专利名称：Dp-3级动力定位的半实物仿真其方法
技术领域：
本发明涉及的是一种海洋工程领域的定位方法。
背景技术：
随着海上油气资源的开发不断向深海拓展，传统的锚泊定位方式正逐渐被动力定位所取代，依靠海洋结构物的自身动力进行定位已经成为深海油气生产设施的主要选择。 同时，深海作业对钻井平台、钻井船舶等高附加值海上结构物的动力定位系统的安全性和可靠性也提出了更为苛刻的要求，传统的DP-I级动力定位系统已经不能充分保证深海作业时船上工作人员以及设备的安全性和可靠性。据统计，目前绝大多数的深水半潜式钻井平台都具有DP-3的等级标志，DP-3等级的动力定位系统将逐渐成为海上油气生产设施的主要选择。计算机技术、传感器技术的不断进步以及先进控制算法和策略的不断涌现使得动力定位系统的体系结构日益复杂，对所设计的动力定位系统的软件体系结构、硬件体系结构进行有效的验证是检验整个控制系统的总体设计方案是否可行的手段之一。包含硬件回路的半实物仿真由于在计算机仿真回路中接入了硬件实物，硬件在仿真回路中必须实时运行，使得仿真更接近实际的系统，因而可以提前检测出系统的故障并预测实际可能发生的情况，是对DP-3动力定位控制系统的软件系统、硬件结构、数据接口、通讯协议以及系统可靠性进行验证的有效手段之一。目前已有的诸多文献都只停留在对传统DP-I级动力定位的滤波技术以及控制方法的研究上，文献《动力定位系统的模糊自适应控制》(海洋工程，Vol. 16No. 4)设计了一个用于海洋动力定位系统运动控制的模糊自适应控制器，使动力定位船舶自适应海洋环境的改变。专利《基于模糊自适应算法的船舶动力定位控制系统》(申请号200510027565.X) 提出的模糊自适应算法能使船舶自适应其装载变化和海况变化。专利《动力定位模型试验系统》(申请号200310108552. 6)在水池实验中采用了远红外非接触式的六自由度位置测量系统，从而克服了水池实验时常规的位置测量系统测量精度不高的缺陷。对于冗余的动力定位系统，特别是DP-3级动力定位系统，现有的研究成果还很少涉及。
发明内容
本发明的目的在于提供为深海钻井平台、钻井船舶以及多功能海洋作业船等海洋结构物的DP-3级动力定位系统总体方案的设计和先进控制策略的实施提供调试平台的 DP-3级动力定位的半实物仿真其方法。本发明的目的是这样实现的本发明DP-3级动力定位的半实物仿真其方法，其特征是(1)在三个显控系统中指定指令权显控台，通过指令权显控台指令三台控制计算机之一为主控计算机；(2)待仿真工作站设定完所要求的海况后，每过一个仿真节拍向信息转化中间机发送一次浮式设施的运动信息；(3)三台控制计算机分别进行运动控制的解算，对同一个节拍的解算结果进行多数投票表决来最终决定主控计算机的控制输出；(4)信息转换中间机通过串口获得控制计算机组解算的模拟控制指令并利用模拟 /数字转换卡将其转化为数字信号，通过网络将数字信号发送给仿真计算机，同时将仿真计算机解算得到的当前浮式设施的运动信息通过串口传递给三台控制计算机，使控制计算机根据更新后的状态信息进行新一轮的控制指令求解。本发明还可以包括1、所述的步骤(3)中对同一个节拍的解算结果进行多数投票表决的方法是三台控制计算机完成各自的运动控制解算任务后分别向另外两台控制计算机发送各自的运算结果，同时本机等待接收来自其它两台控制计算机的控制解算结果，限定接收时间，如果在限定接收时间内本机成功收到另外两台计算机的解算结果，则同步成功，在同步成功的基础上每台控制计算机比较三机解算的结果，采取多数投票的原则产生最终的控制输出，如果三台机器的解算结果完全一致，则主控计算机输出任一台计算机的解算结果，如果仅存在两台计算机的解算结果完全一致，则主控计算机输出相同的解算结果，如果三台机器的解算结果都不一致，则输出上个节拍的控制结果。2、所述的指令权显控台可在三个显控系统的三台显控台之间切换，当前的指令显控台若出现故障，指令权切换至正常工作的显控台，当指令显控台再次出现故障，指令权再次自动切换一次至第三台显控台。3、所述的主控计算机出现故障时，主控权切换至正常工作的控制计算机上，当主控计算机再次出现故障，主控权再次切换至第三台控制计算机。本发明的优势在于系统的可靠性大幅度提高，为深海钻井平台、钻井船舶以及多功能海洋作业船等海洋结构物的DP-3级动力定位系统总体方案的设计和先进控制策略的实施提供了调试平台。
图1为本发明装置的组成结构图；图2为本发明装置的实物连接示意图；图3为本发明指令权与主控权切换示意图；图4为控制计算机组运动控制解算的投票表决机制示意图；图5为本发明仿真流程图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1，本发明的DP-3级动力定位的半实物仿真系统包括显控系统、控制计算机组、信息转化中间机以及仿真工作站，显控系统与控制计算机组在硬件上分别采取了三模冗余的结构设计。显控系统与控制计算机组通过双冗余网络进行通信，显控系统的三台显控台接收控制计算机组反馈的海上浮式设施的运动状态信息与系统运行的状态信息，具有指令权的一台显控台负责向控制计算机组下达操作指令。控制计算机组的三台控制计算机并行进行运动控制解算，通过投票表决出最终的控制输出结果，具有主控权的控制计算机负责输出最终的控制结果和向显控系统反馈海上浮式设施的运动状态信息与系统运行的状态信息。信息转化中间机通过串口从主控计算机接收模拟控制指令，经过接口协议转化后转发给仿真工作站，同时通过网络实时接收仿真工作站解算的信息，转化为传感器数据后转发给控制计算机组。仿真工作站采用惠普(HP)XW6000图形工作站，负责接收信息转化中间机转发的控制指令进行海上浮式结构物的动力学与运动学解算，并通过网络将运动控制计算的浮式结构物运动信息与环境信息发送给信息转换中间机。结合图2，显控系统由三台设备与功能完全相同的显控台1，2，3组成，控制计算机组由三台设备与功能完全相同、并行运行的控制计算机4，5，6组成。显控系统的每个显控台的人机交互设备包括可编程键盘7、轨迹球8、3自由度操纵杆9、方向转轮10、控制按键11、指示灯12等组成，配备了研华的IPC-610H系列工控机作为显控计算机13与显示器14。控制计算机组的每台控制计算机采用基于PC104总线的多板堆栈式结构，包括集成 Pentium(M)处理器的CPU模块15、16通道的串口板16、DI/0板17、D/A板18以及一个提供MV电压的稳压电源模块19。显控系统与控制计算机组通过双局域网进行数据通讯，操作人员通过具有指令权的一台显控台向控制计算机组下达期望指令，同时具有主控权的一台控制计算机向显控系统的三个显控台实时反馈海上浮式设施的运动状态信息与系统运行的状态信息。信息转化中间机采用基于PCI总线的工控机，配有8通道PCI串口板20、 数字/模拟转换卡21、模拟/数字转换卡22和串口板23。信息转化中间机通过RS232串口协议从控制计算机组接收模拟控制指令，经过接口协议转化后转发给仿真工作站；同时通过网络实时接收仿真工作站解算的信息，转化为相应的传感器数据后转发给控制计算机组。仿真工作站采用惠普(HP)XW6000图形工作站对，负责海上浮式结构物的运动仿真与视景仿真，通过网络与信息转换中间机进行通信。结合图3，DP-3级动力定位半实物仿真系统的显控系统与控制计算机组分别采取了三模冗余的软、硬件设计。所开发的图形用户界面软件分别运行在三个显控台上，负责实时监测浮式结构物的运动状态信息与系统的运行状态信息并响应人机交互设备的操作，但操作人员只有通过具有指令权的一台显控台的人机交互设备才可以下达控制指令。指令权在三台显控台之间可手动或自动切换，当显控台之间的网络正常工作时，手动切换指令权可通过按下人机界面上特定的按钮来实现，存在两种切换模式(1)指令权显控台主动放弃指令权，没有指令权的显控台可获得指令权；( 没有指令权的显控台主动要求指令权， 此时不需要当前指令权显控台的允许。自动切换指令权发生在指令权显控台出现故障时， 此时指令权会根据程序设定的逻辑自动切换到正常工作的显控台上。控制计算机组的主控计算机由指令权显控台来指定或手动切换，具有主控权的控制计算机负责输出控制计算机组最终的控制结果。当主控计算机出现故障时，主控权会根据程序预先设定的逻辑切换到正常工作的控制计算机。主控计算机负责向显控系统的三个显控台反馈浮式结构物的运动状态信息与系统的运行状态信息。结合图4，DP-3级动力定位半实物仿真系统的三台控制计算机完成各自的运动控制解算任务后分别向另外两台控制计算机发送各自的运算结果，同时本机等待接收来自其它两台控制计算机的控制解算结果。当网络正常工作时，如果在限定的时间内本机成功收到另外两台计算机的解算结果，则认为同步成功。在同步成功的基础上每台控制计算机比较三机解算的结果，采取多数投票的原则产生最终的控制输出如果三台机器的解算结果完全一致，则主控计算机可输出任一台计算机的解算结果；如果存在两台计算机的解算结果完全一致，则主控计算机输出相同的解算结果；如果三台机器的解算结果都不一致，则输出上个节拍的控制结果。 本发明的半实物仿真流程图如图5所示，系统上电后，分别运行显控系统的三个显控台的图形用户界面软件，信息转化中间机的中间程序、仿真工作站的仿真软件，控制计算机组的三台控制计算机上电后自启动软件，建立显控系统与控制计算机组网络连接，控制计算机组与信息转化中间机的串口连接以及信息转化中间机与仿真工作站的网络连接。 首先，指定显控系统的指令权显控台，再通过指令权显控台指定主控计算机，以确定DP-3 级动力定位控制系统的控制权。仿真节拍为0.5s，待仿真工作站设定完所要求的海况(风速、风向、海流的速度、流向以及波浪的浪高、周期与浪向角)每0. 向信息转化中间机发送一次浮式设施的运动信息。实时控制计算机组接收信息转换中间机的传感器数据，并结合指令显控台的操作指令进行运动控制的解算，最终对同一个节拍的解算结果进行多数投票表决来最终决定主控计算机的控制输出。信息转换中间机通过串口获得控制计算机组解算的模拟控制指令并利用模拟/数字转换卡将其转化为数字信号，同时通过网络将数字信号发送给仿真计算机以驱动浮式设施的动力学推算和3D视景的更新显示，与此同时，将仿真计算机解算得到的当前浮式设施的位置、艏向、速度等状态信息通过串口传递给控制计算机，使控制计算机根据更新后的状态信息结合显控系统的操作指令进行新一轮的控制指令求解，从而形成一个闭环调试过程。指令权在显控系统的三台显控台之间可手动切换，当前的指令显控台若出现故障，指令权可自动切换至正常工作的显控台，当指令显控台再次出现故障，指令权可再次自动切换一次至第三台显控台。控制计算机组的主控权指定与手动切换由指令显控台来完成，当主控计算机出现故障时，主控权会自动切换至正常工作的控制计算机上以保证浮式结构物执行器系统的实时响应。当主控计算机再次出现故障，主控权可再次切换至第三台控制计算机，相比显控系统的指令权切换控制计算机组的主控权切换实时性要求更高。由于显控系统与控制计算机组可容忍两次故障正常运行，系统的可靠性大幅度提高。
权利要求
1.DP-3级动力定位的半实物仿真其方法，其特征是(1)在三个显控系统中指定指令权显控台，通过指令权显控台指令三台控制计算机之一为主控计算机；(2)待仿真工作站设定完所要求的海况后，每过一个仿真节拍向信息转化中间机发送一次浮式设施的运动信息；(3)三台控制计算机分别进行运动控制的解算，对同一个节拍的解算结果进行多数投票表决来最终决定主控计算机的控制输出；(4)信息转换中间机通过串口获得控制计算机组解算的模拟控制指令并利用模拟/数字转换卡将其转化为数字信号，通过网络将数字信号发送给仿真计算机，同时将仿真计算机解算得到的当前浮式设施的运动信息通过串口传递给三台控制计算机，使控制计算机根据更新后的状态信息进行新一轮的控制指令求解。
2.根据权利要求1所述的DP-3级动力定位的半实物仿真其方法，其特征是所述的步骤(3)中对同一个节拍的解算结果进行多数投票表决的方法是三台控制计算机完成各自的运动控制解算任务后分别向另外两台控制计算机发送各自的运算结果，同时本机等待接收来自其它两台控制计算机的控制解算结果，限定接收时间，如果在限定接收时间内本机成功收到另外两台计算机的解算结果，则同步成功，在同步成功的基础上每台控制计算机比较三机解算的结果，采取多数投票的原则产生最终的控制输出，如果三台机器的解算结果完全一致，则主控计算机输出任一台计算机的解算结果，如果仅存在两台计算机的解算结果完全一致，则主控计算机输出相同的解算结果，如果三台机器的解算结果都不一致，则输出上个节拍的控制结果。
3.根据权利要求1或2所述的DP-3级动力定位的半实物仿真其方法，其特征是所述的指令权显控台可在三个显控系统的三台显控台之间切换，当前的指令显控台若出现故障，指令权切换至正常工作的显控台，当指令显控台再次出现故障，指令权再次自动切换一次至第三台显控台。
4.根据权利要求1或2所述的DP-3级动力定位的半实物仿真其方法，其特征是所述的主控计算机出现故障时，主控权切换至正常工作的控制计算机上，当主控计算机再次出现故障，主控权再次切换至第三台控制计算机。
5.根据权利要求3所述的DP-3级动力定位的半实物仿真其方法，其特征是所述的主控计算机出现故障时，主控权切换至正常工作的控制计算机上，当主控计算机再次出现故障，主控权再次切换至第三台控制计算机。
全文摘要
本发明的目的在于提供DP-3级动力定位的半实物仿真其方法，首先在显控系统中指定指令权显控台，通过指令权显控台指令控制计算机之一为主控计算机；待仿真工作站设定完所要求的海况后，每过一个仿真节拍向信息转化中间机发送浮式设施的运动信息；然后控制计算机分别进行运动控制的解算，对同一节拍的解算结果进行多数投票表决来最终决定主控计算机的控制输出；信息转换中间机通过串口获得控制计算机组解算的模拟控制指令，通过网络将数字信号发送给仿真计算机，同时将仿真计算机解算得到的当前浮式设施的运动信息通过串口传递给控制计算机，使控制计算机根据更新后的状态信息进行新一轮的控制指令求解。本发明大幅度提高了系统的可靠性。
文档编号G05D1/02GK102323757SQ201110149060
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者万磊, 姜大鹏, 徐玉如, 李莉威, 王卓, 王芳, 陈红丽 申请人:哈尔滨工程大学