對開(kāi)式泥駁船是一種專(zhuān)門(mén)的船只，其主體結構是兩個(gè)鉸接的半船體。這兩個(gè)半船體構成了一種漏斗狀結構，由水力系統來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉。該船在航運作業(yè)中，用來(lái)運輸并傾倒材料，是大壩建筑的基礎。

    在傾倒操作中，船的排水量會(huì )降低三分之二，而受風(fēng)面積會(huì )增加一倍。這將導致風(fēng)、海流和海浪沖擊力迅速改變，從而使泥駁船產(chǎn)生非預期的偏移。所以在傾倒操作中，可能會(huì )導致非常昂貴的材料浪費。

    SEADP是一種動(dòng)態(tài)定位 (DP) 系統，專(zhuān)門(mén)用于在整個(gè)傾倒過(guò)程中，操縱對開(kāi)式泥駁船并控制泥駁船的位置和航向。在傾倒中，該系統逐漸靠近目標位置，然后控制并保持住位置和方向。

    系統描述

    我們采用PXI平臺(具備N(xiāo)MEA協(xié)議RS232和RS422串行接口)中的GPS、陀螺儀、風(fēng)速計、速度記錄和吃水傳感器來(lái)采集數據。采樣率的變化范圍為從速度記錄的10s到差分全球定位系統 (DGPS) 實(shí)時(shí)運動(dòng) (RTK) 的10Hz。PXI硬件還通過(guò)RS232串行接口，以75Hz的頻率對慣性運動(dòng)單元 (IMU) 進(jìn)行采樣。泥駁船的推進(jìn)器系統由三個(gè)推動(dòng)設備構成，能夠以任意平面角度施出大小可變的力。當功率為2100kW時(shí)，推動(dòng)力為200kN。

    在我們的解決方案中有兩個(gè)CompactRIO系統，它們與NI PXI實(shí)時(shí)控制器以10Hz頻率同步工作(中斷方式)。其中一個(gè)系統完成與SCHOTTEL橫向推力器的數字邏輯接口、狀態(tài)與方位角推力方向信號的采集、輸出命令信號、調整柴油發(fā)動(dòng)機的風(fēng)門(mén)并按照方位角方向推力。

    客戶(hù)端/服務(wù)器TCP結構采用觸摸屏顯示器，進(jìn)行信號監測和用戶(hù)輸入。借助LabVIEW，系統可以飛快地運行。

    控制板總包含了所有的指示器和按鈕，從而保證當控制計算機和監測管理計算機之間出現通信故障時(shí)， 系統仍然可以正常工作。另外，操作人員可是使用操縱桿來(lái)手動(dòng)控制泥駁船的位置和航向。將天線(xiàn)位置的GPS和DGPS的三維定位轉移到泥駁船中心，來(lái)控制泥駁船的搖擺、傾斜和偏航角。泥駁船的位置在通用橫向墨卡托投影(UTM)坐標中給出。風(fēng)速計測量相對速度和風(fēng)向，將其作為氣動(dòng)阻力模型的輸入，來(lái)估算除去陣風(fēng)以外的平均風(fēng)力。

    IMU記錄了泥駁船重心處主軸線(xiàn)的旋轉速率和加速度?？柭鼮V波器計算搖擺幅度和傾斜角，而陀螺儀則計算偏航角或者真實(shí)航向。我們使用加速度時(shí)間序列的頻域處理方法，來(lái)提取高頻(HF)激增、搖擺和偏航運動(dòng)。我們還使用遞歸最小方差估計的方法，根據搖擺角來(lái)計算因海浪所引起的泥駁船運動(dòng)周期。

    我們使用推進(jìn)器設備中的方位角和螺旋槳精度傳感器來(lái)估計作用在泥駁船上的所有力和動(dòng)量。

    SEADP中，泥駁船模型的SEADP遞歸估計的起點(diǎn)是所采取的吃水程序。我們在非線(xiàn)性狀態(tài)觀(guān)察器和LQR控制器中采用一種具體的泥駁船模型。

    狀態(tài)觀(guān)察器和控制器

    我們認為巨浪、風(fēng)和水流中的泥駁船運動(dòng)，是波浪頻率的運動(dòng)(0.05 to 0.2 Hz)和由波浪沖擊所引起的低頻運動(dòng)的疊加。實(shí)際上，由于波浪運動(dòng)是由泥駁船的寬度力(weight magnitude force)導致的，所以無(wú)法消除。因為這些頻率都落在推進(jìn)器設備的帶寬內，所以我們必須充分地濾除波浪運動(dòng)，以避免船體過(guò)度的磨損。

    我們采用一種非線(xiàn)性狀態(tài)觀(guān)察器來(lái)濾除波浪運動(dòng)。該狀態(tài)觀(guān)察器由泥駁船運動(dòng)的低頻(LF)模型、推進(jìn)器系統響應、波浪運動(dòng)和環(huán)境干擾的隨機模型等構成，從而可以獲得較平穩的低頻運動(dòng)和船速估計。

    控制器則根據泥駁船的低頻運動(dòng)、速度和目標位置偏移，采用線(xiàn)性二次型調節(LQR)來(lái)計算力和動(dòng)量。反饋控制器將最小化位置偏移和功率/推進(jìn)力的加權積分。更進(jìn)一步，實(shí)時(shí)估計的風(fēng)力將前饋，以提高控制器的性能?？刂破魇謩?dòng)/自動(dòng)控制搖擺和偏航運動(dòng)，并控制縱向力和橫向力。我們必須將動(dòng)量定位在多個(gè)不同推進(jìn)設備的回轉點(diǎn)上，而這在SEADP中則由在線(xiàn)二次編程技術(shù)完成。

    未來(lái)SEADP開(kāi)發(fā)

    我們將這項用于對開(kāi)式泥駁船的技術(shù)應用到針對居住泥駁船(accommodation barge)的DP-1系統中。居住泥駁船是一種停泊在海上平臺附近的水上酒店。與前面的結構類(lèi)似，NI PXI實(shí)時(shí)控制器從周?chē)杉h(huán)境數據。我們采用CompactRIO同步控制泥駁船的運動(dòng)。為了在這種對時(shí)間要求比較嚴格的系統中分配好控制，我們增加了NI 9144 CompactRIO擴展機箱，借助實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與PXI控制器同步通信。遠程I/O的高度決定性，以及與LabVIEW實(shí)時(shí)軟件的緊密集成，是向系統中增加NI 9144的主要原因。這種新型的分布式控制結構提高了系統的可靠性與模塊性，同時(shí)降低了標準以太網(wǎng)電纜的整體成本。

    SEADP解決了第一層 (Class I) 的 DP的要求，而推進(jìn)設備或控制器的任意故障都可能導致位置信息丟失。更高層Class II和Class III的要求則涉及到物理和邏輯方面的冗余，以及一些特殊的應用特征如在線(xiàn)單次故障后果分析。我們期望NI的硬件和軟件能夠克服這些挑戰。

    關(guān)于NI

    美國國家儀器有限公司（National Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)NI）致力于為測試測量、自動(dòng)化和嵌入式應用領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家們帶來(lái)革命性的理念，從“虛擬儀器技術(shù)”提升到“圖形化系統設計”，幫助他們實(shí)現更高效和優(yōu)化的設計、原型到發(fā)布。NI為遍布全球各地的25000家不同的客戶(hù)提供現成即用的軟件（如NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺），和高性?xún)r(jià)比的模塊化硬件。NI總部設在美國德克薩斯州的奧斯汀，在近40個(gè)國家和地區設有分支機構，共擁有5,000多名員工。在過(guò)去連續9年里，NI被《財富》雜志評選為“全美最適合工作的100家公司之一”。想了解更多關(guān)于NI的信息，請訪(fǎng)問(wèn)ni.com/china，或致電800-820-3622。