摘 要

近代人类社会的发展日新月异，对各种资源如石油天然气等的消耗与需求也随之提升。然而，陆地上可提供的资源已经捉襟见肘，对广袤的海洋进行资源开发迫在眉睫。动力定位船舶机动性强，操作方便，能在各种不同的海况中进行作业，在海洋资源的勘探开发事业中扮演着重要的角色。但是现有动力定位系统在实际应用中的精度并不理想，这是因为其控制系统只考虑了一个常数阻尼系数，而忽视了流体记忆影响，不能精确求解船舶在风、浪、流等环境载荷下的运动响应。

本文针对现用控制系统的缺陷展开研究，通过完全模拟船舶时域运动方程的波浪辐射阻尼，建立了一个精确高效的状态空间时域模型。然后对该模型分别进行了频域分析和时域分析，将其与传统方法做对比，并探究基于该模型建立控制系统的可行性。

关键词：动力定位；状态空间；时域模型；控制系统；频域分析

Abstract

With the rapid development of modern human society, the consumption and demand for various resources, such as oil and natural gas, also increased. However, the resources available on land have been stretched to the limit, and the exploitation of the vast ocean resources is extremely urgent. With strong maneuverability and convenient operation, dynamic positioning ships can operate in various sea conditions.Therefore, the dynamic positioning ship plays an important role in the exploration and development of Marine resources. However, the accuracy of the existing dynamic positioning system in practical application is not ideal, because its control system only considers a constant damping coefficient, ignoring the influence of fluid memory, and cannot accurately solve the motion response of ships under environmental loads such as wind, wave and current.

This paper focuses on the defects of the existing control system. By completely simulating the wave radiation damping of the time domain equation motion of ship, an accurate and efficient state-space time domain model is established. Then the model is analyzed in frequency domain and time domain respectively. It is compared with the traditional method. The feasibility of establishing control system based on this model is also explored.

Key Words: dynamic positioning；state-space；time domain model；time-domain；control system；frequency domain analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 船舶动力定位系统的历史、现状及未来 2

1.2.1 船舶动力定位系统的历史 2

1.2.2 动力定位控制技术现状 3

1.2.3 发展趋势及技术难点 5

1.3 研究内容及预期目标 5

1.3.1 研究内容 5

1.3.2 预期目标 5

第二章 数值方法介绍 7

2.1 Cummins方程与频率响应模型 7

2.2 时域与频域模型的关系 7

2.2.1 奥格尔维(Ogilvie)关系 7

2.2.2 卷积的时域性质 8

2.2.3 卷积的频域性质 8

2.3 线性系统的状态空间模型 8

2.3.1 时域模型 9

2.4 卷积替换 10

2.5 卷积替换的识别方法 11

2.6 参数估计方法 12

2.6.1 实现理论 12

2.6.2 频域回归的传递函数估计 14

第三章 船舶水动力分析 15

3.1 模型 15

3.2 附加质量和阻尼系数 15

3.3 RAO 21

3.4 波浪力(矩) 23

第四章 常数时域模型的验证 28

4.1 计算状态空间模型的参数 28

4.2船舶在波浪中的时域响应计算 33

第五章 结论与展望 39

参考文献 40

致谢 43

1. 绪论

1.1 课题研究背景及意义

船舶动力定位系统(Dynamic Positioning System)作为目前世界上一种相对先进的定位技术,具有机动性强,可变载荷大的特点，其船体结构更加安全,且不需要设置布锚辅助船，并能够快速转移作业现场，因此可适用于多种海况。相较于传统系泊形式,动力定位系统的优势在于其不受水深因素影响、且操作更加方便,这对海洋资源的开发以及海军现代化建设都具有重要意义。

船舶动力定位系统(DPS)的定义是:不依靠外界的辅助,通过固有的动力装置来对船舶或作业平台进行定位的一种闭环控制系统^[1],系统一般包括控制系统、测量系统以及推进系统(如图1所示),其中控制系统是整个系统的核心。测量系统的功能是测量出船舶或平台相对于某一参考点的位置,其类型包括DGPS、陀螺罗经、风传感器、张紧索系统、水下声呐系统、垂直参考系统等;控制系统工作原理可理解为根据风、浪、流等外部环境因素计算出船舶或平台承受的扰动力,然后通过该外力与测量系统所得位置坐标再次进行计算获得保持当前船舶位置所需的作用力,也就是推进系统应当提供的推力,并将其传递给推进系统;推进系统一般由数个推进器共同组成,其工作时根据控制系统计算结果提供推进力来控制船舶,从而使船舶保持在预期位置或沿预期的轨迹航行^[2]。海洋动力定位系统( DPS )已广泛应用于许多海上浮动船舶/平台,是海洋资源勘探开发的重要支撑技术^[3]。