摘要: 随着海上石油钻探和开采逐渐走向深海，动力定位系统（Dynamic Positioning System）在海洋工程领域发挥着越来越重要的作用。动力定位系统具有不受海底地形，水深的限制，能够快速实现定位和转移等特点，其机动性和灵活性的优势非常明显。由于动力定... 展开 随着海上石油钻探和开采逐渐走向深海，动力定位系统（Dynamic Positioning System）在海洋工程领域发挥着越来越重要的作用。动力定位系统具有不受海底地形，水深的限制，能够快速实现定位和转移等特点，其机动性和灵活性的优势非常明显。由于动力定位系统的复杂性，对于新设计的动力定位系统在使用前通常要进行性能的验证。随着动力定位技术逐渐发展成熟，对于这些验证手段的效率和精度提出了更高的要求。本文以此为背景，从静态的动力定位能力分析（DPCap）、动态的时域模拟与模型试验验证和动态的定位能力分析（DynCap）等方面对动力定位系统的性能进行了研究。同时，为设计和提高动力定位系统的性能进行了一些新的尝试，包括跨越禁止角的推力分配策略和减小横摇纵摇的五自由度控制方法等。 本文开发了进行动力定位能力分析的程序，为动力定位系统的初步性能的验证提供了研究工具。尤其在静态推力分配方面，基于二次规划方法，建立了可对装有槽道推力器，全回转推力器，主推与舵的组合推力器的各种推力系统进行准确快速推力分配的方法。通过对一艘三用工作船的推力器失效模式下的动力定位能力分析，证明了该计算程序的性能和效率。当在推力分配中考虑全回转推力器的禁止角时，会出现非凸推力域，采用组合法对此问题进行求解时，会造成求解效率下降的问题。本文提出了使用二分法搜索最大环境力的方法，使用该方法可以有效减小所需进行推力分配的步数，从而保证了动力定位能力分析的高效性。 在进行动力定位能力分析时，有时需要比较船舶在不同推力器配置下的动力定位能力。为了量化船舶的动力定位能力，本文提出了动力定位能力的综合判断指标，该指标由船舶的整体平均动力定位能力和各艏向下定位能力的稳定性共同决定。针对特定工作海域下海洋结构物的工作情况，还可以定制相对应的判断方案，以期综合比较不同工况下定位能力的优劣。基于该动力定位能力综合判断指标，提出了进行推力敏感性分析的方法。通过敏感性分析可以得到推力敏感性最高的推力器，当需要提高船舶的综合定位能力时，最有效的方法是提高该推力器的最大可提供推力，因此推力敏感性分析可以给推力系统设计者提供有效的参考。在此基础上，本文还提出了推力器配置的局部优化方法，该优化方法是推力器设计的一个补充优化步骤，目的是基于推力器位置的约束，提高船舶的综合定位能力。 动力定位的时域模拟是检验新设计的动力定位船舶性能的相对方便和可靠的手段。本文独立开发了动力定位时域模拟的程序。为了验证该时域模拟程序的有效性，对一艘半潜平台进行了模型试验对比验证。结果表明，动力定位时域模拟程序既可以用于检验动力定位系统的整体性能，又可以作为动力定位系统的研究工具并对系统中各个模块进行单独分析优化，进一步提高动力定位系统的性能。 基于动力定位时域模拟程序，进一步建立了动态动力定位能力分析方法。由于时域模拟方法从本质上考虑了海洋结构物的运动特性，推力系统的动态特性，控制方法的动态特性等，其分析结果与静态动力定位能力结果相比更加接近海洋结构物的真实定位能力。然而，使用时域模拟方法较静态计算更加耗时，本文提出使用二分法搜索最大环境力，并对该方法的效果进行了探索。另外，由于进行时域模拟的环境力是在不断变化的，建立了一个增益库的方法自动为控制器分配参数，通过计算实例证明了二分法和增益库法的可行性。 基于动力定位时域模拟程序，提出了跨越动态禁止角的推力分配策略，可以使螺旋桨跨越禁止角，并且保证跨越后其推力分配的效果较跨越前好。通过对一艘装有六个全回转螺旋桨的驳船进行时域模拟，验证了该方法的可行性。结果表明，采用跨越动态禁止角的推力分配策略，全回转推力器将具有更大的可行域并且推力分配的结果更趋合理，而且这个策略还能帮助动力定位系统节省燃料和提高安全性。 基于动力定位时域模拟程序，提出了一个减小横摇纵摇的五自由度控制方法，并将横摇、纵摇的角度比例反馈控制应用在动力定位系统的控制系统中。通过对一艘半潜平台的时域模拟，对新提出的控制方法的性能进行了验证。结果证明，该控制方法可以减小平台的横摇、纵摇角度。然而，该控制方法所消耗的功率与水平面三自由度控制相比较高，而且该控制方法还会减小平台在水平面运动的定位精度。因此，加入横摇、纵摇角度比例反馈的控制器的使用，是一个需要在实际工程应用中需要权衡的问题。 总之，本文围绕动力定位系统性能的验证和设计优化，对动力定位能力分析，时域模拟，动态定位能力分析，推力分配方法和控制方法等进行了较为深入的研究，为动力定位船舶的安全验证和系统性能的改善提供有益的参考。 收起