1、Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.008动力定位采矿船高海情下的运动响应分析童波1，李焱2，3，唐友刚2，3，刘汇海2，3（1.中国海洋工程装备技术发展有限公司，上海200011；2.天津大学建筑工程学院，天津300350；3.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300350）摘要：本文对具有动力定位深海采矿船高海情下的运动响应及运动特性开展研究。针对具有6 个推进器构成的动力定位系统，考虑高海情及空载和满载两种典
2、型工况，基于推力最小和运动最小条件，应用卡尔曼滤波器结合线性二次型最优控制理论的控制算法优化推力，进行动力定位系统的参数整定，实时优化调整推力的方向和大小，计算采矿船高海情下的运动和推力的时间历程响应和分析运动特性。经计算，得到了深海采矿船空载和满载工况在高海情下实施海上定位的浪向及需要的推力大小，确定了采矿船动力定位系统在高海情下的适应性，评估了高海情下深海采矿船的定位能力。关键词：深海采矿船；动力定位；高海情；运动响应中图分类号：U661文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0069-09收稿日期：2022-08-16基金项目：国家自然科学基金资助项目（5200123
3、0）；天津市自然科学基金资助项目（21JCQNJC00330）作者简介：童波（1983），男，硕士，研究员，主要从事海洋工程装备总体设计研究。E-mail：通讯作者：唐友刚（1952），男，博士，教授，主要从事船舶与海洋工程载荷及动力响应研究。E-mail：tangyougang_目前资料表明，深海矿产资源占到地球矿产资源总量的 75%，因此开发深海矿产资源对于促进我国社会经济发展意义重大。深海采矿船是开发深海的重要装备，其工作水深为 1 0006 000 m，对于深海采矿船的作业过程，必须采用动力定位来有效控制船舶运动，动力定位系统是深海采矿船的关键设备1-2。船舶动力定位系统设计中，一般是
4、通过频域计算的方法得到动力定位需要的总功率和抗风能力，并没有考虑海洋环境的时域变化特性3-4，因此需要考虑时变的风浪流载荷，评估带有动力定位系统采矿船对于海洋环境的适应能力。深海采矿船遭遇高海情时，海洋环境更为恶劣且环境力更大，因此进行深海采矿船高海情下的时域响应计算分析，评估动力定位采矿船对于高海情的适应性十分必要5。马亚洲等6研究深海采矿船减摇水舱减摇效果，分析了减摇水舱对采矿船在频域及时域内对横摇运动的影响，未涉及动力定位系统。肖丽娜7针对深海采矿船作业和生存，分析可能的风险，指出生存工况仅需要考虑满载和空载。何进辉等8针对作业水深 1 500 m 的深海钻井船，分析动力系统定位的能力，
5、基于不同浪向计算环境载荷及计算需要的推力，并与 DP3（Dynamic Position 3）系统的可用推力比较确定动力定位能力。于文太等9针对铺管船海上作业，测量铺管船的运动，并采用 SESAM 软件中的比例积分控制算法（Proportional Integral Differen-tial，PID）模拟动力定位的动力响应。田华勇等10采用 SESAM 中的 SIMO 模块，模拟带动力定位钻井船时域运动响应，通过动力定位系统控制参数及卡尔曼增益参数的调整，提高了动力定位系统的效能，该文详细给出了基于 SESAM 软件进行动力定位能力时域仿真分析流程，研究表明，通过动力定海洋技术学报第42卷位
6、系统控制参数和卡尔曼增益参数调整，可以使动力定位系统发挥最大效能，该文为动力定位系统时域仿真模拟提供了有效方法。廖成毅等11总结了船舶动力定位系统的技术进展及现状，利用船舶运动测量传感器得到船舶运动状态变量，通过滤波后输入动力定位系统调整推进器的推力，目前虽然有多种滤波方法，但是成熟方法仍然是卡尔曼滤波器结合线性二次型（Linear Quadratic，LQ）的优化方法。目前，对于带动力定位深海采矿船的时域分析较少，而对于高海情下带动力定位系统的深海采矿船运动特性分析更少。本文采用 SESAM 中的 SIMO模块，考虑深海采矿船高海情下满载和压载工况，基于卡尔曼滤波器结合线性二次型 LQ 优化
7、控制算法，针对动力定位系统进行时域仿真模拟分析，计算风浪流载荷并预报不同浪向的运动响应，实时调整各个推进器的推力大小和方向，评估带动力定位系统深海采矿船对于高海情的适应能力。1计算理论与方法1.1动力定位系统推力优化方法深海采矿船具有 DP3 级动力定位系统。推进器发出推力实时平衡和抵抗环境载荷的作用，由此在海上定位船舶位置。为了保证动力定位系统有效抵抗环境力，推进器推力方向和大小基于环境力的变化进行实时调整优化，目前推进器推力分配控制最有效方法是采用卡尔曼滤波器结合线性二次型 LQ控制理论的控制算法，通过卡尔曼滤波增益来调整船舶高频运动、低频运动和环境扰动力的状态估计变量，实现自适应控制。影
8、响船舶位置改变的载荷主要是平均波浪漂移力、海流力及风力，因此动力定位推进器需要实时平衡这两种力。关于卡尔曼滤波器结合 LQ 的最优控制方法见文献3，10，11，这里给出简单说明。考虑船舶纵荡运动，推进器需要发出的推力如下。FLTx=G11x+G12?x（1）式中，FLTx为推进器有效推力；x和?x分别为位移和速度与实船的偏差；G11和 G12分别为控制增益矩阵的元素，控制器增益矩阵为 G（3，2），行向量分别表示纵荡、横荡和艏摇 3 个自由度，列向量分别表示刚度系数和阻尼系数。控制增益矩阵一般形式如下。G（3，2）=G11G12G21G22G31G32|（2）动力定位系统推进器推力在调整船位偏
9、差的同时，还要抵消外部的环境载荷，所以有效推力应该满足如下条件。FTx=FLTx+FBx+FWx（3）式中，FTx为推进器输出总推力；FBx为环境扰动载荷；FWx为前馈载荷。在 SESAM 软件的 SIMO 模块中，基于卡尔曼滤波器结合 LQ 最优控制算法，对于推进器推力进行实时优化调整。实时优化推力过程中，需要选择合适的参数值进行参数整定，进行参数整定即是通过调整截断周期和船舶固有周期的取值，达到整定卡尔曼滤波增益和控制增益的目的。1.2采矿船运动控制方程考虑风浪流等复杂海洋环境条件下，带有动力定位系统的深海采矿船时域运动控制方程可以基于Cummins 方法写为下式。（M+A）X?+CdX?
10、+t0h（t-）X?d+KX=F（t）+FD（t）（4）式中，X、X?、X?分别为采矿船六自由度运动向量、速度向量及加速度向量；M 为质量矩阵；A为频率趋近无穷大的附连水质量；Cd为线性化的阻尼矩阵；K 为回复刚度矩阵；h（）为迟滞函数矩阵，与流场自由表面记忆效应有关；F（t）为采矿船所受的环境载荷，包括一阶和二阶波浪力、海流力、风力等；FD（t）为推进器推力，通过卡尔曼滤波系统优化确定。本文采用三维势流理论计算采矿船一阶和二阶波浪力及辐射水动力系数，风力与海流力则基于中国船级社 钢制海船入级规范 中推荐的经验公式进行计算。2深海采矿船频域响应计算2.1深海采矿船参数深海采矿船的主尺度参数如表
11、 1 所示，其中满70第1期表 1采矿船主尺度参数参数空载（LC1）满载（LC2）全长/m246.408垂线间长/m233型深/m19.5型宽/m43.8吃水/m7.85313.512排水量/t69 795.5126 687.5垂向重心高度/m16.314.5横摇惯性半径/m15.76215.164纵摇惯性半径/m61.60261.602艏摇惯性半径/m64.06664.066图 1动力定位系统推进器编号与环境载荷坐标系定义No.1No.2NO.3No.4No.5No.60180船艉船艏90yx图 2深海采矿船湿表面水动力网格载和空载纵向重心位于船中，针对采矿船满载与空载两种不同工况，计算分析
12、动力响应。动力定位系统共由 6 个推进器构成，每个推进器可以 360回转，推进器的驱动电机额定转速为 750 r/min，推进器最高转速为 120 r/min，推进器编号及布置如图 1 所示。其中，首部推进器直径 3.6 m，有效推力 600.25 kN；尾部推进器直径 4.1 m，有效推力 943.25 kN。2.2深海采矿船计算模型采矿船遭遇高海情时，停止采矿作业，矿浆输送系统（包括输浆管、中继站及采矿车等）已经回收到采矿船上，因此，计算高海情下采矿船的运动建模只需要针对船体，矿浆输送系统仅作为船体质量的一部分。划分船体湿表面面元网格时，对于平行中体部分网格单元长度取为 3.0 m，船首尾
13、型线变化较大区域网格进行局部加密，单元长度为 1.5 m。划分船体面元网格如图 2 所示，其中网格共 4 557 个，节点数为 4 638。基于三维势流理论计算船体的水动力载荷和线性阻尼。为了考虑流体的粘性，在计算过程施加线性阻尼矩阵模拟粘性阻尼，取临界阻尼的 7%形成线性阻尼矩阵。2.3深海采矿船幅频响应算子以 30为间隔，计算不同方向入射波幅频响应算子（Response Amplitude Operators，RAOs），这里给出 RAOs 的部分计算结果。空载工况：采矿船六自由度运动 RAOs 如图 3所示。计算结果表明，波浪入射角 0时，采矿船空载纵摇和纵荡运动幅值最大，波浪入射角 9
14、0时，垂荡、横摇和横荡运动幅值最大，入射角 120时，艏摇运动幅值最大。满载工况：采矿船六自由度运动 RAOs 如图 4所示。波浪入射角为 90时采矿船横荡运动幅值最大，艏摇运动在波浪入射角为 120时幅值最大，纵荡运动在波浪入射角为 0时幅值最大。童波，等：动力定位采矿船高海情下的运动响应分析71海洋技术学报第42卷（a）纵荡60040T/s纵荡/（m m-1）1.51.00.520（b）横荡60040T/s横荡/（m m-1）1.51.00.520（c）艏摇60040T/s艏摇/（）m-1）0.60.40.220图 3空载工况深海采矿船运动 RAOs（a）纵荡60040T/s纵荡/（m m
15、-1）1.51.00.520（b）横荡60040T/s横荡/（m m-1）1.51.00.520（c）艏摇60040T/s艏摇/（）m-1）0.60.40.220图 4满载工况深海采矿船运动 RAOs030609012015018003060901201501803高海情深海采矿船运动响应计算3.1高海情下动力定位系统的参数整定高海情参数为：有义波高为 6.0 m，谱峰周期为 12.0 s，谱峰因子为 3.3，定常风风速为 25 m/s，均匀流流速为 1.54 m/s，取非规则波谱为 JONSWAP谱。基于高海情环境参数，进行动力定位系统参数整定，为高海情下的运动响应计算奠定基础。假定：动力定
16、位的硬件设施不变，包括桨径和最大推力值，通过调整不同推进器的推力大小和方向，控制船舶位置稳定性。SIMO 模块中，给出了两种关于动力定位系统参数优化理论和方法，包括PID 方法及卡尔曼滤波方法10，本文通过卡尔曼滤波优化方法，分配 6 个推进器推力和调整推力方向。为了优化动力定位系统的推力参数，对于动力定位系统的参数进行整定分析。在 SIMO 模块中，输入不同的滤波器截断周期 Tc和船舶固有周期 Tn，030609012015018003060901201501800306090120150180030609012015018072第1期（a）水平位移均值16060120Tn/sDmean/m1.21.00.80.60.480100140（b）水平位移标准差16060120Tn/sDstd/m1.21.00.80.60.40.280100140（c）推力均值16060120Tn/sTmean/kN60560059580100140（d）推力标准差16060120Tn/sTstd/kN1009080706080100140图 5满载工况下动力定位系统参数整定结果进行推力和船舶在水平面内位
