DE2528073C2

DE2528073C2 - Verfahren zur selbsttätigen Positionierung eines Schiffes

Info

Publication number: DE2528073C2
Application number: DE2528073A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Kranert; Konrad Dipl.-Ing. 2107 Rosengarten Wilke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-06-24
Filing date: 1975-06-24
Publication date: 1983-09-29
Also published as: US4089287A; NO762179L; IT1061107B; SE7606244L; DE2528073A1; NO148614B; BR7603754A; NL7606823A; NO148614C

Description

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Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur selbsttätigen Positionierung eines Schiffes gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei einer sogenannten dynamischen Positionierung von Schiffen müssen Anlagen vorgesehen sein, mit denen das Schiff sehr genau über einer Arbeitsstelle gehalten werden kann. Beispiele hierfür sind MeS-, Forschungs- und Bohrschiffe. Als Anlagen kommen Antriebspropeller mit schwenkbarem Schraubenstrahl (Voith-Schneider, Schottel) oder auch Verstellpropeller in Betracht. Solche Anlagen werden bisher allerdings nur bis zu mittleren Leistungen hergestellt. Für den oberen Leistungsbereich können Querschubanlagen vorgesehen werden. Auch ist die Verbindung von Querschubanlagen mit Aktivpropellern möglich. Da Querschubanlagen gegenüber Aktivpropellern für bestimmte Richtungen der Störkraft eine geringere Effektivität der Gesamtanlage besitzen, müssen sie von vornherein mit größeren Leistungen installiert werden.

Um eine Leistungsbegrenzung für die Propulsionsanlage zu erzielen, ist gemäß der älteren DE-AS 24 16 874 ein Verfahren entwickelt worden, mit dem die auf einen Schwimmkörper einwirkenden Störkräfte bereits vor ihrem Auftreffen erfaßt werden und die Propulsionsanlagen die erforderlichen Gegenkräfte aufbringen. Damit wird den Störkräften rechtzeitig entgegengewirkt. Diese werden durch Meßgeräte ermittelt, die in großen Abständen vom Schwimmkörper ausgelegt sind.

Bei einer dynamischen Positionierung wird das Schiff vorzugsweise mit dem Bug gegen die Hauptstörkräfte gelegt, da es in dieser Position den geringsten Wind-, Wasser- und Wellenwiderstand aufweist. Störkräfte, die ein Schiff schräg angreifen, senken bei Querschubanlagen aufgrund ihrer technischen Konzeption den Wirkungsgrad noch weiter, da diese Anlagen nicht in Richtung der wirkenden Störkräfte eingestellt werden können, sondern über die Längs- und Querschubrichtung die Kräfte ausgleichen müssen.

Aus der DE-OS 22 45 166 ist eine Anordnung dieser Art zu entnehmen, bei der aber die Kräfte in X- und y-Richtung und das Drehmoment um die Z-Achse getrennt erfaßt und untersucht werden, um das Regelverhalten zu verbessern. Zur Erfassung der Positionsabweichungen werden Beschleunigungsmeßgeräte verwendet, die die Linearbeschleunigungen in den drei Richtungen messen und die entsprechenden Gegenkräfte veranlassen. Eine Positionierung über Querkräfte ist hier nicht vorgesehen.

Verfahren, die das auf ein Schiff einwirkende Stördrehmoment so auszuregeln versuchen, daß es zu Null wird, können dann keinen Erfolg liefern, wenn es sich um ein Schiff mit beispielsweise unsymmetrischen Aufbauten handelt. Dieses ist meistens bei den erwähnten Spezialfahrzeugen der Fall. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens kann darin gesehen werden, daß die Stördrehmomentenkurve innerhalb eines Winkels von π/2 zwei Minima aufweist, so daß bei plötzlichen Störkraftänderungen, z. B. durch Umspringen des Windes, instabile Zustände entstehen können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist darin zu sehen, ein Verfahren in Anwendung zu bringen, mit dem eine schnelle Positionierung eines Schiffes mittels einer optimierten Antriebsleistung gewährleistet ist, so daß die Auswirkung der Störkräfle über den Schiffskurs minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß, wenn der Kurs des Schiffes so zu den Störkräften gelegt wird, die Querkräfte zu Null werde»;-, und nur ein Reststörmoment auszugleichen ist. Dieses erfordert wegen der langen Hebelarme (Schiffslänge) nur eine geringe Leistung. Da dynamisch positionierende Schiffe leistungsmäßig für maximale Störkräfte ausgelegt sind, d. h. die meiste Zeit die Propeller im Teillastbereich arbeiten, können die Bugpropeller entlastet werden.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen weitere Erläuterungen gegeben werden. In

Fig. I ist ein Diagramm über die an einem Schiff angreifende Störkraft und das Störmoment sowie der Schubkräfte und Richtungen und in

F i g. 2 eine Regeleinrichtung nach der Erfindung in Zusammenwirkung mit der Gesamtanlage dargestellt.

Im Schwerpunkt S möge die Gesamtstörkraft F_SIOrga angreifen, die aus den Komponenten F_y„ör und F_xs,ör besteht. Sie möge unter dem Winkel <x_s,_är einfallen. Die Propellerantriebe des Schiffes sind mit P\ und Pi für die Heck- und Bugantriebseinrichtungen bezeichnet.

Die von ihnen erzeugten Schubkräfte F\ mit den Komponenten Fi* und F^ und Fi mit den Komponenten Fi_x und Fiy sind der Hauptstörkraft entgegengerichtet. Wenn vorausgesetzt wird, daß die Summe der Querkräfte ein Minimum werden soll entsprechend der Gleichung

Fyges= F\y+ Fiy= Minimum (Null)
so können die Regelgrößen aus folgenden Beziehungen

ewonnen werden.

) Bildung der Istwertgrößen aus den Meßwerten Fi, αϊ und Fi, «2

Fyg&= Fiy+ F2j,soU ein Minimum werden.

Für den Propellerantrieb P\ gilt dann

Fiv/Fi =sin αϊ oder F\_} = Fi · sin αϊ
und für Pz

F2/F2=sin a2 oder Fj^=Fi - sin «2

Daraus folgt für

Fi · sin αϊ+ F₂ · sina2

) Bildung der Istwertgrößen aus dem Sollwert F_ysoii

Fy son ist der Reglerausgang aus der y-Abweichung des Schiffes gegenüber dem y-SoIlwert und ist damii proportional der zu bildenden Schubgröße in y-Richtung F_ygcy. Wenn dieser Wert F_ysou als Ausregelgröße benutzt wird, hat sie den Vorteil gegenüber der Lösung nach a), daß die Verzögerungszeiten, die durch die Antriebe gegeben sind, entfallen. Weiterhin ist vorteilhaft, daß F_ysoii bereits aufbereitet vorliegt und somit keine weiteren Meßgeräte erforderlich sind.

) Meßwerterfassung von Schubgröße und -richtung der Heck- und Bugpropeller.
Durch vektorielle Addition der im Punkt S des Schiffes angreifenden Störvektoren nach Größe und Richtung zu der Gesamtstörgröße z. B. Strömungsrichturig, Strömungsgeschwindigkeit, Wind, Wellen, wobei die schiffsspezifischen Relationen zwischen den Störgrößen wie Windstärke und Windrichtung und den Widerstandswerten wie Windwiderstand des Schiffes Beachtung finden müssen, ergibt sich dann

slörges

sin a_slör

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oder

\vga 'störg

Die eben dargestellte Ableitung der Regelgröße bietet den Vorteil der sofortigen Eingabe der Größe Fstörgcs in den Rechner, ohne die Verzögerung durch die Schiffszeitkonstante, hat jedoch den Nachteil der Ungenauigkeit, da natürlich bei der Aufnahme der Störgrößen Ungenauigkeiten auf- w treten können.

i) Als weitere Möglichkeit ist die Kombination der in a) und c) bzw. a) und b) erwähnten Rechnungsgänge anzusehen. Wenn die Rechnung nach c) ohne Verzögerung in den Rechner eingegeben wird, erfolgt eine schnelle Grobregelung, der eine Feinregelung nach den ersten Rechnungsgängen a) und b) unterlagert wird. Durch die schiffsfesten Größen kann diese wesentlich genauer sein.

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Im Blockschaltbild nach Pig.2 faßt die senkrechte Linie oben links die auf das Schiff einwirkenden Störgrößen wie die Windgeschwindigkeit und -richtung, die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung sowie die Wellengeschwindigkeit und ihre Richtung zusammen. Block I stellt das physikalische Modell zur Bildung der Störgrößen dar, über den die Störkräfte und -momente auf das Schiff einwirken. Block 2 ermittelt aus den verschiedenen Einflußgrößen die Störkraft auf das Schiff in y-Richtung, also den Istwert der Gesamtquerkraft Fygeshi- In einer Vergleichsstelle 3 wird dieser Wert mit dem Sollwert F_ygeSsoa verglichen, der ein Minimum werden soll. Die Abweichung AF_yga wird einem Regler 4 zugeführt, der aus der Abweichung der Querkraft den Sollwert für den Schiffskurs ψ«,« bildet. Ein Vergleich mit dem gemessenen Schiffskurs φ« in Block 5 liefert die Kursabweichung Δτρ, die in einen weiteren Regler 6 eingeht und den Sollwert für das Drehmoment My_so//ergibt.

In einen Soll-Ist-Ortsvergleich 7 werden die Sollwerte für die Schiffslängskoordinate x_Ku und die Querkoordinate ysoii eingegeben und bei 8 und 9 mit den jeweiligen Istwerten verglichen. Die ermittelten Abweichungen Ax und Aygehen in die Regler 10 und ti ein zur Ermittlung des Längsschubs F_x son und des Querschubs F_ysoii- Aus den Eingangsgrößen Masoih F_XSoii und F_ysoii bildet eine fest verdrahtete oder freiprogrammierbare Logik für die Schubvefteilung 12 unter Einfügung eines Drehzahlbildners 13 die Drehzahlen η 1 und η Ziär die Heck- und Bugantriebe sowie weitere Eingangsgrößen für die Einrichtung 14 zur Schubbildung. Die Ausgangssignale dieser Einrichtung 14 stellen die Schubgrößen Fi urd F₂ sowie die Schubrichtungen αϊ und 1x2 dar, die als Kraftkomponenten auf das Schiff 15 wirken. Aus den Werten Fi, Fi, a.\, «2 wird in einem Rechner 16 der Istwert a ermittelt, der der Vergleichsstelle 3 zugeführt wird. Durch das Schiff 15 wird die sich ergebende Schiffsbewegung beschrieben, die eine Rückwirkung auf die äußeren Störgrößen hat.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende.

Die Eingangswerte für die Steuerautomatik zur Optimierung des Schiffskurses für die dynamische Positionierung können auf unterschiedliche Weise gewonnen werden:

e) Als Meßwerte dienen die Schubkräfte und Richtungen der Propulsionsmittel nach dem Recnengang a. Als Eingangswerte stehen demnach der Istwert der Summe der Schiffsquerkräfte F_ygeSist und der Sollwert der Summe der Schiffsquerkräfte FygesSoIi=O an der Vergleichsstelle 3 an. Ferner der Istkurs pin, der sich als Reaktion des Drehmomentes, das durch die Propeller auf das Schiff als Stellgröße wirkt, einstellt. Als Ausgangssignal der Steuerautomatik erscheint der Drehmoment-Sollwert Mdsoii. der durch eine Schubverteilung Block 12 in Steilwerte für Fi, αι und Fi, <X2 umgerechnet wird.

f) Aus der vektoriellen Addition der angreifenden Störvektoren wie Strömung, Wind und Weiler nach Größe und Richtung, die in den Regler 1 eiiigehen, wird die Gesamtstörkraft F_s,_drges ermittelt. Hierzu sind die schiffsspezifischen Relationen von Störgrößen, z. B. Windstärke und Richtung und den Widerstandswerten, ζ. Β. Windwiderstand erforderlich. In Fig.2 ist diese Möglichkeit durch den gestrichelt gezeichneten Block 2 dargestellt. Aus Block 2 entsteht als Ausgangssignal der Istwert der Gesamtstörgröße F_s(örf„ anstelle der Summe der Schiffsquerkräfte. Dieser Istwert sieht an der Vergleichsstelle 3 an.

Die Methode nach f) hat zwar den Vorteil, daß die Eingabe F_Vi,„„, früher als bei der Methode a) bzw. b) erfolgen kann. d. h. ohne Verzögerung durch die Scliiffszeitkonstantc. Sie stellt demnach eine Grobrege-

lung dar. der eine Feinregelung nach der Methode a) unterlagert ist. Mit der Überlagerung der Methoden a) und b) bzw. a) und c) kann die Umrechnung der Gesamtstellkraft auf die Antriebe erfolgen.

Die Festlegung der Einstellwertc des vorderen und hinteren Propellers nach Schubgröße Fund Richtung a muß der Bedingung genügen, daß die Propeller nicht gegeneinander arbeiten, d.h. Fi, und F?, gleiches Vorzeichen haben müssen. Die Bedingung hierfür lautet:

I F,, +F₃,1 >F,,

das bedeutet, daß der Betrag aus der Summe der ersten und der zweiten Größe gleich oder größer sein muß als die erste Größe.

Gemäß der Erfindung wird eine Automatik eingesetzt, die die Propeller so ansteuert, daß der Schub des hinterer. Propellers in Längsrichtung in einem variablen, aber absolut positiven Verhältnis zu dem des vorderen

il

= α (α stets positiv)

Da das Schiff während der Positionierung ständig mit dem Bug gegen die Störkräfte ausgerichtet liegt, wird durch ein Abtastregelgerät dns Verhältnis der Längsschübc Fi,/Fi, maximiert und nur durch die maximale Leistung von F\ begrenzt.

Hierdurch wird eine wesentliche Verminderung der zu installierenden Gesamtantriebsleitung erzielt. Diese ei gibt sich durch die Leistungsverschiebung vom vorderen zum hinteren Propellerantrieb durch:

I. ein vermindertes Einwirken des vorderen auf den hinteren Propeller, d. h. der Wirkungsgrad des hinteren Propellers wird größer, da die Eintrittsgeschwindigkeit nicht durch den vorderen Propellerstrahl beeinflußt wird.

II. eine Verminderung des Reibungswiderstandes des Schiffes, weil die erhöhte Anströmung durch den vorderen Propeller weitgehend entfällt und

III. Herausschalten eines von zwei oder zwei von drei vorderen Propellern, wenn die Leistungsverschiebung zu dem hinteren Propeller dieses erlaubt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Steuerautomatik zur Leistungsoptimieriing die Sollwerte für die Kräfte und das Moment als Eingangswerte hat. Sie errechnet die Einzelsollschübe nach den an sich bekannten Gleichungen für Momente und Kräfte. Durch eine fest verdrahtete oder programmierte Logik im Block 12 wird nun verhindert, daß die Schübe gegensinnig arbeiten und durch eine Abtastregelung wird d Äses Verhältnis zu einem Maximum gemacht, d. h. bis Fi -· Fi,,,.,, geworden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur selbsttätigen Positionierung eines Schiffes, insbesondere eines Bohrschiffes, mit dem dieses über eine Regelanordnung und Propulsionsmittel ortsfest gehalten und in Richtung der Hauptstörkräfte gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelanordnung (3, 4) als Regelgröße die Summe aller Istquerkräfte (Fy_gaai) zugeführt wird, wobei eine Grobregelung, die wahlweise von der Schiffsquerkraft (F_ysoi>) oder aus den Störkräften (F_ysrörges) abgeleitet wird, und eine Feinregelung, die aus dem Schub (F) und der Schubrichtung («) gebildet wird, gemeinsam angewendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die Schiffsquerkraft (Fyioiii der Regeleinrichtung (3, 4) als zusätzlicher Istwert (Fyga si) (b) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelie der Schiffsquerkraft (F_x„η) als zusätzlicher Istwert (F_yis,_gc^ (c) verwendet wird, der aus der vektoriellen Addition der Störgrößen ermittelt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine selbsttätige Einstellung der Schublängskräfte (Fi_x und p2_X) in einem variablen absolut positiven Verhältnis (F_xJFt_x=S) und der Maximierung dieses Verhältnisses durch ein Abtastregelgerät bis zur Erreichung d;r maximalen Schubkraft (F\_mla).