動(dòng)力定位系統(tǒng)的發(fā)展

動(dòng)力定位系統(tǒng)的發(fā)展

自1960年以來，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。在近海石油和天然氣工業(yè)、船舶制造業(yè)、游艇快艇業(yè)和漁業(yè)等方面得到了越來越多的應(yīng)用,而且定位控制的精確度、可靠性等也得到了提高。動(dòng)力定位系統(tǒng)的基本作用是在推力器的作用下,在一定的海洋環(huán)境及工程作業(yè)條件下,保持船在指定的位置和艏向上。動(dòng)力定位系統(tǒng)主要由位置測量系統(tǒng)、推力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成。推力系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng),其作用是提供控制系統(tǒng)所需要的推力,滿足定位的需要。推力系統(tǒng)主要由牽引機(jī)如柴油引擎、發(fā)電機(jī)、輸電設(shè)備、推進(jìn)器組成。1該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般地,推力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要按以下幾個(gè)步驟來進(jìn)行:1挪威船級(jí)社質(zhì)的認(rèn)定船舶在海上作業(yè)時(shí),受到的環(huán)境載荷主要有風(fēng)力、流力和波浪力,這些力都是不規(guī)則、不定常的?？梢詤⒖糘CIMF、API的有關(guān)資料以及挪威船級(jí)社編制的SESAM程序來進(jìn)行計(jì)算。如果能夠進(jìn)行風(fēng)浪流作用下的模型試驗(yàn),則可以得到更為準(zhǔn)確的數(shù)值。2引力器推力分配在第一步計(jì)算出各種環(huán)境力的基礎(chǔ)上,得到作用于船舶上的干擾力。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位,推力裝置所發(fā)出的推力要恰好抵消這個(gè)干擾力。根據(jù)選定的推力分配方案,可以得出極限環(huán)境載荷下保持定位狀態(tài)時(shí)每個(gè)推力器需提供的力。推力器布置方案可參考某些已經(jīng)在使用的動(dòng)力定位系統(tǒng),如GlobalMarineDrillingCo.擁有的CRLuigs和GlomarExplorer鉆井船。一般選擇推進(jìn)器的數(shù)目多于5,但不是越多越好,因?yàn)橐紤]到推進(jìn)器與船體以及推進(jìn)器之間的互相影響等因素。當(dāng)推力器的數(shù)量、位置確定后,就可以提出相應(yīng)的推力分配方案。目前實(shí)際應(yīng)用的方法有推力器分組方法、線性規(guī)劃方法。推力器分組方法就是將幾個(gè)推力器分成相應(yīng)的組,每個(gè)組負(fù)責(zé)發(fā)出特定方向的推力。而線性規(guī)劃方法則是一個(gè)有關(guān)多變量多約束的線性規(guī)劃問題,具體考慮到推力器性能的各個(gè)方面,例如推力器轉(zhuǎn)速的變化在一定范圍內(nèi),變化之后,總的變化量的和最小,還要考慮到推力器方位角的變化,盡量避免推力器之間的相互影響。3主推力器的推力和扭矩計(jì)算一艘船上可能安裝不同種類的推進(jìn)器。傳統(tǒng)的動(dòng)力定位船在船尾安裝一個(gè)主推進(jìn)單元。其他的推進(jìn)器類型包括導(dǎo)管推進(jìn)器、Z型推進(jìn)器等。Z型推進(jìn)器能提供不同方向的推力。舵和主推進(jìn)單元結(jié)合起來使用,能夠提供作用在船尾的橫向力。根據(jù)上一步計(jì)算確定了推力器的最大推力后,由推進(jìn)器的特性曲線可以求出推力器的功率。僅用于動(dòng)力定位的螺旋槳,其工況接近于系泊狀態(tài),而主推力器的使用工況差別很大,需作具體考慮。在動(dòng)力定位控制中,根據(jù)分配給螺旋槳的力,要求螺旋槳的轉(zhuǎn)速,則必須知道螺旋槳的推力計(jì)算模型。一般推力器的推力和扭矩計(jì)算模型是通過船池試驗(yàn)或空泡試驗(yàn)而來,這種模型是一種準(zhǔn)靜態(tài)模型,并不能描述推力器的過渡狀態(tài)。RalfBachmayer等人提出了一個(gè)精確的四象限非線性動(dòng)力學(xué)模型,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。4調(diào)距控制系統(tǒng)包括選擇驅(qū)動(dòng)推力器發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。推力器系統(tǒng)要比普通螺旋槳復(fù)雜,因?yàn)閯?dòng)力定位對(duì)推力器系統(tǒng)有一些特殊要求,而這些要求是常規(guī)船用螺旋槳所不需要的。目前有兩種系統(tǒng)可以采用:一種是調(diào)距系統(tǒng),一種是調(diào)速系統(tǒng)。在采用調(diào)距系統(tǒng)的情況下,原動(dòng)機(jī)使推力器在接近恒速下運(yùn)轉(zhuǎn),推力控制系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的指令螺距,調(diào)整槳葉的螺距。由于推力器在接近恒速下運(yùn)轉(zhuǎn),所以原動(dòng)機(jī)可以采用普通的交流電動(dòng)機(jī),這對(duì)船上采用交流電站的情況尤為合適。至于調(diào)速螺旋槳,其轉(zhuǎn)速是可以調(diào)節(jié)的,而作為槳葉半徑函數(shù)的螺距卻保持不變。為了改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速,要調(diào)節(jié)螺旋槳原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果原動(dòng)機(jī)是柴油機(jī),則可用油門系統(tǒng)來控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī),則可用普通的調(diào)速法作精確調(diào)節(jié)。推進(jìn)器的伺服機(jī)構(gòu)必須有比較準(zhǔn)確和快速的響應(yīng)能力。2槳葉的推力/轉(zhuǎn)速曲線以上的設(shè)計(jì)方法,便可以應(yīng)用在具體的推力系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。而模型試驗(yàn)則被用來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性以及合理性。下面從推力系統(tǒng)的幾個(gè)主要方面來介紹模型動(dòng)力定位系統(tǒng)中推力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。環(huán)境載荷的計(jì)算分為靜載荷和動(dòng)載荷兩部分。靜載荷取自模型試驗(yàn)的結(jié)果,而動(dòng)載荷則認(rèn)為在靜載荷的基礎(chǔ)上增加20%。推力器選擇最常用的螺旋槳,從造價(jià)性能等方面考慮,選擇船模試驗(yàn)池的JD系列簡易導(dǎo)管螺旋槳,其后退性能較一般螺旋槳得到了改善,且螺旋槳正倒車性能兼優(yōu)。而螺旋槳推力的尺度則根據(jù)力的分配方案分配而來。動(dòng)力定位模型試驗(yàn)選用的是一條先前做過試驗(yàn)的FPSO船模,曾對(duì)其在各種海況下做過試驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定推力尺度如下:螺旋槳1和2提供6kg左右的推力,螺旋槳3、4、5、6提供4kg左右的推力,可以滿足定位試驗(yàn)的需要。選擇船模試驗(yàn)池的JD系列簡易導(dǎo)管螺旋槳。其參數(shù)確定如下:螺旋槳的布置方案如圖1所示。螺旋槳1、2為主推力器,主要用來抵抗縱向的外力,螺旋槳3、4、5、6為側(cè)向推力器,主要用來抗衡外界力矩和橫向外力的作用。設(shè)FX,FY,FM為要求螺旋槳提供的外力,F1,F2,F3,F4,F5,F6分別為各個(gè)螺旋槳提供的推力?？紤]一種比較簡單的推力分配方案,螺旋槳1和2為一組,螺旋槳3和5為一組,螺旋槳4和6為一組。推力分配方案具體為:首先分配縱向的力FX,如果FX≥0,則F1=0,F2=FX;如果FX<0,則F1=FX,F2=0。再來分配橫向力FY和搖艏力矩FM。如果FY>0,則螺旋槳5和6發(fā)揮主要作用,3和4發(fā)揮次要作用,平衡方程為:{F5+F6=FYF5×1-F6×1=FΜ(1)解得∶{F5=FY+FΜ2F6=FY-FΜ2(2){F5+F6=FYF5×1?F6×1=FM(1)解得∶{F5=FY+FM2F6=FY?FM2(2)若F5<0,則F3=-F5,F5=0;(3)若F6<0,則F4=-F6,F6=0。(4)同理,可推導(dǎo)FY<0的情況。電動(dòng)機(jī)的額定功率推導(dǎo)可以查詢系泊狀態(tài)下的推力及轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線得到。例如,對(duì)于螺旋槳3、4、5、6,推力系數(shù)ΚΤ=Τρn2D4=4×9.81.025×103×(1?400/60)2×0.114=0.48KT=Tρn2D4=4×9.81.025×103×(1?400/60)2×0.114=0.48查《中國船用螺旋槳系列試驗(yàn)圖譜集》JD7704+Ka4-85螺旋槳系列正車敞水特征曲線,選擇P/D=1.0,對(duì)應(yīng)圖上查得10KQ=0.47,則由以下公式可得:ΚQ=Qρn2D5Q=ΚQ×ρ×n2×D5=0.047×1.025×103×(1?400/60)2×0.115=0.42Ν?m則所需的電機(jī)功率為∶Ρ=2πnQ=2×3.14×(1?400/60)×0.42=61.6W同樣可以求出螺旋槳所需要的電機(jī)功率。選擇驅(qū)動(dòng)6個(gè)螺旋槳的異步電機(jī)額定功率全部為120W,完全可以滿足功率的需要。為了得到螺旋槳工作狀態(tài)下的推進(jìn)特性,在條件許可的情況下可進(jìn)行模型試驗(yàn),求出安裝在船模上的螺旋槳推力/轉(zhuǎn)速曲線。螺旋槳和船體的影響具體表現(xiàn)在船體對(duì)螺旋槳入流場和出流場的影響上,對(duì)于本文中的螺旋槳來說,只考慮螺旋槳的正轉(zhuǎn),入流場限制在導(dǎo)管內(nèi),出流場后方基本上是敞水狀態(tài)。并且螺旋槳的工作狀態(tài)接近于系泊狀態(tài)。所以可根據(jù)螺旋槳的敞水特性特征曲線經(jīng)驗(yàn)回歸公式和螺旋槳的推力系數(shù)計(jì)算公式來計(jì)算推力所要求的轉(zhuǎn)速。{Κt=-0.147?3+0.557?0×Ρ/D-0.161?8×J+0.121?2×(Ρ/D)2-0.513?6×(Ρ/D)×J-0.207?9×J3+0.150?2×(Ρ/D)2×J2Κt=Τ/(ρn2D4)J=VA/nD(5)式中:P/D為螺距比,J為進(jìn)速系數(shù),D為直徑,VA為螺旋槳的進(jìn)速,T為需要的推力,n為要求的轉(zhuǎn)速。選擇螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)為小功率異步電動(dòng)機(jī),在安裝時(shí)將異步電機(jī)用水密材料密封,防止漏電。螺旋槳通過變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,則該調(diào)節(jié)系統(tǒng)屬于調(diào)速系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。變頻器采用開環(huán)異步調(diào)節(jié)法來調(diào)節(jié)螺旋槳所需要的轉(zhuǎn)速,其電壓頻率比為0.15。3系統(tǒng)模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型動(dòng)力定位系統(tǒng)在靜水狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)力定位研究的系列試驗(yàn),試驗(yàn)中的模型推力系統(tǒng)采用上述設(shè)計(jì)。用六自由度非接觸式測量儀測量船模在縱蕩、橫蕩和艏搖3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),信號(hào)由采集卡輸入計(jì)算機(jī),控制方法采用模糊控制,根據(jù)位置偏差及速度偏差來確定所需的推力。經(jīng)過力的分配,得到每個(gè)螺旋槳應(yīng)該發(fā)出的推力,由螺旋槳的計(jì)算模型求得螺旋槳的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而通過變頻器的特性曲線求得變頻器的輸入電壓信號(hào),該信號(hào)通過連接在計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制輸出卡輸出,圖3為模型動(dòng)力定位系統(tǒng)在水池中的試驗(yàn)情況。船模的主尺度如表2所示。在基本上沒有環(huán)境載荷的情況下,如果給船模一個(gè)強(qiáng)制位移,推力系統(tǒng)將在控制系統(tǒng)控制下使船?；貜?fù)于給定位置。試驗(yàn)曲線如下所示,船模最后的位置偏差穩(wěn)定在一個(gè)很小的范圍內(nèi),達(dá)到了預(yù)定的目的。圖4中,x,y,r方向分別表示船舶的縱蕩、橫蕩及首搖,橫坐標(biāo)為采集點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)單位分別為cm、cm、°。圖中1#,2#,3#,4#,5#,6#分別表示6個(gè)螺旋槳的輸出電壓,橫坐標(biāo)都為采集點(diǎn)數(shù)。尚待改進(jìn)的地方是變頻器的輸入電壓信號(hào)起伏變化比較大,這可以通過改進(jìn)推力分配方案來優(yōu)化。另外,在今后的試