gumrfВестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. МакароваVestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova2309-51802500-0551ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»10.21821/2309-5180-2025-17-1-49-60IHGRVGgumrf-539Research ArticleЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА, ВОДНЫЕ ПУТИ СООБЩЕНИЯ И ГИДРОГРАФИЯOPERATION OF WATER TRANSPORT, WATERWAYS AND HYDROGRAPHYСтруктура системы управления морским судном в режиме динамического позиционирования и ее программная реализацияStructure of the control system of a marine vessel in dynamic positioning mode and its software implementationМовчанИ. М.MovchanI. M.

Мовчан Иван Михайлович - аспирант

690003, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

Movchan, Ivan M. - Postgraduate

50A Verkhneportovaya Str., Vladivostok, 690003

movchan@msun.ruОськинД. А.OskinD. A.

Оськин Дмитрий Александрович - кандидат технических наук, доцент

690003, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

Oskin, Dmitry A. - PhD, associate professor

50A Verkhneportovaya Str., Vladivostok, 690003

osykinda@msun.ruМорской государственный университет имени адмирала Г. И. НевельскогоРоссияMaritime State University named after Admiral G. I. NevelskoyRussian Federation2025040320251714960Copyright © Мовчан И.М., Оськин Д.А., 20252025Мовчан И.М., Оськин Д.А.Movchan I.M., Oskin D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.gumrf.ru/jour/article/view/539

Темой исследования являются все более востребованные в настоящее время для безопасной морской деятельности системы динамического позиционирования и низкоскоростного маневрирования. Отмечается, что широкое применение системы динамического позиционирования находят не только в нефтегазовой промышленности, но также и на судах снабжения, баржах и буровых установках, океанских лайнерах и грузовых судах. Разработка и анализ систем управления для эффективной работы системы управления судном с динамическим позиционированием требует использования его математической модели, на основе которой производится исследование синтезированных систем управления. В статье предлагается для моделирования общая структура системы управления судна с динамическим позиционированием. Система управления представлена совокупностью объекта управления (в данном случае морского судна), задающего устройства, устройства управления (контроллера), а также информационно-измерительной системы.В статье рассмотрена математическая модель плоскопараллельного движения судна, описывающая движение судна в трех обобщенных координатах: поступательное продольное движение, боковой снос и рыскание. В качестве примера рассмотрены два типа судов с различными движительными системами: суда, оснащенные двумя кормовыми азимутальными винторулевыми колонками и носовым туннельным подруливающим устройством, и аналогичные суда, оборудованные носовой винторулевой колонкой. Упоры, формируемые движительными устройствами судов, определяются посредством связи с обобщенными силами и моментами через матрицу тяги для соответствующей кинематической схемы. Приведенные движительные схемы обеспечивают возможность удержания судна в режиме динамического позиционирования. Описание математических моделей представлено в виде векторно-матричных нелинейных дифференциальных уравнений. Используемый для представления математических моделей судов математический аппарат позволяет использовать модели для синтеза и моделирования систем управления. Приведены структура программной реализации системы управления, выполненная в среде Matlab, описание разработанных модулей и результаты моделирования.

Currently, dynamic positioning and low-speed maneuvering systems are increasingly in demand and necessary for safe maritime activities. Dynamic positioning systems are widely used mainly in the oil and gas industry, but also in supply vessels, barges and drilling rigs, ocean liners, and cargo ships. The development and analysis of control systems for the effective operation of a ship's control system with dynamic positioning requires the use of a mathematical model of the vessel, on the basis of which a study of synthesized control systems is carried out. The article proposes a general structure for modeling the control system for a vessel with dynamic positioning. The control system is represented by a set of a control object (in our case, a marine vessel), a command input device, a control device (controller), and an information and measuring system. The article considers a mathematical model of plane-parallel motion of a vessel, describing the movement of a vessel in three generalized coordinates: surge, sway, and yaw. As an example, two types of vessels with different propulsion systems are considered: a vessel equipped with two aft azimuth thrusters and a bow tunnel thruster, and a similar vessel, but equipped with a bow azimuth thruster. The forces generated by the propulsion devices of ships are determined through the connection with generalized forces and moments via the thrust allocation matrix for the corresponding kinematic scheme. The given propulsion schemes provide the possibility of holding the vessel in dynamic positioning mode. The description of mathematical models is presented in the form of vector-matrix nonlinear differential equations. The mathematical apparatus used to represent mathematical models of ships allows the use of models for the synthesis and modeling of control systems. The structure of the software implementation of the control system, developed in the Matlab environment, a description of the developed modules, and simulation results are presented.

морское судносистема управлениядинамическое позиционированиенизкоскоростное маневрированиематематическая модельплоскопараллельное движениеПИД-регулированиеmarine vesselcontrol systemdynamic positioninglow-speed maneuveringmathematical modelplane-parallel motionPID controlReferencesБарахта А. В. Структура и принципы работы систем динамического позиционирования // Вестник МГТУ: Труды Мурманского государственного технического университета. — 2009. — Т. 12. — № 2. — С. 255‒258. — EDN KPYRBR.Barakhta, A. V. and Yu. I. Yudin “Structure and principles of dynamic positioning systems’ work.” Vestnik MGTU. Trudy Murmanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta 12.2 (2009): 255‒258.Никитин Е. Д. Анализ и структура систем динамического позиционирования судов // Информационные технологии и системы: управление, экономика, транспорт, право. — 2017. — № 3(21). — С. 85‒90. — EDN YPMWQO.Nikitin, E. D., T. V. Timochkina, V. A. Miklush and N. V. Yagotintseva “D. Analiz i struktura sistem dinamicheskogo pozitsionirovaniya sudov.” Informatsionnye tekhnologii i sistemy: upravlenie, ekonomika, transport, pravo 3(21) (2017): 85‒90.Оськин Д. А. Математические модели динамики судов, оснащенных винторулевыми колонками // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. — 2023. — № 3. — С. 124‒132. DOI: 10.24143/2072-9502-2023-3-126-132. — EDN ZDREJJ.Oskin, D. A., V. V. Bocharova and S. V. Osipov “Mathematical models of dynamics of vessels equipped with power propellers.” Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Upravlenie, vychislitelnaya tekhnika i informatika 3 (2023): 124‒132. DOI: 10.24143/2072-9502-2023-3-126-132.Fossen T. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control / T. Frossen — John Wiley & Sons Ltd, 2011 DOI: 10.1002/9781119994138.Fossen, Thor I. Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control. John Willy & Sons Ltd (2011). DOI: 10.1002/9781119994138.Liu Z. Unmanned surface vehicles: An overview of developments and challenges / Z. Liu, Y. Zhang, X. Yu, C. Yuan // Annual Reviews in Control. — 2016. — Vol. 41. — Pp. 71‒93. DOI: 10.1016/j.arcontrol.2016.04.018.Liu, Zhixiang, et al. “Unmanned surface vehicles: An overview of developments and challenges.” Annual Reviews in Control 41 (2016): 71–93. DOI: 10.1016/j.arcontrol.2016.04.018.Alfheim H. L. Development of a dynamic positioning system for the revolt model ship / H. L. Alfheim, K. Muggerud, M. Breivik, E. F. Brekke, E. Eide, Ø. Engelhardtsen // IFAC-PapersOnLine. — 2018. — Vol. 51. — Is. 29. — Pp. 116‒121. DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.09.479.Alfheim, Henrik Lemcke, et al. “Development of a dynamic positioning system for the revolt model ship.” IFAC-PapersOnLine 51.29 (2018): 116‒121. DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.09.479.Øien S. I. T. Dynamic Positioning for Small Autonomouse Surface Vessels: MS diss / S. I. T. Øien. — NTNU, 2016. — 139 p.Øien, Stein-Inge Torset. Dynamic Positioning for Small Autonomouse Surface Vessels. MS diss. NTNU, 2016.Donnarumma S. Numerical models for ship dynamic positioning / S. Donnarumma, M. Martelli, S. Vignolo // MARINE VI: proceedings of the VI International Conference on Computational Methods in Marine Engineering. — CIMNE, 2015. — Pp. 1078–1088.Donnarumma, S., M. Martelli and S. Vignolo. “Numerical Models for Ship Dynamic Positioning.” MARINE VI: Proceedings of the VI International Conference on Computational Methods in Marine Engineering. CIMNE, 2015: 1078–1088.Таушева У. А. Математическая модель судна для отладки системы управления динамическим позиционированием судна средствами SIMINTECH // Системы управления и обработки информации. — 2018. — № 1(40). — С. 44‒49. — EDN YUDZGO.Tausheva, U. A. “Mathematical model of a vessel for debugging of vessel’s dynamic positioning control system by means of SIMINTECH facilities.” Sistemy upravleniya i obrabotki informatsii 1(40) (2018): 44‒49.Калинин И. М. Компьютерная модель системы динамического позиционирования судна // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2020. — № 4(394). — С. 109‒120. DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-109-120. — EDN YHEZCX.Kalinin, I. M., M. K. Ivanova, L. G. Pautov and A. V. Rudetskij “Computer model of the ship’s dynamic positioning system.” Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra 4(394) (2020): 109‒120. DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-109-120.Оськин Д. А. Информационно-управляющая система сбора и передачи информации для безэкипажного судна // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2021. — № 2. — С. 24‒31. DOI: 10.24143/2073-1574-2021-2-24-31. — EDN MUSCNQ.Oskin, D. A., A. A. Gorshkov, S. A. Klimenko and N. A. Pogodin “Information and control system of collecting and transmitting data for unmanned vessel.” Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Morskaya tekhnika i tekhnologiya 2 (2021): 24‒31. DOI: 10.24143/2073-1574- 2021-2-24-31.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.