積極性、主動(dòng)性的發(fā)揮。

2.4 試驗(yàn)裝置接口

動(dòng)力定位控制系統(tǒng)試驗(yàn)需要完成大量的數(shù)據(jù)采集和傳輸，由于不同設(shè)備通訊方式不同，因此系統(tǒng)需配置用于信號(hào)轉(zhuǎn)換的接口單元。試驗(yàn)接口裝置采用上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所自主研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理模塊。試驗(yàn)系統(tǒng)的接口模塊全部安裝在控制箱內(nèi)，包括多路串行接口分別與位置測(cè)量系統(tǒng)、環(huán)境傳感器等連接，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送至動(dòng)力定位工作站和控制計(jì)算機(jī)。接口裝置接收由控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，并通過以太網(wǎng)將命令發(fā)送至船模控制箱，從而完成對(duì)船槳的控制。此外，船槳的工作狀態(tài)也由相同接口模塊反饋回動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。

3 試驗(yàn)項(xiàng)目

為模擬不同風(fēng)、浪、流條件下的實(shí)際海況，SRI－VC2110DP系統(tǒng)水池試驗(yàn)分別在靜水環(huán)境，風(fēng)、流單獨(dú)作用和共同作用，以及風(fēng)、浪、流共同作用的條件下進(jìn)行。具體試驗(yàn)項(xiàng)目見表5。

表5 水池試驗(yàn)項(xiàng)目表

試驗(yàn)項(xiàng)目中手動(dòng)操作試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)Joystick的功能和推力分配策略；手動(dòng)自動(dòng)聯(lián)合操作試驗(yàn)用于測(cè)試動(dòng)力定位系統(tǒng)聯(lián)合控制模式下的控制能力和精度；全自動(dòng)定位試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)系統(tǒng)的定位能力、精度及穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 靜水手動(dòng)操控試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中通過Joystick手動(dòng)控制船模X方向上的位置，先向后，再向前。其運(yùn)動(dòng)軌跡見圖4。通過Joystick手動(dòng)控制船模Y方向上的位置，先向左，再向右。其運(yùn)動(dòng)軌跡見圖5。由圖4、圖5可知，通過Joystick能有效操縱船模前后和左右移動(dòng)。動(dòng)力定位系統(tǒng)的推力分配較為合理，能夠保證船模按照預(yù)期的方向運(yùn)動(dòng)。

圖4 靜水環(huán)境下手動(dòng)控制前后移動(dòng)曲線

圖5 靜水環(huán)境下手動(dòng)控制左右移動(dòng)曲線

4.2 靜水自動(dòng)定位試驗(yàn)

為監(jiān)測(cè)SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)在理想情況下的控制精度，在靜水環(huán)境對(duì)船模進(jìn)行自動(dòng)定位試驗(yàn)。船模初始位置為（－0.05，－0.15，1.73°），設(shè)定目標(biāo)位置為（－0.8，－0.13，0.3°）。自動(dòng)定位過程中船模運(yùn)動(dòng)軌跡和艏向變化曲線見圖6、圖7。

圖6 靜水環(huán)境下船模自動(dòng)位置曲線

圖7 靜水環(huán)境下船模自動(dòng)艏向曲線

從試驗(yàn)過程中船模中心軌跡曲線可以看出，船模能夠在動(dòng)力定位系統(tǒng)作用下逐漸接近目標(biāo)位置并最終將位置保持在目標(biāo)點(diǎn)，船模艏向整個(gè)控制過程中保持較好。試驗(yàn)中位置控制最大誤差為±0.028 m，均方誤差為0.006 3 m。艏向控制最大誤差＜2°，均方誤差為0.395°。折合實(shí)際船舶控制誤差為0.176 m，艏向精度為°。由于動(dòng)力定位系統(tǒng)控制精度受傳感器影響，用于艏向測(cè)量的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)使用過程中測(cè)量波動(dòng)值較大，因而影響了船模艏向的控制精度。

4.3 風(fēng)力作用下的手動(dòng)自動(dòng)聯(lián)合操控試驗(yàn)

為檢驗(yàn)在有外界環(huán)境力作用下動(dòng)力定位系統(tǒng)的手動(dòng)自動(dòng)聯(lián)合操控性能及自動(dòng)控制精度，以風(fēng)單獨(dú)作用為例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)?zāi)M風(fēng)向?yàn)?0°，風(fēng)速為2.3 m／s（約合實(shí)際風(fēng)速12 m／s）。船模在X方向手動(dòng)，Y、Z方向自動(dòng)控制模式下運(yùn)動(dòng)軌跡和艏向變化曲線見圖8、圖9。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在利用Joystick操縱船模沿X方向運(yùn)動(dòng)的過程中，船模橫向和艏向能夠較好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。橫向控制均方差為0.03 m（折合實(shí)際0.84 m），艏向控制均方差為0.893°。

在Y方向手動(dòng)X、Z方向自動(dòng)模式下進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)聯(lián)合控制，操控過程中位置軌跡和艏向變化見圖10、圖11。試驗(yàn)過程中船模向右水平移動(dòng)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，整個(gè)控制過程控制精度較高，可見該模式下系統(tǒng)工作性能較為穩(wěn)定。自動(dòng)控制均方誤差為0.005 m，艏向控制均方差為0.91°。

4.4 風(fēng)、浪、流共同作用下的自動(dòng)定位試驗(yàn)

為測(cè)試真實(shí)海況風(fēng)、浪、流共同作用下的動(dòng)力定位系統(tǒng)性能及精度，在水池環(huán)境中模擬3種外力對(duì)船模共同作用下的自動(dòng)定位控制過程。

圖8 手動(dòng)自動(dòng)聯(lián)合控制向前移動(dòng)位置曲線

圖9 手動(dòng)自動(dòng)聯(lián)合控制向前移動(dòng)艏向變化曲線

圖10 手動(dòng)自動(dòng)聯(lián)合控制向右移動(dòng)位置曲線

圖11 手動(dòng)自動(dòng)聯(lián)合控制向右移動(dòng)艏向變化曲線

4.4.1 規(guī)則波浪條件下的自動(dòng)定位試驗(yàn)

在風(fēng)速1.5 m／s，流速0.1 m／s，風(fēng)流夾角0°，有義波高0.04 m的條件下自動(dòng)定位試驗(yàn)，其中波浪為大小規(guī)則的波浪。自動(dòng)定位過程中船模的位置和艏向見圖12、圖13。船模初始位置為（0.24，－0.52，1.79°），設(shè)定目標(biāo)位置為（0.0，－0.86，0.2°）。由圖12、圖13可知系統(tǒng)能夠較好地完成船模在目標(biāo)位置的定位，定位位置均方誤差0.048 m，折合實(shí)際為1.34 m。艏向控制均方誤差為1.38°，最大絕對(duì)誤差小于3°。

圖12 風(fēng)、浪、流共同作用下自動(dòng)控制位置軌跡

圖13 風(fēng)、浪、流共同作用下自動(dòng)定位艏向變化曲線

4.4.2 不規(guī)則波浪條件下的自動(dòng)定位試驗(yàn)

風(fēng)速2.3 m／s，流速0.15 m／s，風(fēng)流夾角0°，有義波高0.04 m的條件下自動(dòng)定位試驗(yàn)，其中波浪為不規(guī)則的波浪。自動(dòng)定位過程中船模的位置和艏向見圖14、圖15。在船模能完成動(dòng)力定位功能的極限條件下，系統(tǒng)仍能夠保證船模的位置，定位控制過程均方誤差為0.169 m，折合實(shí)際為4.732 m。艏向最大絕對(duì)誤差略＞±3°，均方差為1.81°。經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)，系統(tǒng)仍能較好的控制船模的位置，可見SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)具有較好的工作穩(wěn)定性。

4.5 兩槳情況下的自動(dòng)定位試驗(yàn)

為考察推力系統(tǒng)某一推進(jìn)器失去動(dòng)力情況下的系統(tǒng)控制能力，在水池試驗(yàn)中只用船模艏艉兩個(gè)推進(jìn)器對(duì)船模位置艏向進(jìn)行控制。試驗(yàn)過程中，水池風(fēng)速為1.9 m／s，流速為0.1 m／s，風(fēng)流夾角為0°，有義波高為0.04 m。船模位置軌跡和艏向變化曲線見圖16、圖17。從試驗(yàn)結(jié)果可知，雖然系統(tǒng)損失了2個(gè)槳的推力，但仍能保持船模的位置和艏向，且保證位置均方差為 m，折合實(shí)際為5.94 m。艏向均方差為2.01°，最大誤差＜±4°。

圖14 風(fēng)、浪、流共同作用下自動(dòng)控制位置軌跡

圖15 風(fēng)、浪、流共同作用下自動(dòng)定位艏向變化曲線

圖16 風(fēng)、浪、流共同作用下自動(dòng)控制位置軌跡

圖17 風(fēng)、浪、流共同作用下自動(dòng)定位艏向變化曲線

通過靜水環(huán)境，風(fēng)、流單獨(dú)作用和共同作用，以及風(fēng)、浪、流共同作用條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證，SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)在不同情況下的定位精度見表6。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能夠滿足目標(biāo)船對(duì)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的需求。

表6 不同海況下的控制精度表

5 結(jié) 語

針對(duì)SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)備水池試驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)了該設(shè)備的水池試驗(yàn)系統(tǒng)。水池試驗(yàn)系統(tǒng)可模擬與目標(biāo)船工作條件相似的試驗(yàn)條件，為檢驗(yàn)SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位功能、控制精度和穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)提供了合理的試驗(yàn)環(huán)境。多項(xiàng)水池試驗(yàn)的結(jié)果表明，SRI－VC2110DP動(dòng)力定位系統(tǒng)能滿足目標(biāo)船在設(shè)計(jì)海況下的動(dòng)力定位需求。除具有良好的控制精度和穩(wěn)定性以外，還具有一定的冗余特性。即使在個(gè)別推進(jìn)器失效的情況下，控制系統(tǒng)仍能完成船舶的定位控制任務(wù)。

由于A HRS容易受磁場(chǎng)影響，干擾了艏向的測(cè)量，因此在控制過程中也影響了系統(tǒng)的控制精度。水池試驗(yàn)系統(tǒng)船模供電和通訊采用有線方式完成，用于供電和通訊的線纜由于自重和受風(fēng)力作用，也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，造成系統(tǒng)控制誤差。此外用于保護(hù)船模的線纜在水中易受到水流作用，對(duì)船模產(chǎn)生額外作用力，也是影響系統(tǒng)精度的原因。如果針對(duì)以上問題對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)方案進(jìn)行改進(jìn)，動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的控制能力和精度將得到明顯的改善。