船舶动力定位系统的控制方法及其控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于船舶动力定位系统领域，尤其涉及一种船舶动力定位系统的控制方法及其控制系统。
【背景技术】
[0002]船舶动力定位系统(Dynamic Posit1ning System)是一种闭环的控制系统,其功能是不借助锚泊系统的作用，能够不断检测出船舶的实际状态与目标状态的偏差，再根据外界风、浪、流等外界环境力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，并对船舶上各推力器进行推力分配，进而使各推力器产生相应的推力，使船舶保持在所要求的位置上。
[0003]现有的船舶动力定位系统的控制方法一般采用定参数控制，这种控制方法在实际应用中往往会产生较大的控制超调量和振荡，并且在到达控制目标或接近控制目标时，会根据控制误差调整船桨推力方向，过于频繁的调整船桨推力方向会造成船桨磨损并消耗大量的能量。
【发明内容】
[0004]基于此，针对上述技术问题，提供一种船舶动力定位系统的控制方法及其控制系统。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种船舶动力定位系统的控制方法，其特征在于，包括:
[0007]基于PID控制，实时检测船舶动力定位系统的控制误差，令e(k)为当前时刻的控制误差、e(k-l)以及e(k_2)分别为前一个时刻以及前两个时刻的控制误差，其中，Δ e (k) =e (k) _e (k_l), Δ e (k_l) =e (k_l) _e (k_2)；
[0008]根据所述控制误差的变化对船舶动力定位系统进行控制:
[0009]若|e(k) I指令船舶动力定位系统最大输出调整船舶位置，其中，El是设定的较大控制误差边界；
[0010]若e (k) Λ e (k) >0，指令船舶动力定位系统增大控制增益，改变船舶的运动趋势；
[0011]若e(k) Δ e (k) <0, e (k) e (k_l) >0,指令船舶动力定位系统减小控制增益；
[0012]若e (k) Λ e (k) >0，e (k) e (k_l)〈0，指令船舶动力定位系统保持上一时刻的调整动作；
[0013]若|e(k) I ( E2，指令船舶动力定位系统引入误差积分控制量，其中，E2是可接受的控制误差边界。
[0014]本方案还包括:
[0015]根据船舶动力定位系统的船舶运动状态数据进行节能控制:
[0016]若船舶运动状态为从以Rl为半径的圆之外运动到该圆内，指令船舶动力定位系统对环境力进行抵消；
[0017]若船舶运动状态为从以R2为半径的圆之内运动到该圆外，根据所述控制误差的变化对船舶动力定位系统进行控制，直到船舶运动状态为运动到以Rl为半径的圆以内为止；
[0018]其中，R2为预设的允许最大误差半径值，Rl为预设的系统控制半径值，R1〈R2。
[0019]本发明还涉及一种船舶动力定位系统的控制系统，其特征在于，包括:
[0020]控制误差检测单元，用于基于PID控制，实时检测船舶动力定位系统的控制误差，令e(k)为当前时刻的控制误差、e(k-l)以及e(k_2)分别为前一个时刻以及前两个时刻的控制误差，其中，Δ e (k) =e (k) ~e (k~l), Δ e (k~l) =e (k~l) ~e (k~2)；
[0021]策略控制单元，用于根据所述控制误差的变化对船舶动力定位系统进行控制:
[0022]若|e(k) I指令船舶动力定位系统最大输出调整船舶位置，其中，El是设定的较大控制误差边界；
[0023]若e (k) Λ e (k) >0，指令船舶动力定位系统增大控制增益，改变船舶的运动趋势；
[0024]若e(k) Δ e (k) <0, e (k) e (k_l) >0,指令船舶动力定位系统减小控制增益；
[0025]若e (k) Λ e (k) >0，e (k) e (k_l)〈0，指令船舶动力定位系统保持上一时刻的调整动作；
[0026]若|e(k) I ( E2，指令船舶动力定位系统引入误差积分控制量，其中，E2是可接受的控制误差边界。
[0027]本方案还包括节能控制单元，用于根据船舶动力定位系统的船舶运动状态数据进行节能控制:
[0028]若船舶运动状态为从以Rl为半径的圆之外运动到该圆内，指令船舶动力定位系统对环境力进行抵消；
[0029]若船舶运动状态为从以R2为半径的圆之内运动到该圆外，根据所述控制误差的变化对船舶动力定位系统进行控制，直到船舶运动状态为运动到以Rl为半径的圆以内为止；
[0030]其中，R2为预设的允许最大误差半径值，Rl为预设的系统控制半径值，R1〈R2。
[0031]本发明根据动力定位船舶在定位过程中的不同状态，选择不同的控制增益参数，保证了船舶能够快速稳定地接近目标点，减少控制超调和振荡，并且本发明针对船桨磨损和能量消耗的问题，以最大允许误差为目标，在以目标点为中心的一定范围内船桨仅保持对环境力的抵消作用，对控制器所产生的控制信号不做响应，这样动力定位船舶在误差可接受的范围内船桨不会频繁调整，能有效降低船桨磨损和能耗。
【附图说明】
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】本发明进行详细说明:
[0033]图1为本发明的节能控制的原理示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面对本发明一种船舶动力定位系统的控制方法及其控制系统进行详细说明。
[0035]船舶动力定位系统由风力计算模块、流力计算模块、船舶状态测量系统、控制器和推力分配模块构成，风力计算模块用于计算船舶所处环境的风力大小，流力计算模块用于计算船舶所处环境的流力大小，船舶运动状态测量系统通过卡尔曼滤波算法对船舶的运动状态进行分析估计，控制器用于将实际船舶运动状态与预设状态进行比较，计算抵消位置偏差以及外接风力和流力干扰所需的推力大小，经推力分配模块对船舶推进器发出控制指令以实现船舶的定位。
[0036]本方法基于数字PID控制技术，数字PID控制在工业中是一种普遍采用的控制方法。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制误差e (t)，即根据实际船舶运动状态与预设状态进行比较获得控制误差。
[0037]PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为u(t)=kp[e(t)+l/TI / e(t)dt+TD*de(t)/dt],式中积分的上下限分别是O和t。
[0038]因此它的传递函数为:G(s)=U(s)/E(s)=kp[l+l/(TI*s)+TD*s]
[0039]其中kp为船舶动力定位系统增益，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。
[0040]为了避免采用常规PID控制算法容易出现船舶振荡，稳定时间长的问题，本发明在船舶的动力定位过程中的针对不同运动状态采用不同的控制策略:
[0041]实时检测船舶动力定位系统的控制误差，令e(k)为当前时刻的控制误差、e(k-l)以及e(k_2)分别为前一个时刻以及前两个时刻的控制误差，则有:
[0042]Δ e (k) =e (k) _e (k_l)
[0043]Δ e (k_l) =e (k_l) _e (k_2)。
[0044]根据控制误差的变化对船舶动力定位系统进行控制:
[0045]若I e (k) I >E1, E1X),即系统控制误差较大，此时不需考虑船舶运动趋势，指令船舶动力定位系统最大输出调整船舶位置，使控制误差快速减小，其中，El是设定的较大控制误差边界。
[0046]若e (k) Λ e (k) >0，即船舶在朝偏离目标位置运动，指令船舶动力定位系统增大控制增益，改变船舶的运动趋势。
[0047]若e (k) Λ e (k)〈0，e (k) e (k_l) >0，即船舶在朝控制目标靠近，指令船舶动力定位系统减小控制增益，防止产生较大的超调量。
[0048]若e(k) Δ e (k) >0, e (k) e (k-1)〈O,即船舶处于运动方向转换位置,指令船舶动力定位系统保持上一时刻的动作；
[0049]若|e(k) I ( E2,即船舶已经到达目标位置附近，指令船舶动力定位系统引入误差积分控制量，以减小系统的稳态控制