[发明专利]一种船舶动力定位系统及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程领域的船舶动力定位技术，尤其涉及时变风浪流扰动下的船舶动力定位系统及其设计方法。

背景技术

船舶动力定位是指在风浪流等持续扰动下，不借助锚泊系统，利用船舶本身的推进装置使船舶以一定的姿态保持在海面某目标位置或精确地跟踪某一给定轨迹，以完成各种作业任务。它具有控制精度高、灵活性好、成本不会随水深增加而增加的优点，因此在海洋石油钻井平台以及打捞救助船、工程供应船、消防船等各种船舶上获得广泛的应用，是维持海洋浮式作业平台和船舶正常工作的关键。

动力定位技术的发展可分为三个阶段，第一阶段是常规的PID控制与低通、陷波滤波技术相结合；第二阶段是以现代控制理论为基础，即最优控制和Kalman滤波理论相结合的控制方法；第三阶段采用智能控制理论和方法，如鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制、非线性模糊型预测控制等。

然而上述控制方法都是针对单艘船舶的动力定位技术，随着海洋开发不断向着远海、深海扩展，单船舶动力定位技术已不能满足实际海洋作业的需求，越来越多场合需要多船舶进行合作动力定位来完成更为复杂的任务。现有的单船舶动力定位系统的局限性主要体现在以下两个方面：一是控制器对个体船舶实施单独控制会极大的制约整体功能的实现，无法保证个体船舶间相对位置的精确性，船舶间因缺乏信息交换易导致控制信息分散、系统整体协调能力差等缺陷。二是在控制结构上属于集中式控制，其特点是控制器需掌握整体全部信息并对个体实施单独控制，这种控制结构在实际应用中会受到网络带宽有限、感知能力有限等物理条件的制约，尤其在控制对象数量较多规模较大的情况下，易造成控制器算法复杂、信息量大，增加了工程实现的难度。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既可提高多船舶间相对位置定位的精确性和整体协调能力，又结构简单、计算量小、易于工程实现、对海上作业的时变风浪流的扰动有良好的适应效果的船舶动力定位系统及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种船舶动力定位系统，包括N艘船舶、N个个体控制器和通信网络；所述的N艘船舶与N个个体控制器一一对应，N艘船舶分别与N个个体控制器双向连接；所述的通信网络的输出端分别与N个个体控制器连接，通信网络的输入端分别与N艘船舶连接；所述的N艘船舶满足同样的运动模型，所述的N个个体控制器结构相同；

所述的个体控制器包括第一级比较单元、第二级比较器单元、虚拟控制器、滤波器、自适应单元和控制单元；所述的第一级比较单元的输入端分别连接对应的船舶和通信网络、其输出端连接虚拟控制器；所述的虚拟控制器的输入端还连接通信网络、其输出端连接滤波器；所述的滤波器的输出端分别连接控制单元和第二级比较器单元；所述的第二级比较器单元的输入端还与对应的船舶连接、其输出端分别连接控制单元和自适应单元；所述的自适应单元的输出端与控制单元的输入端连接；所述的控制单元还与对应的船舶双向连接。

一种船舶动力定位系统的设计方法，包括以下步骤：

A、建立第i艘船舶的运动模型

设船舶的序列号为i，则i=1、2、3、…、N；

为了船舶动力定位系统的设计需要，首先建立第i艘船舶的运动模型如下：