0 引　言

随着世界各国对海洋资源开发的逐渐深入，海上船舶和作业平台技术的发展也日新月异。在大型船舶的作业过程中，为了能够灵活地在深海进行定点作业，更加精确地控制船舶的航行轨迹，采用动力定位系统已经成为一项广泛应用的技术。动力定位系统的核心在于动力装置和功率控制系统，其中，动力装置以电动机为主，通过调节电动机的功率和方向，产生与海风、海浪相抵消的作用力和力矩。

功率控制系统在船舶动力定位过程中发挥着重要作用，在提高船舶动力定位效率的同时能够降低船舶整体的能耗。船舶电站功率管理系统(PMS)能够统筹船舶用电设备的负载特性，根据负载调节功率，提升船舶电站的性能。本文研究船舶电站功率管理系统，开发船舶动力定位过程的推进器功率再分配控制策略。

1 船舶电站功率管理系统研究现状

船舶功率管理系统(PMS)是实现船舶自动化、智能化的重要模块，尤其是对于采用电力能源的动力定位船舶和电力推进船舶。PMS系统的目标是最大程度保障船舶用电设备的高质量工作，避免设备电力和功率不足造成故障，同时降低船舶的电力浪费，提高能源利用率。

船舶功率管理系统面向的控制对象是船舶电站及功率系统，图1为典型的船舶电站与功率系统的原理图。

船舶电站功率系统的基础构建包括电源、功率网、输配电装置和功率负荷4类。

1）电源

船舶电站常用的电源包括永磁发电机、整流器、蓄电池等，它将各种形式的能源转化为电能。电站应用量最大的电源装置为柴油发电机组，大型船舶配置的柴油发电机功率可达50～200 kW，满足电力推进、照明等用电设备的需求。蓄电池组是船舶的备用能源，一旦船舶主柴油发电机出现故障，蓄电池组优先向关键设备供电。

2）功率网

功率网是连接船舶电源与各输配电装置、负载之间的电缆电线，功率网将电站的电能输送至船舶各个负载中。由于船舶长期运行在海上气象环境下，海水腐蚀、船体振动等因素对功率网的稳定性有一定影响，因此功率网设计过程中需要充分考虑电缆的防腐和空间布局。

3）输配电装置

输配电装置是指船舶的各类配电板、充放电板、保护电路、监测仪表等，输配电装置对于船舶电力系统网络的运行稳定性有重要作用，可通过互感器、测量设备等监测船舶电力系统网络的各类运行参数。

4）功率负荷

功率负荷是指船舶的各类用电负载，本文在研究动力定位推进器的功率控制过程中，针对的用电负载是动力定位电动机。

2 船舶动力定位和推力分配的动力学模型

动力定位系统利用自身电动机和螺旋桨产生力和力矩，抵消来自外界的干扰作用，使船舶保持预定的位置和航向。

为了准确分析船舶动力定位过程的运动特性，首先建立船舶海上的六自由度运动模型，如图2所示。

船舶动力定位过程中，在多种干扰力及自身重力、推进力的作用下，在空间做六自由度运动，建立基础运动模型为：

$ \vec M = \vec {\boldsymbol{J}}\left( M \right)\vec V \text{。} $

式中： $ \vec M = {\left[ \begin{gathered} x \\ y \\ \alpha \\ \end{gathered} \right]^{}} $ 分别为船舶在惯性坐标系下的位置、方向和横摇角度； $ \vec V = {\left[ \begin{gathered} u \\ v \\ r \\ \end{gathered} \right]^{}} $ 分别为船舶沿3个坐标轴的速度分量。矩阵 $\vec {\boldsymbol{J}}\left( M \right)$ 为下式：

$ \vec {\boldsymbol{J}}\left( M \right) = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} { - \cos \alpha }&{\cos \alpha }&0 \\ 1&{\sin \alpha }&0 \\ { - \sin \alpha }&0&1 \end{array}} \right] \text{，} $

在基础模型下，建立船舶动力定位的低频运动模型为：

$ \vec M{\vec V } + \vec F\left( {{{\vec V}} - {{\vec V}}_c} \right) = {\vec \tau _0} \text{，} $

式中： $ {\vec V_c} $ 为运动速度分量； ${\vec V_c} = {\left[ {{u_c},{v_c},{r_c}} \right]^{\rm{T}}}$ ； $ {\vec \tau _0} $ 为力矩向量，如下式：

$ {\vec \tau _0} = {\vec \tau _a} + {\vec \tau _b} \text{，} $

式中： $ {\vec \tau _a} $ 为船舶推力； $ {\vec \tau _b} $ 为海浪、海风等干扰作用力。

$\vec {\boldsymbol{M}}$ 为惯性矩阵， $\vec {\boldsymbol{F}}$ 为运动模型的系数矩阵，分别为：

$ \begin{split} & \vec {\boldsymbol{M}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {m - {X_r}}&0&0 \\ 0&{m - {Y_r}}&{{Y_r}} \\ 0&1&{{I_z} - {N_r}} \end{array}} \right]，\\ & \vec {\boldsymbol{F}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} { - {X_r}}&0&0 \\ 0&{{Y_r}}&{ - {Y_r}} \\ 0&1&{ - {N_r}} \end{array}} \right] \text{。} \end{split} $

式中： $ m $ 为舰船质量； $ {I_z} $ 为重力方向的转动惯量； $ {X_r} $ ， $ {Y_r} $ ， $ {N_r} $ 分别为3个坐标轴方向的附加质量。

为了满足船舶动力定位过程所需的推力需求，建立船舶动力定位过程的推力及力矩约束公式：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{F_x} - \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{F_i}} \cos {\alpha _i} = 0}，\\ {{F_y} -\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^n {{F_i}} \sin {\alpha _i} = 0}，\\ {N - \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{F_i}} {l_i}\cos {\alpha _i} + \sum\limits_{i = 1}^n {{F_i}} {l_j}\sin {\alpha _i} = 0} 。\end{array}} \right. $

式中： $ n $ 为推进器的个数； $ {F_i} $ 为每个推进器产生的推力； $ {\alpha _i} $ 为每个推进器产生的力矩； $ {l_i} $ 为推进器到船舶旋转中心的横向距离； $ {l_j} $ 为推进器到船舶旋转中心的纵向距离。

3 动力定位船舶推进器功率再分配控制策略 3.1 动力定位船舶的布局和推进器效率计算

为了实现稳定的动力定位过程，需要根据的运动学模型合理布局推进器位置，并对动力定位推进器的台数与容量进行准确选择，图3为本文动力定位船舶的动力定位推进器布局。

动力定位推进器的功率与效率决定了整船的能效，相邻推进器之间存在一定角度时，推进器的效率可按下式计算：

$ \begin{gathered} t = T/{T_0} = 1 - {0.75^{(x/D)\frac{{^2}}{3}}} \text{，} \\ {t_h} = t + (1 - t)\frac{{{\phi ^3}}}{{130/{t^3} + {\phi ^3}}} 。\\ \end{gathered} $

式中： $ T $ 为前一个动力定位推进器的推力； $ {T_0} $ 为敞水推力； $ \phi $ 为前后两动力定位推进器的螺旋桨轴线夹角； $ t $ 为推力的减额因数； $ {t_h} $ 为当两推进器夹角为 $ \phi $ 时的推力减额因素； $ D $ 为推力器的直径。

动力定位推进器的功率包括需求功率和适应功率两部分，功率曲线如图4所示。

船舶的动力定位工况有多种，每种定位工况下需要灵活进行功率调整，包括以下工况：

1）航行工况，船舶全速且满负载航行。

2）压载工况，进出港时压载航行，非满功率状态。

3）靠泊和装卸货工况，此时需要起锚和系缆，并进行动力定位。

4）深海作业工况，作业时利用动力定位推进器保持船舶的动态定位。

5）应急工况，如船舶失火等临时故障。

3.2 动力定位船舶的推进器功率控制策略

动力定位船舶的推进器功率控制包括直接负载限制法和间接负载限制法，本文采用基于DP控制器和PMS控制系统的间接负载限制法，实现推进器的功率控制。

图5为动力定位船舶的推进器功率控制策略。

3.3 船舶动力定位系统功率分配控制的Simulink仿真分析

在Matlab软件平台下进行动力定位系统推进器功率控制的仿真，仿真平台为搭载Windows的计算机终端，CPU主频3.05 GHz。

仿真过程设置风速50 km/h，风向角130°，波浪流速为6 km/h，系统的采样频率为50 Hz。船舶初始位置坐标为 $ \left( {0,0,0} \right) $ ，动力定位的位置坐标为 $ \left( {{s_0},{s_0},{s_0}} \right) $ 。

在Matlab中船舶动力定位推进器功率控制仿真曲线如图6所示。

4 结　语

针对大型船舶动力定位过程的推进器功率控制问题，在船舶运动模型的基础上，结合PMS电站功率管理系统，开发推进器功率控制策略，Simulink仿真测试表明，该功率控制系统能够有效提高推进器的功率利用率，提高船舶的能效。