DE102016225093A1 - Method and device for wave compensation - Google Patents

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DE102016225093A1 DE102016225093.0A DE102016225093A DE102016225093A1 DE 102016225093 A1 DE102016225093 A1 DE 102016225093A1 DE 102016225093 A DE102016225093 A DE 102016225093A DE 102016225093 A1 DE102016225093 A1 DE 102016225093A1
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Abstract

Offenbart sind ein Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Wellengangskompensation mit einer Prädiktion bzw. mit einem Prädiktor zur Abschätzung der zukünftigen Relativbewegung zwischen einer Last und einer Zielposition sowie einer adaptiven Regelung. Die Prädiktion erfolgt mit einem Recursive-Least-Squares-Algorithmus.Disclosed are a method and apparatus for active wave compensation with a prediction or with a predictor for estimating the future relative movement between a load and a target position and an adaptive control. The prediction is performed using a recursive least-squares algorithm.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur aktiven Wellengangskompensation. Mit derartigen Systemen wird genau genommen nicht der Wellengang kompensiert, sondern die durch die Wellen induzierte Bewegung einer schwimmenden Einrichtung (z.B. Schiff oder Plattform) auf Grund des Wellengangs.The invention relates to a system for active wave compensation. Strictly speaking, such systems do not compensate for the swell but for the wave-induced movement of a floating device (e.g., ship or platform) due to the swell.

Eines der Hauptmerkmale und maßgeblicher störender Faktor bei Marine- und Offshore-Operationen ist die durch Wellen induzierte Bewegung der schwimmenden Einrichtungen. Bei Operationen wie z.B. dem Absetzen einer Last auf dem Meeresgrund/Schiff oder der Verlegung von Unterwasser-Pipelines muss auf ein so genanntes Wetterfenster gewartet werden, in dem ein ruhiger Wellengang vermutet wird, was zu hohen Kosten der Operation führt. Diesbezüglich werden Systeme zur Wellengangskompensation in der Marine- und Offshore-Technik eingesetzt um diese Bewegung zu kompensieren und gegebenenfalls das Wetterfenster bzw. das Operationszeitfenster zu erweitern.One of the main features and significant disturbing factor in marine and offshore operations is the wave induced movement of the floating equipment. For operations such as In the event of landing a load on the seabed / ship or laying underwater pipelines, it is necessary to wait for a so-called weather window in which a calm swell is suspected, resulting in high costs of the operation. In this regard, systems are used for wave compensation in marine and offshore technology to compensate for this movement and, where appropriate, to expand the weather window or the operating time window.

Das Ziel derartiger Systeme zur Wellengangskompensation ist die Regelung einer Position und/oder Geschwindigkeit einer Last (z.B. Pipeline oder Gangway). Der derzeitige Stand der Technik erlaubt im Wesentlichen die Einteilung in passive und aktive Systeme.The goal of such wave compensation systems is to control a position and / or velocity of a load (e.g., pipeline or gangway). The current state of the art essentially allows the division into passive and active systems.

Passive Systeme verwenden ein nachgiebiges Element (z.B. einen passiven Energiespeicher oder eine hydropneumatisch ausgeführte Feder), welches durch den Wellengang induzierte Lasten auf eine Hubeinheit der schwimmenden Einrichtung reduziert. Dies hat den Vorteil eines einfachen und günstigen Aufbaus jedoch mit beschränkter Kompensationsgüte.Passive systems use a compliant element (e.g., a passive energy store or hydropneumatic spring) which reduces load induced by the waves to a lifting unit of the floating device. This has the advantage of a simple and inexpensive construction but with limited compensation quality.

Die aktiven Systeme sehen einen zusätzlichen Aktor oder zumindest einen ergänzenden aktiven Eingriff in die Hubvorrichtung vor, wobei sie durch geeignete Regelungsstrategien eine deutlich verbesserte Kompensationsgüte erreichen. Die Aktuierung bzw. der aktive Eingriff kann auf hydraulischen Zylindern, Winden mit primär und sekundär geregelten Hydraulikmotoren oder elektrischen Motoren basieren.The active systems provide an additional actuator or at least a complementary active engagement in the lifting device, whereby they achieve a significantly improved compensation quality by means of suitable control strategies. The actuation may be based on hydraulic cylinders, winches with primary and secondary controlled hydraulic motors or electric motors.

In der Druckschrift EP 1 070 828 A2 ist ein aktives System zur Wellengangskompensation gezeigt. Dazu ist eine Messvorrichtung (Motion Reference Unit, MRU) vorgesehen, die die Bewegung der schwimmenden Einrichtung erfasst, die dann korrigierend in Form einer Vorsteuerung in den Regelkreis eingeprägt wird. Auf Basis des Regelkreises erfolgt eine aktive Manipulation der Aktoren.In the publication EP 1 070 828 A2 an active system for wave compensation is shown. For this purpose, a measuring device (Motion Reference Unit, MRU) is provided, which detects the movement of the floating device, which is then impressed in the control loop in the form of a precontrol. Based on the control loop, an active manipulation of the actuators takes place.

Nachteilig an derartigen aktiven Regelungen ist die zeitliche Verzögerung, die maßgeblich durch den Delay des geschlossenen Regelkreises bestimmt wird, welcher durch den Controller, die Charakteristik der jeweils verbauten mechanischen Komponenten, die Dynamik des Gesamtsystems und die Signalverzögerungen in Folge des Messsystems (Bus-Delays, Update Zeitpunkte, etc.) beeinflusst wird.A disadvantage of such active regulations is the time delay, which is largely determined by the delay of the closed loop, which by the controller, the characteristics of each installed mechanical components, the dynamics of the entire system and the signal delays due to the measurement system (bus delays, Update times, etc.) is affected.

Das aktive System zur Wellengangskompensation gemäß der Druckschrift EP 2 123 588 A1 hat daher neben der Messvorrichtung eine Prognosevorrichtung, die eine Prädiktion (Vorhersage) der Bewegung der schwimmenden Einrichtung für die nahe Zukunft ermittelt, die ebenfalls in die Regelung der Hubvorrichtung eingeprägt wird. Dabei wird ein Algorithmus zur Prädiktion verwendet.The active system for wave compensation according to the document EP 2 123 588 A1 Therefore, in addition to the measuring device, it has a prediction device which determines a prediction (prediction) of the movement of the floating device for the near future, which is also impressed into the regulation of the lifting device. An algorithm for prediction is used.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Verbesserung der Performance mit einer vorausschauenden Regelungsstrategie. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen sich mit geringem Aufwand in bestehende Regelsysteme integrieren lassen. Insbesondere sollen das Verfahren und die Vorrichtung im Gegensatz zu Veröffentlichungen des Standes der Technik ohne Veränderung in bestehenden Regelungssystems eingesetzt werden (Add-On Lösung).The object of the invention is to provide a method and a device for improving the performance with a predictive control strategy. The method and the device should be able to be integrated with little effort into existing control systems. In particular, the method and the device, in contrast to publications of the prior art without change in existing control system to be used (add-on solution).

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur aktiven Wellengangskompensation mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur aktiven Wellengangskompensation mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.This object is achieved by a method for active wave compensation with the features of patent claim 1 and by an apparatus for active wave compensation with the features of claim 13.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.Further advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.

Mit dem beanspruchten Verfahren wird eine aktive Wellengangskompensation durchgeführt, in dem eine Relativbewegung zwischen einer Zielposition (z.B. dem Meeresgrund oder einem Deck einer schwimmenden Einrichtung) und einer Last (z.B. einer Pipeline oder einer Gangway) zumindest teilweise kompensiert wird. Das Verfahren weist folgende wiederholt durchgeführte Schritte auf:

  • - Messen der aktuellen Relativbewegung und
  • - Vorausberechnen der zukünftigen Relativbewegung.
With the claimed method, an active wave compensation is performed in which a relative movement between a target position (eg, the seabed or a deck of a floating device) and a load (eg, a pipeline or a gangway) is at least partially compensated. The method has the following repeated steps:
  • - Measuring the current relative movement and
  • - Predict the future relative movement.

Erfindungsgemäß basiert das Vorausberechnen auf einem Recursive-Least-Squares-Algorithmus.According to the invention, the prediction is based on a recursive least-squares algorithm.

Um die gleiche Kompensationsgüte zu erreichen, können bei Verfahren mit Vorausberechnung gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigere Komponenten eingesetzt werden. Weiterhin ermöglicht das Verfahren sehr geringe Integrationskosten. Schließlich ermöglicht das Verfahren eine Add-On-Lösung für bestehende Systeme.In order to achieve the same compensation quality, more cost-effective components can be used in methods with advance calculation in comparison with the prior art. Furthermore, the method allows very low integration costs. Finally, the method enables an add-on solution for existing systems.

Gemäß einer ersten Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung zumindest eines Aktors einer ortsfesten - insbesondere am Ufer angeordneten - Hubeinrichtung ausgelegt sein, wobei die Bewegung der Last an die Bewegung einer schwimmenden Einrichtung angepasst werden soll.According to a first embodiment, the inventive method for controlling at least one actuator of a fixed - be arranged in particular on the shore - lifting device, the movement of the load to be adapted to the movement of a floating device.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann die schwimmende Einrichtung die Hubeinrichtung aufweisen, so dass die Last ruhend bzw. ortsfest gehalten werden soll - z.B. über dem Meeresgrund. Die zweite Ausführungsform des Verfahrens kann z.B. an einem Offshorekran, einem Kranschiff, einer Offshore Gangway, einer Bohrpattform oder einem Bohrschiff eingesetzt werden.In a second preferred embodiment, the floating device may comprise the lifting device so that the load is to be held stationary - e.g. over the seabed. The second embodiment of the method may e.g. be used on an offshore crane, a crane ship, an offshore gangway, a drilling platform or a drill ship.

Gemäß einer dritten Ausführungsform weist auch die schwimmende Einrichtung die Hubeinrichtung auf, wobei (abweichend von der zweiten Ausführungsform) die Last an die Bewegung einer weiteren schwimmenden Einrichtung angepasst werden soll. Dabei kann vorzugsweise eine optische Messtechnik eingesetzt werden, um die Relativbewegung der beiden schwimmenden Einrichtungen zueinander zu erfassen. Bei der dritten Ausführungsform kann es sich also um eine Schiff-zu-Schiff-Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens handeln.According to a third embodiment, the floating device also has the lifting device, wherein (different from the second embodiment) the load is to be adapted to the movement of another floating device. In this case, preferably an optical measuring technique can be used to detect the relative movement of the two floating devices to each other. The third embodiment may therefore be a ship-to-ship application of the method according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur zur Kompensation einer vertikalen (Tauch-) Bewegung (Heave) sondern auch für die weiteren fünf Freiheitsgrade der Bewegung der schwimmenden Einrichtung weitergebildet sein. Also für lineare Bewegungen entlang der Längsachse und/oder lineare Bewegungen entlang der Querachse und/oder rotatorische Gierbewegungen um die senkrechte Achse und/oder Rollbewegungen um die Längsachse und/oder Nickbewegungen um die Querachse der schwimmenden Einrichtung.The inventive method can be developed not only to compensate for a vertical (immersion) movement (Heave) but also for the other five degrees of freedom of movement of the floating device. Thus, for linear movements along the longitudinal axis and / or linear movements along the transverse axis and / or rotational yawing movements about the vertical axis and / or rolling movements about the longitudinal axis and / or pitching movements about the transverse axis of the floating device.

Vorzugsweise weist das Verfahren folgenden ergänzenden Schritt auf: Ermittlung einer dominierende Frequenz der Bewegung, z.B. das für die Nordsee typische Jonswap Spektrum.Preferably, the method comprises the following supplementary step: determination of a dominant frequency of the movement, e.g. the typical Jonswap spectrum for the North Sea.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren mit einem geschlossenen Regelkreis durchgeführt.According to a first embodiment, the method is performed with a closed loop.

Vorzugsweise weist das Verfahren folgenden ergänzenden Schritt auf: Durchführung einer offline Übertragungsfunktion des Regelkreises.Preferably, the method has the following additional step: performing an offline transfer function of the control loop.

Vorzugsweise weist das Verfahren folgenden ergänzenden Schritt auf: Bestimmung einer Phasenverschiebung des Regelkreises.Preferably, the method has the following additional step: determination of a phase shift of the control loop.

Vorzugsweise weist das Verfahren folgenden ergänzenden Schritt auf: Bestimmung einer Prädiktionszeit in Abhängigkeit der Update-Rate basierend auf der ermittelten Phasenverschiebung.Preferably, the method has the following additional step: determination of a prediction time as a function of the update rate based on the determined phase shift.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Verfahren adaptiv und weist folgenden ergänzenden Schritt auf: Durchführung einer Feed-Forward-Inversion des geschlossenen Regelkreises. Damit kann die Performance des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter verbessert werden.According to a second embodiment, the method is adaptive and has the following supplementary step: carrying out a feed-forward inversion of the closed-loop control. Thus, the performance of the method according to the invention can be further improved.

Vorzugsweise weist das Verfahren folgenden ergänzenden Schritt auf: Modifizierung von Eigenschaften eines adaptiven Reglers in Abhängigkeit der Prozessdynamik.Preferably, the method has the following additional step: modification of properties of an adaptive controller as a function of the process dynamics.

Vorzugsweise weist das Verfahren folgenden ergänzenden Schritt auf: Durchführung einer online Parameterschätzung des geschlossenen Regelkreises in Echtzeit.Preferably, the method has the following additional step: performing an online parameter estimation of the closed-loop control in real time.

Die Durchführung der online Parameterschätzung des geschlossenen Regelkreises basiert vorzugsweise auf einem Algorithmus, der eine stabile Inversion eines geschätzten Modells vornimmt.The execution of the closed loop closed loop parameter estimation is preferably based on an algorithm that performs a stable inversion of an estimated model.

Die beanspruchte Vorrichtung dient zur aktiven Wellengangskompensation, wobei eine Relativbewegung zwischen einer Zielposition (z.B. dem Meeresgrund oder einem Deck einer schwimmenden Einrichtung) und einer Last (z.B. einer Pipeline oder einer Gangway) zumindest teilweise kompensierbar ist. Dazu hat die Vorrichtung eine Messeinrichtung zur Erfassung der aktuellen Relativbewegung und einen als Prognoseeinrichtung eingesetzten Prädiktor zum Vorausberechnen der zukünftigen Relativbewegung. Erfindungsgemäß basiert der Prädiktor auf einem Recursive-Least-Squares-Algorithmus. The claimed device is used for active wave compensation, wherein a relative movement between a target position (eg the seabed or a deck of a floating device) and a load (eg a pipeline or a gangway) is at least partially compensated. For this purpose, the device has a measuring device for detecting the current relative movement and a predictor used as a predictor for predicting the future relative movement. According to the invention, the predictor is based on a recursive least-squares algorithm.

Um die gleiche Kompensationsgüte zu erreichen, können bei Vorrichtungen mit Prädiktor gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigere Komponenten eingesetzt werden. Weiterhin ermöglicht die Vorrichtung sehr geringe Integrationskosten. Schließlich ermöglicht die Vorrichtung eine Add-On-Lösung für bestehende Vorrichtungen.In order to achieve the same degree of compensation, components with predictors over the prior art can use less expensive components. Furthermore, the device allows very low integration costs. Finally, the device enables an add-on solution for existing devices.

Die vorgenannten Weiterbildungen des Verfahrens können auch bevorzugte Weiterbildungen der Vorrichtung sein.The aforementioned developments of the method may also be preferred developments of the device.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Summationsglied, über das ein Ausgangssignal des Prädiktors und ein Ausgangssignal eines Bedienelements addierbar sind.In a preferred embodiment, the device according to the invention has a summation element via which an output signal of the predictor and an output signal of a control element can be added.

Mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur aktiven Wellengangskompensation sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.Several embodiments of the method and the device according to the invention for active wave compensation are shown in the drawings. With reference to the figures of these drawings, the invention will now be explained in more detail.

Es zeigen

  • 1 in einer schematischen Darstellung ein Schiff mit einer am Boden abzusetzenden Last mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wellengangskompensation,
  • 2 eine Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 3 ein Diagramm mit der Darstellung der Bewegung der Last ohne und mit erfindungsgemäßem Verfahren bzw. ohne und mit erfindungsgemäße Vorrichtung; und
  • 4 eine Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Show it
  • 1 in a schematic representation of a ship with a load to be placed on the ground with the device according to the invention for swell compensation,
  • 2 a circuit diagram of a first embodiment of the method according to the invention,
  • 3 a diagram showing the movement of the load without and with inventive method or without and with inventive device; and
  • 4 a circuit diagram of a second embodiment of the method according to the invention.

1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Welle 1 einer Meeresoberfläche, auf der ein Schiff 3 schwimmt. Aufgrund der Welle 1 führt das Schiff 3 eine Bewegung (heave) ht aus, welche von der Welle 1 abweichen kann, und die in 1 mit einem Doppelpfeil symbolisiert ist. 1 shows in a simplified representation of a wave 1 a sea surface on which a ship 3 swims. Because of the wave 1 leads the ship 3 a movement (heave) h t from which of the shaft 1 may differ, and those in 1 symbolized by a double arrow.

Auf dem Schiff 3 ist ein Kran 4 montiert, über dessen Winde 6 eine Last m zum Meeresgrund 8 abgesenkt werden soll. Die Winde hat eine Drehgeschwindigkeit ω. Dabei hat die Last m eine Position z und wird mit einer Geschwindigkeit v abgesenkt.On the ship 3 is a crane 4 mounted over its winds 6 a burden m to the seabed 8th should be lowered. The winch has a turning speed ω , It has the load m a position z and will be at a speed v lowered.

Verallgemeinert ausgedrückt ist die Bewegung ht des Schiffes 3 eine Relativbewegung ht zwischen einer schwimmenden Einrichtung 3 und einer Zielposition 8.Generally speaking, the movement is h t of the ship 3 a relative movement h t between a floating device 3 and a target position 8th ,

Gemäß 2 wird die Bewegung ht des Schiffes zum Zeitpunkt t durch eine Messeinrichtung (MRU) 10 gemessen und als Eingangswert zur Schätzung des zukünftigen Wertes ht+1 verwendet. Die Schätzung basiert auf einem Recursive Least Squares (RLS) Algorithmus.According to 2 becomes the movement h t of the vessel at time t by a measuring device (MRU) 10 measured and as an input to estimate the future value h t + 1 used. The estimate is based on a recursive least squares (RLS) algorithm.

Zur Schätzung wird ein lineares Modell Θ h t + 1 = h t T θ t

Figure DE102016225093A1_0001
verwendet, wobei der Messdaten-Vektor h t T
Figure DE102016225093A1_0002
aus N Messungen bis zum Zeitpunkt t besteht, und wobei θ
Figure DE102016225093A1_0003
die Koeffizienten sind.The estimation becomes a linear model Θ H t + 1 = H t T θ t
Figure DE102016225093A1_0001
used, with the measured data vector H t T
Figure DE102016225093A1_0002
consists of N measurements up to the time t, and where θ
Figure DE102016225093A1_0003
the coefficients are.

Zunächst wird der sogenannte Kalman-Verstärkungsvektor K t = P t 1 h t 1 λ + h t 1 T P t 1 h t 1

Figure DE102016225093A1_0004
berechnet, wobei λ (0≤λ≤1) der sogenannte Forgetting Factor und Pi die inverse Korrelationsmatrix der Messdaten sind.First, the so-called Kalman gain vector K t = P t - 1 H t - 1 λ + H t - 1 T P t - 1 H t - 1
Figure DE102016225093A1_0004
where λ (0≤λ≤1) is the so-called forgetting factor and P i is the inverse correlation matrix of the measured data.

Der Apriori-Fehler ε zwischen dem aktuellen Messwert ht und dem geschätzten Wert ht+1 wird anschließend als ε t = h t h t 1 T θ t 1

Figure DE102016225093A1_0005
bestimmt.The apriori error ε between the current measured value h t and the estimated value h t + 1 is then called ε t = H t - H t - 1 T θ t - 1
Figure DE102016225093A1_0005
certainly.

Die Koeffizienten θt werden anhand der Gleichung θ t = θ t 1 + K t ε t

Figure DE102016225093A1_0006
und die inverse Korrelationsmatrix Pt anhand P t = P t 1 K t h t 1 T P t 1 λ
Figure DE102016225093A1_0007
aktualisiert.The coefficients θ t are calculated using the equation θ t = θ t - 1 + K t ε t
Figure DE102016225093A1_0006
and the inverse correlation matrix P t based P t = P t - 1 - K t H t - 1 T P t - 1 λ
Figure DE102016225093A1_0007
updated.

Anschließend wird eine Schätzung der Bewegung bzw. der Messwerte zu einem Zeitpunkt t+n berechnet. Dazu wird iterativ ein neuer Messdaten-Vektor entsprechender Länge erzeugt und mit dem Koeffizienten-Vektor θ t

Figure DE102016225093A1_0008
multipliziert h t + n = ( h t N + n 1 , h t N + n , H t + n 1 ) θ t
Figure DE102016225093A1_0009
Subsequently, an estimate of the movement or the measured values is calculated at a time t + n. For this purpose, a new measurement data vector of corresponding length is generated iteratively and with the coefficient vector θ t
Figure DE102016225093A1_0008
multiplied H t + n = ( H t - N + n - 1 . H t - N + n . H t + n - 1 ) θ t
Figure DE102016225093A1_0009

Die Erfindung richtet sich auf eine Erweiterung eines bestehenden AHC Systems zur Wellengangskompensation. Das bedeutet, dass ein bestehender Regler 16, der bei den gezeigten Ausführungsbeispielen als PID-Regler ausgebildet ist, durch Einbeziehen zukünftiger Informationen zur Bewegung eine verbesserte Performance erlaubt. Dem entsprechend gliedert sich die erweiterte Struktur in eine „Vorhersage der Bewegung“ und eine „aktive Vorsteuerung“.The invention is directed to an extension of an existing AHC system for swell compensation. That means an existing controller 16 , which is formed in the illustrated embodiments as a PID controller, by incorporating future information about movement allows improved performance. Accordingly, the extended structure is divided into a "prediction of movement" and an "active precontrol".

Die Performance des Systems zur aktiven Wellengangskompensation wird maßgeblich durch den Delay des geschlossenen Regelkreises 14 bestimmt, welcher durch den Regler 16, die Charakteristik der jeweils verbauten mechanischen Komponenten und die Signalverzögerungen in Folge der Messeinrichtung 10 (Bus-Delays, Update Zeitpunkte, etc.) beeinflusst wird.The performance of the system for active wave compensation is determined by the delay of the closed loop 14 determined by the controller 16, the characteristics of each installed mechanical components and the signal delays due to the measuring device 10 (Bus delays, update times, etc.) is affected.

Durch den Einsatz eines Prädiktors 12 in der Vorsteuerung kann durch einen geeigneten Prädiktionshorizont eine Kompensation dieser Verzögerungen des geschlossenen Regelkreises 14 vorgenommen werden.By using a predictor 12 in the feedforward control can compensate for these delays of the closed loop by a suitable prediction horizon 14 be made.

Die Eigenschaft des Prädiktors 12 bedingt einen periodischen Verlauf der Eingangsgröße ht um einen möglichst genau Vorhersage ht+1 treffen zu können. Dies ist durch die Charakteristik der Wellen 1 und dem entsprechend auch der trägeren Bewegung ht des Schiffes 3 gegeben.The property of the predictor 12 requires a periodic course of the input variable h t to be as accurate as possible h t + 1 to meet. This is due to the characteristics of the waves 1 and accordingly the slower movement h t of the ship 3 given.

Zur Ermittlung der optimalen Prädiktionszeit wird eine offline Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises 14 durchgeführt. Des Weiteren wird bei der bekannten dominierenden Frequenz der Wellenbewegung ht (z.B. bei Jonswap Spektrum) die Phasenverschiebung des geschlossenen Regelkreises 14 bestimmt. Basierend auf der ermittelten Phasenverschiebung wird in Abhängigkeit der Update Rate die Prädiktionszeit bestimmt.To determine the optimal prediction time becomes an offline transfer function of the closed loop 14 carried out. Furthermore, at the known dominant frequency of wave motion h t ( z .B. in jonswap spectrum) the phase shift of the closed loop 14 certainly. Based on the determined phase shift, the prediction time is determined as a function of the update rate.

Die über ein Summationsglied 23 gebildete Summe der prädiktierten zukünftigen Bewegung ht+1 und eines Benutzerkommandos eines Bedienelements 24 stellt den Eingang des Systems zur aktiven Wellengangskompensation gemäß dem Stand der Technik dar. Die innere Struktur des Systems des Standes der Technik muss nicht geändert werden.The over a summation member 23 formed sum of the predicted future movement h t + 1 and a user command of a control 24 represents the input of the prior art active wave compensation system. The internal structure of the prior art system need not be changed.

Eine Simulation beider Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur aktiven Wellengangskompensation kombiniert mit dem Prädiktor 12 wird in 3 dargestellt. Es sind die Ergebnisse für das Beispielschiff 3 mit repräsentativen Bewegungsdaten ht gezeigt. Dabei sind vier verschiedene Geschwindigkeiten v der Last m über der Zeit aufgetragen. Die gestrichelte Kurve zeigt die Bewegungsgeschwindigkeit ht des Schiffes und damit auch die Geschwindigkeit v der Last m ohne Kompensation. Weiterhin zeigt die Kurve 19 die Geschwindigkeit v der Last m mit aktiver Wellengangskompensation gemäß dem Stand der Technik. Kurve 20 zeigt die Geschwindigkeit v der Last m mit erfindungsgemäßer aktiver Wellengangskompensation gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit Phasenverschiebung. Kurve 21 zeigt die Geschwindigkeit v der Last m mit erfindungsgemäßer aktiver Wellengangskompensation gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit dem adaptiven Verfahren.A simulation of both embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention for active wave compensation combined with the predictor 12 is in 3 shown. These are the results for the sample ship 3 with representative movement data h t shown. There are four different speeds v the load m applied over time. The dashed curve shows the movement speed h t of the ship and thus the speed v the load m without compensation. Further shows the curve 19 the speed v the load m with active wave compensation according to the prior art. Curve 20 shows the speed v the load m with inventive active swell compensation according to the first embodiment with phase shift. Curve 21 shows the speed v the load m with inventive active swell compensation according to the second embodiment with the adaptive method.

In der Simulation anhand des Beispielschiffes 3 mit repräsentativen Bewegungsdaten ht konnte eine Performanceverbesserung der Kompensation der Schiffsbewegung ht erreicht werden.In the simulation based on the sample ship 3 with representative movement data h t was able to improve the performance of the compensation of ship movement h t be achieved.

In Ergänzung zum oben beschriebenen Verfahren kann die Performance mit Hilfe einer Feed-Forward Inversion der Regelstrecke zusätzlich verbessert werden.In addition to the procedure described above, the performance can be further improved by means of a feed-forward inversion of the controlled system.

Ein Nachteil des oben beschriebenen Verfahrens besteht in der Notwendigkeit einer offline Phasenverzögerungsanalyse, welche durch eine Erweiterung gemäß 4 gelöst wird.A disadvantage of the method described above is the need for an offline phase delay analysis, which is achieved by an extension according to 4 is solved.

Ein adaptiver Regler 22 modifiziert seine Eigenschaften in Abhängigkeit der Prozessdynamik und der Charakteristik der Bewegung ht des Schiffs 3. Der Adaptionsprozess erfordert eine zusätzliche online Parameterschätzung mittels eines Parameter-Schätzers 26 des geschlossenen Regelkreises 14 in Echtzeit. Der Parameter-Schätzer 26 basiert auf einem Algorithmus der eine stabile Inversion des geschätzten Modells vornimmt. Die prädiktierte Bewegungsinformation wird in die Berechnung der Stellgröße des Adaptiv-Controllers miteinbezogen.An adaptive controller 22 modifies its properties depending on the process dynamics and the characteristics of the movement h t of the ship 3 , The adaptation process requires an additional online parameter estimation by means of a parameter estimator 26 of the closed loop 14 Real time. The parameter estimator 26 is based on an algorithm that performs a stable inversion of the estimated model. The predicted motion information is included in the calculation of the manipulated variable of the adaptive controller.

Offenbart sind ein Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Wellengangskompensation mit einer Prädiktion bzw. mit einem Prädiktor zur Abschätzung der zukünftigen Relativbewegung zwischen einer Last und einer Zielposition sowie einer adaptiven Regelung. Die Prädiktion erfolgt mit einem Recursive-Least-Squares-Algorithmus.Disclosed are a method and apparatus for active wave compensation with a prediction or with a predictor for estimating the future relative movement between a load and a target position and an adaptive control. The prediction is performed using a recursive least-squares algorithm.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Wellewave
33
schwimmende Einrichtung/Schifffloating facility / ship
44
Hubeinrichtung / KranLifting device / crane
66
Windewinch
88th
Zielposition / MeeresgrundTarget position / seabed
1010
Messeinrichtungmeasuring device
1212
Prädiktorpredictor
1414
geschlossener Regelkreisclosed loop
1616
Reglerregulator
1818
Kurve ht Curve h t
1919
Kurve Regelung gemäß Stand der TechnikCurve control according to the prior art
2020
Kurve Regelung mit PhasenverschiebungCurve control with phase shift
21 21
Kurve adaptives VerfahrenCurve adaptive method
2222
adaptiver Regleradaptive controller
2323
SummationsgliedSummation member
2424
Bedienelementoperating element
2626
Parameter-Schätzer Parameter Estimates
ht h t
aktuelle Relativgeschwindigkeit/ Bewegungcurrent relative speed / movement
ht+1 h t + 1
zukünftige Relativgeschwindigkeit/ Bewegungfuture relative speed / movement
mm
Lastload
zz
Position der LastPosition of the load
vv
Geschwindigkeit der LastSpeed of the load
ωω
Drehgeschwindigkeit der WindeTurning speed of the winch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1070828 A2 [0006]EP 1070828 A2
  • EP 2123588 A1 [0008]EP 2123588 A1 [0008]

Claims (15)

Verfahren zur aktiven Wellengangskompensation, mit dem eine Relativbewegung (ht) zwischen einer Zielposition (8) und einer Last (m) zumindest teilweise kompensiert wird, mit den Schritten: - Messen der aktuellen Relativbewegung (ht) und - Vorausberechnen der zukünftigen Relativbewegung (ht+1), dadurch gekennzeichnet, dass das Vorausberechnen auf einem Recursive-Least-Squares-Algorithmus basiert.Method for active wave compensation, with which a relative movement (h t ) between a target position (8) and a load (m) is at least partially compensated, comprising the steps of: - measuring the current relative movement (h t ) and - predicting the future relative movement ( h t + 1 ), characterized in that the prediction is based on a recursive least squares algorithm. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zielposition (8) ruht oder an einer schwimmenden Einrichtung angeordnet ist, und wobei die Last (m) an eine Hubeinrichtung (4) einer schwimmenden Einrichtung (3) gekoppelt ist.Method according to Claim 1 , wherein the target position (8) rests or is arranged on a floating device, and wherein the load (m) is coupled to a lifting device (4) of a floating device (3). Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Messen und das Vorausberechnen für einen der sechs Freiheitsgrade der zumindest einen schwimmenden Einrichtung (3) oder für eine beliebige Kombination der Freiheitsgrade erfolgt.Method according to Claim 2 wherein the measuring and the prediction are done for one of the six degrees of freedom of the at least one floating device (3) or for any combination of the degrees of freedom. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Schritt: - Ermittlung einer dominierende Frequenz der Relativbewegung (ht).Method according to one of the preceding claims with the step: - Determining a dominant frequency of the relative movement (h t ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mit einem geschlossenen Regelkreis (14) durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, which is carried out with a closed loop (14). Verfahren nach Anspruch 5 mit dem Schritt: - Durchführung einer offline Berechnung der Übertragungsfunktion des Regelkreises (14).Method according to Claim 5 with the step: - performing an offline calculation of the transfer function of the control loop (14). Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, mit dem Schritt: - Bestimmung der Phasenverschiebung des Regelkreises (14).Method according to Claim 5 or 6 , with the step: - Determining the phase shift of the control loop (14). Verfahren nach Anspruch 7, mit dem Schritt: - Bestimmung der Prädiktionszeit in Abhängigkeit der Update-Rate basierend auf der Phasenverschiebung.Method according to Claim 7 comprising the step of: - determining the prediction time as a function of the update rate based on the phase shift. Verfahren nach Anspruch 5 mit dem Schritt: - Durchführung einer Feed-Forward-Inversion des geschlossenen Regelkreises.Method according to Claim 5 with the step: - Carrying out a feed-forward inversion of the closed-loop control. Verfahren nach Anspruch 9, mit dem Schritt: - Modifizierung von Eigenschaften eines adaptiven Reglers (22) in Abhängigkeit der Relativbewegung (ht) und der Prozessdynamik.Method according to Claim 9 , comprising the step: - modifying properties of an adaptive controller (22) as a function of the relative movement (h t ) and the process dynamics. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, mit dem Schritt: - Durchführung einer online Parameterschätzung des geschlossenen Regelkreises (14) in Echtzeit.A method according to claims 9 or 10, comprising the step: - Performing an online parameter estimation of the closed loop (14) in real time. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt: - Durchführung der online Parameterschätzung auf einem Algorithmus basiert, der eine stabile Inversion des geschätzten Modells vornimmt.Method according to Claim 11 wherein the step of: - performing the online parameter estimation is based on an algorithm that performs a stable inversion of the estimated model. Vorrichtung zur aktiven Wellengangskompensation, mit der eine Relativbewegung (ht) zwischen einer Zielposition (8) und einer Last (m) zumindest teilweise kompensierbar ist, wobei die Vorrichtung eine Messeinrichtung (10) zur Erfassung der aktuellen Relativbewegung (ht) und einen Prädiktor (12) zur Vorausberechnung der zukünftigen Relativbewegung (ht+1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Prädiktor (12) auf einem Recursive-Least-Squares-Algorithmus basiert.Device for active wave compensation, with which a relative movement (h t ) between a target position (8) and a load (m) is at least partially compensated, wherein the device comprises a measuring device (10) for detecting the current relative movement (h t ) and a predictor (12) for predicting the future relative movement (h t + 1 ), characterized in that the predictor (12) is based on a recursive least squares algorithm. Vorrichtung nach Anspruch 13, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 12 ausgelegt ist.Device after Claim 13 to carry out the method according to one of Claims 2 to 12 is designed. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14 mit einem Summationsglied (23), über das ein Ausgangssignals des Prädiktors (12) und ein Ausgangssignals eines Bedienelements (24) addierbar sind.Device after Claim 13 or 14 with a summation element (23), via which an output signal of the predictor (12) and an output signal of a control element (24) can be added.
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