船舶動力定位系統(tǒng)的控制方法及其控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于船舶動力定位系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種船舶動力定位系統(tǒng)的控制方法及其控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶動力定位系統(tǒng)(Dynamic Posit1ning System)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，能夠不斷檢測出船舶的實際狀態(tài)與目標狀態(tài)的偏差，再根據(jù)外界風、浪、流等外界環(huán)境力的影響計算出使船舶恢復(fù)到目標位置所需推力的大小，并對船舶上各推力器進行推力分配，進而使各推力器產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使船舶保持在所要求的位置上。
[0003]現(xiàn)有的船舶動力定位系統(tǒng)的控制方法一般采用定參數(shù)控制，這種控制方法在實際應(yīng)用中往往會產(chǎn)生較大的控制超調(diào)量和振蕩，并且在到達控制目標或接近控制目標時，會根據(jù)控制誤差調(diào)整船槳推力方向，過于頻繁的調(diào)整船槳推力方向會造成船槳磨損并消耗大量的能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于此，針對上述技術(shù)問題，提供一種船舶動力定位系統(tǒng)的控制方法及其控制系統(tǒng)。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種船舶動力定位系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括:
[0007]基于PID控制，實時檢測船舶動力定位系統(tǒng)的控制誤差，令e(k)為當前時刻的控制誤差、e(k-l)以及e(k_2)分別為前一個時刻以及前兩個時刻的控制誤差，其中，Δ e (k) =e (k) _e (k_l), Δ e (k_l) =e (k_l) _e (k_2)；
[0008]根據(jù)所述控制誤差的變化對船舶動力定位系統(tǒng)進行控制:
[0009]若|e(k) I指令船舶動力定位系統(tǒng)最大輸出調(diào)整船舶位置，其中，El是設(shè)定的較大控制誤差邊界；
[0010]若e (k) Λ e (k) >0，指令船舶動力定位系統(tǒng)增大控制增益，改變船舶的運動趨勢；
[0011]若e(k) Δ e (k) <0, e (k) e (k_l) >0,指令船舶動力定位系統(tǒng)減小控制增益；
[0012]若e (k) Λ e (k) >0，e (k) e (k_l)〈0，指令船舶動力定位系統(tǒng)保持上一時刻的調(diào)整動作；
[0013]若|e(k) I ( E2，指令船舶動力定位系統(tǒng)引入誤差積分控制量，其中，E2是可接受的控制誤差邊界。
[0014]本方案還包括:
[0015]根據(jù)船舶動力定位系統(tǒng)的船舶運動狀態(tài)數(shù)據(jù)進行節(jié)能控制:
[0016]若船舶運動狀態(tài)為從以Rl為半徑的圓之外運動到該圓內(nèi)，指令船舶動力定位系統(tǒng)對環(huán)境力進行抵消；
[0017]若船舶運動狀態(tài)為從以R2為半徑的圓之內(nèi)運動到該圓外，根據(jù)所述控制誤差的變化對船舶動力定位系統(tǒng)進行控制，直到船舶運動狀態(tài)為運動到以Rl為半徑的圓以內(nèi)為止；
[0018]其中，R2為預(yù)設(shè)的允許最大誤差半徑值，Rl為預(yù)設(shè)的系統(tǒng)控制半徑值，R1〈R2。
[0019]本發(fā)明還涉及一種船舶動力定位系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0020]控制誤差檢測單元，用于基于PID控制，實時檢測船舶動力定位系統(tǒng)的控制誤差，令e(k)為當前時刻的控制誤差、e(k-l)以及e(k_2)分別為前一個時刻以及前兩個時刻的控制誤差，其中，Δ e (k) =e (k) ~e (k~l), Δ e (k~l) =e (k~l) ~e (k~2)；
[0021]策略控制單元，用于根據(jù)所述控制誤差的變化對船舶動力定位系統(tǒng)進行控制:
[0022]若|e(k) I指令船舶動力定位系統(tǒng)最大輸出調(diào)整船舶位置，其中，El是設(shè)定的較大控制誤差邊界；
[0023]若e (k) Λ e (k) >0，指令船舶動力定位系統(tǒng)增大控制增益，改變船舶的運動趨勢；
[0024]若e(k) Δ e (k) <0, e (k) e (k_l) >0,指令船舶動力定位系統(tǒng)減小控制增益；
[0025]若e (k) Λ e (k) >0，e (k) e (k_l)〈0，指令船舶動力定位系統(tǒng)保持上一時刻的調(diào)整動作；
[0026]若|e(k) I ( E2，指令船舶動力定位系統(tǒng)引入誤差積分控制量，其中，E2是可接受的控制誤差邊界。
[0027]本方案還包括節(jié)能控制單元，用于根據(jù)船舶動力定位系統(tǒng)的船舶運動狀態(tài)數(shù)據(jù)進行節(jié)能控制:
[0028]若船舶運動狀態(tài)為從以Rl為半徑的圓之外運動到該圓內(nèi)，指令船舶動力定位系統(tǒng)對環(huán)境力進行抵消；
[0029]若船舶運動狀態(tài)為從以R2為半徑的圓之內(nèi)運動到該圓外，根據(jù)所述控制誤差的變化對船舶動力定位系統(tǒng)進行控制，直到船舶運動狀態(tài)為運動到以Rl為半徑的圓以內(nèi)為止；
[0030]其中，R2為預(yù)設(shè)的允許最大誤差半徑值，Rl為預(yù)設(shè)的系統(tǒng)控制半徑值，R1〈R2。
[0031]本發(fā)明根據(jù)動力定位船舶在定位過程中的不同狀態(tài)，選擇不同的控制增益參數(shù)，保證了船舶能夠快速穩(wěn)定地接近目標點，減少控制超調(diào)和振蕩，并且本發(fā)明針對船槳磨損和能量消耗的問題，以最大允許誤差為目標，在以目標點為中心的一定范圍內(nèi)船槳僅保持對環(huán)境力的抵消作用，對控制器所產(chǎn)生的控制信號不做響應(yīng)，這樣動力定位船舶在誤差可接受的范圍內(nèi)船槳不會頻繁調(diào)整，能有效降低船槳磨損和能耗。
【附圖說明】
[0032]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】本發(fā)明進行詳細說明:
[0033]圖1為本發(fā)明的節(jié)能控制的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面對本發(fā)明一種船舶動力定位系統(tǒng)的控制方法及其控制系統(tǒng)進行詳細說明。
[0035]船舶動力定位系統(tǒng)由風力計算模塊、流力計算模塊、船舶狀態(tài)測量系統(tǒng)、控制器和推力分配模塊構(gòu)成，風力計算模塊用于計算船舶所處環(huán)境的風力大小，流力計算模塊用于計算船舶所處環(huán)境的流力大小，船舶運動狀態(tài)測量系統(tǒng)通過卡爾曼濾波算法對船舶的運動狀態(tài)進行分析估計，控制器用于將實際船舶運動狀態(tài)與預(yù)設(shè)狀態(tài)進行比較，計算抵消位置偏差以及外接風力和流力干擾所需的推力大小，經(jīng)推力分配模塊對船舶推進器發(fā)出控制指令以實現(xiàn)船舶的定位。
[0036]本方法基于數(shù)字PID控制技術(shù)，數(shù)字PID控制在工業(yè)中是一種普遍采用的控制方法。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制誤差e (t)，即根據(jù)實際船舶運動狀態(tài)與預(yù)設(shè)狀態(tài)進行比較獲得控制誤差。
[0037]PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為u(t)=kp[e(t)+l/TI / e(t)dt+TD*de(t)/dt],式中積分的上下限分別是O和t。
[0038]因此它的傳遞函數(shù)為:G(s)=U(s)/E(s)=kp[l+l/(TI*s)+TD*s]
[0039]其中kp為船舶動力定位系統(tǒng)增益，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。
[0040]為了避免采用常規(guī)PID控制算法容易出現(xiàn)船舶振蕩，穩(wěn)定時間長的問題，本發(fā)明在船舶的動力定位過程中的針對不同運動狀態(tài)采用不同的控制策略:
[0041]實時檢測船舶動力定位系統(tǒng)的控制誤差，令e(k)為當前時刻的控制誤差、e(k-l)以及e(k_2)分別為前一個時刻以及前兩個時刻的控制誤差，則有:
[0042]Δ e (k) =e (k) _e (k_l)
[0043]Δ e (k_l) =e (k_l) _e (k_2)。
[0044]根據(jù)控制誤差的變化對船舶動力定位系統(tǒng)進行控制:
[0045]若I e (k) I >E1, E1X),即系統(tǒng)控制誤差較大，此時不需考慮船舶運動趨勢，指令船舶動力定位系統(tǒng)最大輸出調(diào)整船舶位置，使控制誤差快速減小，其中，El是設(shè)定的較大控制誤差邊界。
[0046]若e (k) Λ e (k) >0，即船舶在朝偏離目標位置運動，指令船舶動力定位系統(tǒng)增大控制增益，改變船舶的運動趨勢。
[0047]若e (k) Λ e (k)〈0，e (k) e (k_l) >0，即船舶在朝控制目標靠近，指令船舶動力定位系統(tǒng)減小控制增益，防止產(chǎn)生較大的超調(diào)量。
[0048]若e(k) Δ e (k) >0, e (k) e (k-1)〈O,即船舶處于運動方向轉(zhuǎn)換位置,指令船舶動力定位系統(tǒng)保持上一時刻的動作；
[0049]若|e(k) I ( E2,即船舶已經(jīng)到達目標位置附近，指令船舶動力定位系統(tǒng)引入誤差積分控制量，以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制