一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法

摘要

本发明涉及一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法。本发明属于船舶动力定位技术领域。一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，包括以下具体步骤：1.推力计算:动力定位系统进行推力计算和推力分配；2.确定功率管理模式:耙吸挖泥船扇形艏喷时，功率管理系统提供二种工作模式，第一种管理模式为正常疏浚模式，适合于耙吸挖泥、吹填作业；第二种管理模式适合于单台泥泵疏浚作业、抛泥及单泵/降功率双泵吹填作业；3.耙吸挖泥船扇形艏喷定位流程:艏喷开始后，在自动动态定位模式下，船舶在设定的摆动角度内作扇形艏喷，直到全船艏喷抛泥结束。本发明具有操作方便，控制准确，能极大地提高耙吸挖泥船艏喷抛泥的质量和效率等优点。

权利要求

1.一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，其特征是：挖泥船扇形艏喷定位控制方法包括以下具体步骤：

1)确定功率管理模式

耙吸挖泥船扇形艏喷时，功率管理系统提供二种工作模式，第一种管理模式为正常疏浚模式，适合于耙吸挖泥、吹填作业；管理管理系统需要向左/右泥泵变频器供电，并对每台主机、轴发、主变压器进行功率管理；第二种管理模式适合于单台泥泵疏浚作业、抛泥及单泵/降功率双泵吹填作业；管理管理系统需要向左/右泥泵变频器供电，并对每台主机、轴发、主变压器进行功率管理；

2)耙吸挖泥船扇形艏喷定位流程

(1)把船只带到靠近预期位置停顿下来，选择最佳船艏向作为船艏向控制目标，并选择自动动态定位操作模式；

(2)扇形艏喷时，首先选择船舶旋转中心、摆动角度、扇形艏喷定位点间距，并进行转动中心点的标记；

(3)进行功率管理的模式选择，保证扇形艏喷期间，主机功率主要用于泵送艏喷，并提供可用于保持船艏向和船位的最小功率；

(4)根据作业区域风、浪、流的海况条件，计算在动态定位状态下船舶的位控能力，选择船舶艏喷的初始船位和船艏向，使船舶作横向摆动时，船舶只需要最小的保持力，主发动机负荷最小；

(5)推力计算：动力定位系统进行推力计算和推力分配，通过分配逻辑来控制推进器、舵产生相应的力和力矩，以抗衡作用于船舶的外界干扰力和干扰力矩，使船舶保持航行或定位且满足艏向、航速、航迹及精度要求；

(6)显示动态定位控制参数；

(7)按开始按钮，艏喷开始后，在自动动态定位模式下，船舶在设定的摆动角度内作扇形艏喷，一个摆动周期结束，船舶向前移动一个扇形艏喷定位点间距，完成下一个扇形摆动，直到全船艏喷抛泥结束。

2.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，其特征是：推力分配设计分为两部分：(1)建立合适的优化目标函数及约束条件，寻找对应的优化算法，在考虑推进器物理条件、动态推力区域、避免奇异结构前提下，以满足船舶定位、艏向、能耗最优要求；(2)考虑船舶与船体之间和推进器之间的水动力干扰影响。

3.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，其特征是：显示动态定位控制参数包括：旋转点到摆动过程中动态定位点的交叉距离，艏喷后推力和功率管理模式，艏侧向对地航速，并通过箭头表示左舷或右舷方向，获得最佳船艏向的允许搜索的扇形区域，转动中心点和动态定位点之间的距离基准，转动中心点的对地航速、航迹的历史位置路径，艏侧向推进器的推力大小、方向和相对转速，艉推进器的推力大小、方向和相对转速。

说明书

一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于船舶动力定位技术领域，特别是涉及一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法。

背景技术

[0002] 目前，耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制是耙吸挖泥船疏浚作业的重要模式之一，通过动力定位系统的自动控制能极大提高耙吸挖泥船艏喷抛泥的质量和效率，它将涉及耙吸挖泥船的推力分配、艏喷后推力模型、功率管理模式和艏喷定位控制流程等问题。

[0003] 作为特殊的工程船舶——耙吸挖泥船艏喷卸泥作业时，需要耙吸挖泥船作扇形艏喷定位控制，现有的定位控制方法复杂，控制不准确，常常造成艏喷的泥浆堆积成山，存在操作不便，严重影响施工效率和生产安全等技术问题。

发明内容

[0004] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法。

[0005] 本发明的目的是提供一种具有操作方便，控制准确，能极大提高耙吸挖泥船艏喷抛泥的质量和效率等特点的耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法。

[0006] 本发明作为特殊的工程船舶——耙吸挖泥船艏喷卸泥作业时，需要耙吸挖泥船作扇形艏喷定位控制，动力定位系统按照一定弧形范围（起始艏向角）和转向速度自动控制船舶艏向，将泥浆均匀喷射到指定位置，提高作业质量和效率。这种疏浚作业模式的主要特点是：船舶工作于动力定位状态（DP模式），通过功率管理系统的功率分配，在推进器和舵的联合作用下进行船舶艏向控制，形成船舶的扇形摆动，达到均匀抛泥的目的。在扇形艏喷抛泥时，将考虑彩虹喷的后推力，这个力与艏喷泥浆的流速和密度相关联。

[0007] 本发明耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法所采取的技术方案是：

[0008] 一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，其特点是：挖泥船扇形艏喷定位控制方法包括以下具体步骤：

[0009] 1)推力计算

[0010] 动力定位系统进行推力计算和推力分配，通过分配逻辑来控制推进器、舵产生相应的力和力矩，以抗衡作用于船舶的外界干扰力和干扰力矩，使船舶保持航行或定位且满足艏向、航速、航迹及精度要求；

[0011] 2)确定功率管理模式

[0012] 耙吸挖泥船扇形艏喷时，功率管理系统应提供二种工作模式，第一种管理模式为正常疏浚模式，适合于耙吸挖泥、吹填作业；管理管理系统需要向左/右泥泵变频器供电，并对每台主机、轴发、主变压器进行功率管理；第二种管理模式适合于单台泥泵疏浚作业、抛泥及单泵/降功率双泵吹填作业；管理管理系统需要向左/右泥泵变频器供电，并对每台主机、轴发、主变压器进行功率管理；

[0013] 3)耙吸挖泥船扇形艏喷定位流程

[0014] （1）把船只带到靠近预期位置停顿下来，选择最佳船艏向作为船艏向设置点，并选择自动动态定位；

[0015] （2）扇形艏喷时，首先选择船舶旋转中心、摆动角度、扇形艏喷定位点间距，并进行转动中心点的标记；

[0016] （3）进行功率管理的模式选择，保证扇形艏喷期间，主机功率主要用于泵送艏喷，并提供可用于保持船艏向和船位的最小功率；

[0017] （4）根据作业区域风、浪、流的海况条件，计算在动态定位状态下船舶的位控能力，选择船舶艏喷的初始船位和船艏向，保证船舶作横向摆动时，船舶只需要最小的保持力，主发动机将承带最小的负荷以用于扇形艏喷；

[0018] （5）显示动态定位控制参数；

[0019] （6）艏喷开始后，在自动动态定位模式下，船舶在设定的摆动角度内作扇形艏喷，一个摆动周期结束，船舶向前移动一个扇形艏喷定位点间距，完成下一个扇形摆动，直到全船艏喷抛泥结束。

[0020] 本发明耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法还可以采用如下技术方案：

[0021] 所述的耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，其特点是：推力分配设计分为两部分：（1）建立合适的优化目标函数及约束条件，寻找对应的优化算法，在考虑推进器物理条件、动态推力区域、避免奇异结构前提下，以满足船舶定位、艏向、能耗最优要求；（2）考虑船舶与船体之间和推进器之间的水动力干扰影响。

[0022] 所述的耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，其特点是：显示动态定位控制参数包括：旋转点到摆动过程中动态定位点的交叉距离，艏喷后推力和功率管理模式，艏侧向对地航速，并通过箭头表示左舷或右舷方向，获得最佳船艏向的允许搜索的扇形区域，转动中心点和动态定位点之间的距离基准，转动中心点的对地航速、航迹的历史位置路径，艏侧向推进器的推力大小、方向和相对转速，艉推进器的推力大小、方向和相对转速。

[0023] 本发明具有的优点和积极效果是：

[0024] 耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有操作方便，控制准确，能极大地提高耙吸挖泥船艏喷抛泥的质量和效率等优点。

附图说明

[0025] 图1是本发明挖泥船坐标系及其推进器一般布置结构示意图；

[0026] 图2是螺旋桨和舵推力组合产生的推力区域图（X是纵荡力，Y是横荡力）；

[0027] 图3是耙吸挖泥船艏喷扇形摆动流程示意图。

具体实施方式

[0028] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

[0029] 参阅附图1、图2和图3。

[0030] 实施例1

[0031] 一种耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，包括以下具体步骤：

[0032] 1)推力计算

[0033] 动力定位系统进行推力计算和推力分配，通过分配逻辑来控制推进器、舵产生相应的力和力矩，以抗衡作用于船舶的外界干扰力和干扰力矩，使船舶保持航行或定位且满足艏向、航速、航迹及精度要求；

[0034] 2)确定功率管理模式

[0035] 耙吸挖泥船扇形艏喷时，功率管理系统应提供二种工作模式，第一种管理模式为正常疏浚模式，适合于耙吸挖泥、吹填作业；管理管理系统需要向左/右泥泵变频器供电，并对每台主机、轴发、主变压器进行功率管理；第二种管理模式适合于单台泥泵疏浚作业、抛泥及单泵/降功率双泵吹填作业；管理管理系统需要向左/右泥泵变频器供电，并对每台主机、轴发、主变压器进行功率管理；

[0036] 3)耙吸挖泥船扇形艏喷定位流程

[0037] （1）把船只带到靠近预期位置停顿下来，选择最佳船艏向作为船艏向设置点，并选择自动动态定位；

[0038] （2）扇形艏喷时，首先选择船舶旋转中心、摆动角度、扇形艏喷定位点间距，并进行转动中心点的标记；

[0039] （3）进行功率管理的模式选择，保证扇形艏喷期间，主机功率主要用于泵送艏喷，并提供可用于保持船艏向和船位的最小功率；

[0040] （4）根据作业区域风、浪、流的海况条件，计算在动态定位状态下船舶的位控能力，选择船舶艏喷的初始船位和船艏向，保证船舶作横向摆动时，船舶只需要最小的保持力，主发动机将承带最小的负荷以用于扇形艏喷；

[0041] （5）显示动态定位控制参数；

[0042] （6）艏喷开始后，在自动动态定位模式下，船舶在设定的摆动角度内作扇形艏喷，一个摆动周期结束，船舶向前移动一个扇形艏喷定位点间距，完成下一个扇形摆动，直到全船艏喷抛泥结束。

[0043] 本实施例的具体定位控制方法及其实施过程详述如下：

[0044] 1、推力计算

[0045] 推力分配是动力定位系统的一个重要组成部分，它的主要任务是通过某种分配逻辑来控制推进器、舵产生相应的力和力矩，以抗衡作用于船舶的外界干扰力和干扰力矩，使船舶保持航行或定位且满足艏向、航速、航迹及精度等要求。推力分配策略设计分为两大部分：（1）建立合适的优化目标函数及约束条件，寻找对应的优化算法，在考虑推进器物理条件、动态推力区域、避免奇异结构等前提下，以满足船舶定位、艏向、能耗最优等要求。（2）考虑船舶与船体之间和推进器之间的水动力干扰问题。

[0046] 在耙吸挖泥船扇形艏喷定位时，航速很低，船舶运动只考虑纵荡、横荡和首摇运动，可以采用3自由度模型来描述，耙吸挖泥船推进器的典型配置包括螺旋桨、隧道式推进器和舵等。

[0047] 假设一艘船舶共有p个推进器，pr为可变方向推进器个数，pf为固定方向推进器个数，改变推力和力矩的控制变量个数n=2pr+pf。作用于船体的广义力和力矩可设定为T Tτ=[X,Y,N]。第k个推进器装置位于船舶旋转中心坐标系的位置rk=[Lk,x,Lk,y]，该推进器产生的推力为Tk，夹角为αk。固定方向推进器的αk是常数，可变方向推进器的αk可以改变。如图1所示。

[0048] 则，第k个推进器提供了以下作用在船只上的广义力和力矩：

[0049] Xk=Tkcosαk （1）

[0050] Yk=TkSinαk （2）

[0051] Nk=TkLkcosαk （3）

[0052] 其中：Lk=Lk,x·sinαk-Lk,y·cosαk

[0053] 力的总和为：τ=A(α)T （4）

[0054] 其中：T=[T1 ... Tp]T和

[0055] 通过分解水平面上的每个推力uk,x=Xk,uk,y=Yk可获得扩展的推力矢量u。

[0056] 对于可变方向推进器uk=[uk,x,uk,y]T∈R2,1≤k≤pr，对于固定方向推进器uk∈R,pr+1≤k≤p。

[0057] 给出广义推进矢量的线性模型：τ=Bu （5）

[0058] 其中：u=[u1 ... up]T∈Rn以及B∈R3×n。

[0059] 给出B=[Br Bf]，

[0060] 定义为

[0061]

[0062] 上述推力计算方法可用于任何组合的可变方向推进器和固定方向推进器。

[0063] 针对耙吸挖泥船在有螺旋桨、侧向推进器和舵的组合，还将求解螺旋桨和舵的上升和阻力模+型。

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] T是推力，L是舵上升力，D是舵阻力，ω是螺旋桨角速度，δ是舵偏角。螺旋桨和舵对纵荡和横荡的力给出如下：X=T-D,Y=L。当推力正向时，模型产生扇形推力区域，当推力当推力反向时，舵不具有显著效果，推力区域是简单的沿X轴的直线，如图2所示。

[0068] 2、艏喷反推力模型

[0069] 在耙吸挖泥船定点艏喷作业时，耙吸挖泥船的喷头会喷出大量的泥浆混合物，并且方向会不断的发生扇形变化，泥浆混合物的流速较高，会对船舶产生较大的反推作用力。

[0070] 设船艏喷管轴线（即射流方向）与水平面夹角为α，喷管出口射流速度为V(m/s)，3 3
射流泥浆密度为ρ(t/m)，流量Q(m/s)，则射流对船体产生的反冲力近似计算如下：

[0071] 水平方向：

[0072] FH=ρQVcosα (kN) （7）

[0073] 铅垂方向：

[0074] FV=ρQVsinα (kN) （8）

[0075] 当已知艏喷流量Q和喷管出口截面的直径d（单位：m）时，喷管出口射流速度可计算如下：

[0076]

[0077] 则：

[0078] 水平方向：

[0079] FH=4ρQ2cosα/(πd2) (kN) （10）

[0080] 铅垂方向：

[0081] FV=4ρQ2sinα/(πd2) (kN) （11）

[0082] 3、功率管理模式的确定

[0083] 耙吸挖泥船扇形艏喷时，功率管理系统应提供二种工作模式，具体描述如下：

[0084] 1）模式1

[0085] 该模式为正常疏浚模式，适合于耙吸挖泥、吹填作业。管理管理系统需要向左/右泥泵变频器供电，并对每台主机、轴发、主变压器进行功率管理。

[0086] 2）模式2

[0087] 该模式适合于单台泥泵疏浚作业、抛泥及单泵/降功率双泵吹填作业。管理管理系统需要向左/右泥泵变频器供电，并对每台主机、轴发、主变压器进行功率管理。

[0088] 4、耙吸挖泥船扇形艏喷定位流程

[0089] 参照附图3。耙吸挖泥船艏喷扇形摆动流程描述：

[0090] （1）把船只带到靠近预期位置停顿下来，选择最佳船艏向作为船艏向设置点，并选择“动态定位-自动”。

[0091] （2）扇形艏喷时，首先选择船舶旋转中心、摆动角度、扇形艏喷定位点间距，并进行转动中心点的标记。

[0092] （3）进行功率管理的模式选择，保证扇形艏喷期间，主机功率主要用于泵送艏喷，并提供可用于保持船艏向和船位的最小功率。

[0093] （4）根据作业区域风、浪、流的海况条件，计算在动态定位状态下船舶的位控能力，选择船舶艏喷的初始船位和船艏向，保证船舶作横向摆动时，船舶只需要最小的保持力，主发动机将承带最小的负荷以用于扇形艏喷。

[0094] （5）显示的主要参数：

[0095] ·旋转点到摆动过程中动态定位点的交叉距离

[0096] ·艏喷后推力和功率管理模式。

[0097] ·艏侧向对地航速，并通过箭头表示方向（左舷或右舷）。

[0098] ·获得最佳船艏向的允许搜索的扇形区域。

[0099] ·转动中心点和动态定位点之间的距离基准。

[0100] ·转动中心点的对地航速、航迹的历史位置路径。

[0101] ·艏侧向推进器的推力大小、方向和相对转速。

[0102] ·艉推进器的推力大小、方向和相对转速。

[0103] （6）艏喷开始后，在“动态定位-自动”模式下，船舶在设定的摆动角度内作扇形艏喷，一个摆动周期结束，船舶向前移动一个扇形艏喷定位点间距，完成下一个扇形摆动，直到全船艏喷抛泥结束。

[0104] 本实施例具有所述的耙吸挖泥船扇形艏喷定位控制方法，具有操作方便，控制准确等优点，通过动力定位系统的自动控制能极大提高耙吸挖泥船艏喷抛泥的质量和效率。