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1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452;
2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001

Research on dynamic positioning model of semi-submersible self-propelled engineering ship
YANG Fan1, XU Wei1, CHEN Xiuqing1, HUANG Jiangzhong1, WANG Zhuo2, LIN Xiyuan2
1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300452, China;
2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: In recent years, the independent research on dynamic positioning technique has been gradually carried out since the demand for the development of oceanic oil and gas has risen up greatly. In order to verify the dynamic positioning performance of semi-submersible self-propelled ship, the coordinate systems used for the research on the dynamic models of semi-submersible self-propelled engineering ship was set in this paper. On this basis, the mathematical model of semi-submersible motion and the motion model of the control system were established. Modular method was adopted to optimize calculation of external interference loads on the semi-submersible ship, such as sea wind, sea wave and sea current. As per the simulation experiments on the forces and moments of the environment loads in 3 directions, the time history plot of horizontal movement of the semi-submerged ship, and the ship motion curve of vertical, horizontal, and heading were derived. The output of the motion model was consistent with the trend of the semi-submersible vessel model in the pool test.
Key words: dynamic positioning     coordinate transformation     low-frequency motion model     environment model     semi-submersible self-propelled ship

1 基本假设和坐标系

1.1 基本假设

1) 假设海面是惯性参考系, 即假设地面坐标系为惯性坐标系；

2) 忽略地球曲率, 把海面看成平面；

3) 重力加速度、大气密度以及海水密度恒定；

4) 该船体是刚体, 且质量为常数；

5) 该船体是以舯纵剖面对称的。

1.2 坐标系的建立及坐标间的转换

 图 1 水平的随船坐标系

1) 固定坐标系E-ξηζ

E是任意选定的，固定于地球表面，通常可选择在某一时刻 (t=0时) 船体重心G所在位置。轴在静水面内，其方向一般选在船纵向运动方向上，考虑风浪流时指向正北方向；轴选择为轴在静水面内顺时针旋转90°的方向上；轴垂直于静水面，以指向地心为正。

2) 随船运动坐标系G-xyz

3) 随船平动坐标系G-XYZ

2 半潜船低频运动数学模型建立

 (1)

3 半潜船海洋环境干扰模型的建立

3.1 风载荷计算

Vw为海面以上20 m处的风速，该风速可以通过实地检测获得，但是由于半潜船作业地点未知，每次作业前再前往测得的想法不现实，所以可以采用一些风谱 (如P-M) 给出的风速，再根据式 (2) 进行相应高度的风速的计算[7]

 (2)

3.2 流载荷计算

 (3)

3.3 波浪漂移力计算

 (4)

4 仿真实验验证及分析

4.1 试验工况和参数设置

 项目 设定值 控制方式 PID+Kalman滤波 定位初始位置 (大地坐标系) Xst=0 m，Yst=0 m，ψst=0 deg 定位初始速度 (大地坐标系) Vx=0 m/s，Vy=0m/s，Vψ=0 deg/s 定位目标位置 (大地坐标系) Xtar=10 m，Ytar=10 m，ψtar=90 deg 定位精度要求 (大地坐标系) ΔX=20 m，ΔY=20 m，Δψ=5 deg 运动方向的优先控制 同样重要 控制系统时间延迟 3 s 模拟时间 900 s

4.2 实验的结果及数据处理

 图 2 船舶水平运动时历曲线和轨迹
 图 3 稳定状态下的纵移、横移和艏向

 项目 最小值 最大值 平均值 标准差 纵向位移/m 9.787 10.393 10.090 0.124 横向位移/m 9.845 10.155 10.000 0.049 艏摇角度/(°) 89.889 90.695 90.292 0.295

4.3 仿真结果分析

5 结束语

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#### 文章信息

YANG Fan, XU Wei, CHEN Xiuqing, HUANG Jiangzhong, WANG Zhuo, LIN Xiyuan

Research on dynamic positioning model of semi-submersible self-propelled engineering ship

Applied Science and Technology, 2017, 44(2): 1-6
DOI: 10.11991/yykj.201604007