关键字：动力系统、定位、PID技术、LQG技术、模糊技术
引言：近些年来，随着“蛟龙号”探测一步步加深，我国深海技术的发展也随之更上一层楼，这也带来了动力定位系统（DPS）技术在海洋工程领域的不断发展与进步。船舶动力定位系统是一种闭环的控制系统，采用推力器来提供抵抗风、浪、流等环境因素对船舶自身的作用力，从而使船尽可能地保持在所被要求的位置处，它的定位成本实用实惠：不会随着水深增加而增加，并且操作简单可行。
一、船舶动力系统的组成、工作原理及其重要意义
1.船舶动力系统的组成部分
动力定位系统的组成部分一般包括3个分系统：动力系统、推力器系统和动力定位控制系统。动力系统一般的作用是为整个动力定位系统提供电力，以满足整个系统的能源供应。推力器系统，顾名思义，是指在整个系统中起到推力作用，一般的，为提高定位能力，推力器可以设计为全回转推动器，例如：Z型推进、SPP推进等。动力定位控制系统主要起控制作用，给推力器系统发出指令，测量外部情况，检测内部情况，以在一定程度上保证船舶的安全。
2.船舶动力定位系统的工作原理
船舶能够在海上平稳运行，3个分系统起到重要的合作与协同作用。其中，原理纷繁复杂，此处仅作简单说明。
在风平浪静的情况下，即船舶本身并不受到风、浪、流等环境因素的干扰时，由动力定位控制系统发出指令，在推力器系统的推动作用和动力系统的供能作用下，船舶平稳的驶向规定的方向和位置；同样，在风起云涌的情况下，即船舶自身受到了风、浪、流等环境因素的作用时，动力定位控制系统测量船舶的位置、方向等船舶状况，测量风力、风向等外部环境条件……根据测量到的数据综合分析给推力器系统发出指令，进而使船舶在推力器系统的推动作用和动力系统的供能作用下驶向目的地，最终实现目标。
3.船舶动力定位系统的重要意义
船舶为什么需要动力定位系统呢？原因无外乎适应时代发展。
较古老也较普通的一种定位模式是抛锚技术，可是随着时代发展，这种技术并不能很好地满足人们的需求。随着地球上人口数量的飞速增长，科学技术的不断发展，生活水平的逐渐提高，人类对资源的需求也越来越多，但是陆地资源的开采已经达到一定地步，遂而，人类的目光移向了海洋。这时，抛锚技术的缺陷逐渐显露:抛锚技术客观上要求必须有一定的附着物，可是探索资源的征途上不一定随时随地存在这一固定物，进而人类的智慧使得所谓的抛锚技术演化成了如今的定位技术，使得人类对海洋的开发更进一步。
二、动力系统的定位控制技术
通过第一部分的解释，我们无疑理解到了控制技术的重要作用，船舶定位的精度与准度以及指令的正确性都由动力系统的定位控制技术决定，因而，此技术的高低标志着动力定位系统的发展水平，决定着深海探索项目亦或是海洋工程的发展境况。
1.PID控制技术
PID控制器是最早实用化的控制器，由三部分组成：比例单元（P）、积分单元（I）、微分单元（D）。早期船舶的控制系统就是以PID为基础，分别对船舶的三个自由度：横荡、纵荡、摆度进行控制。船舶的动力定位系统根据PID得到的数据进行分析与整合，进而得到明确的指令，并传递给推动器系统，推动器系统与动力系统通力合作、共同完成指令，实现了定位的目的。
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这种定位控制方式简单易懂且技术成熟，方便实用且价格适宜，在初期得到了很好的应用；但是后期，随着探索的深入，人们对定位的精度、速度有了更高的要求，而这种PID技术因为它的不精确性而逐渐被淘汰。
2.LQG控制技术
Kalman滤波和最优控制相结合形成了线性二次高斯型LQG控制，它在第二代动力定位系统中应用广泛。其中的滤波器可以测量船舶运动过程中的综合位置信息，比如：测量船舶低频运动的状态估计值，并将此估计值提供给最优控制器；测量噪声和船舶高频运动信号……
此外，根据仿真结果表明，采用LQG控制技术可以实现对船舶减横的更精准的控制。因而，使得这项技术较精度和速度上比上述PID技术成熟很多，符合了目前海洋探索的需求。
但是，该模型也不是很准确，它在测量摆度时只是在确定的角度区域范围内给出一个估计值，并利用此估计值建立模型，使得模型的建立并不是很具有科学性；另外，LQG控制技术的计算工作量较大，这就决定了在深海探索中需要高科技。
3.模糊控制技术
模糊控制技术基于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，具有抗干扰能力强、响应速度快的特点，使控制算法的可控性、适应性、合理性的提高，成为了智能控制技术的一个重要分支，它是处理非线性、不确定性问题的有效工具。
该项技术较前面的两项技术最突出的特点是模拟人，具有了人的特性：自我调控能力。不管是PID控制技术，还是LQG控制技术，它们都基于一定的模型，不能自我调控，一旦发生突然情况，他们将必须经过一定的逻辑模型，才能发出指令，做出判断，不具有及时性；而模糊控制技术主题是模拟人的推理能力和综合决策能力，可以自我调控，当发生突然情况，他们会根据自己的推理和综合决策能力自己做出决策，进而发出指令，作出判断，具有及时性。
根据三种控制技术的演变进程，得到这样一条规律：随着探索的深入，随着科学的发展，随着智慧的汇聚，随着技术的成熟，控制技术向着精准化、确切化、自动化的方向慢慢发展。
三、动力系统的定位控制技术的发展
船舶动力定位系统最初在20世纪中期被应用，由美国壳牌石油公司钻井船Eureka号进行下水，改变了旧时抛锚式定位方法的应用。随后在动力定位系统和定位控制系统等方面进行进一步的发展：动力定位系统发展为三个分系统（第一部分介绍），定位控制系统逐步淘汰、逐步发展，目前主要以LQG控制技术为主（第二部分介绍）。
应时代之需，偿人类之求，船舶的动力定位系统必将进一步发展：首先，定位控制系统的功能会不断细分，并在各领域追求精准；其次，定位控制技术中，模糊控制技术会不断完善，以实现一定程度的自动化与自主性。但技术终究是技术，模型也终究是模型，只有人类的能力才是无穷的，所以，私以为模糊控制技术的效果终究没有人类的推理、决策能力高。至于，模糊控制技术之后的精准性发展，我不敢妄下定论，一切还需要人类的智慧共同携手，以期达到更高的境界，更高的水平。
总而言之，船舶动力定位系统作为海洋工程必备的技术功能，已是相对较先进的、较精准的技术之一，具有不受深度限制、定位相对准确、良好机动性、投入撤离快速等特点，对海洋开发、海军建设起到至关重要的作用。最后，期待定位控制技术向着更精准、更科学、更快速的方向大跨步前进。
参考文献：
1.李强 《浅析船舶动力定位系统的控制技术》 2014年9月
2.郑荣才 《船舶动力定位系统》 2013年8月
3.百度文库 动力定位系统、PID控制技术、LQG控制技术、模糊
论文作者:王博
论文发表刊物:《科技中国》2017年11期
论文发表时间:2018/5/2
标签：技术论文; 动力论文; 船舶论文; 定位系统论文; 系统论文; 推力论文; 控制系统论文; 《科技中国》2017年11期论文;