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Regeleinrichtung für eine Tankstabilisierungsanlage mit veränderlicher
Eigenfrequenz Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung zur Angleichung
der Frequenz einer Tankstabilisierungsanlage mit einer durch eine Verstellvorrichtung
veränderlichen Tankeigenfrequenz an die durch den Seegang hervorgerufenen Schiffsschwingungen
unter Bildung einer Regelabweichung aus der derjeweiligen Schiffsschwingung zugeordneten
Tankwasserschwingung als Sollwert und aus der tatsächlichen Tankwasserschwitigung
als Istwert.
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Bekanntlich ergibt sich die beste stabilisierende Wirkung, wenn die
Eigenfrequenz der schwingenden Wassersäule in den U-förmigen Stabilisierungstanks
einer Tankstabilisierungsanlage gleich der Frequenz des durch den Seegang zur Schwingung
angeregten Schiffes ist (Resonanz). In diesem Fall stellt sich ein stationärer Schwingungszustand
ein, bei dem die Wassers-äule immer in den sich aufwärts bewegenden Teil der Tankanlage
strömt, wodurch in jeder Phase ein in seiner Größe und Richtung optimales durch
den Tatik aufgebrachtes Stabilisierungsmoment entsteht und die Schlingerbewegungen
des Schiffes damit optimal gedämpft werden. Bei sich ändernder Frequenz des Schiffes
nimmt die stabilisierende Wirkung bei unveränderter Tanklage nach beiden Seiten
des Resonanzputiktes hin ab, und die Winkelausschläge des schwingenden Schiffes
nehmen zu und werden von einem bestimmten Wert an größer als bei einem Schiff ohne
Tankstabilisierung.
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Es ist bekannt. bei aktivierten Tankstabilisierungsanlagen die Durchflußmenge
mit Hilfe einer Regeleinrichtung derart zu beeinflussen, daß die Frequenz der Tankwasserschwingung
an die Schiffsschwingung züi gleicher Frequenz angepaßt wird. Die Regeleinrichtung
umfaßt einen Meßwertumformer. über den den jeweiligen Schiffsrollwinkeln zugeordnete,
um 90 phasenverschobene Tankwasserwinkei als Sollwerte ermittelt werden.
Der Soll-Tankwasserwinkel wird mit dem tatsächlichen Ist-Tankwasserwinkel verglichen
und die sich ergebende Regelabweichung einer Verstellvorrichtung zugeführt. über
die die Durchflußmenge verändert wird. Es ist weiterhin bekannt, zur Regelung einer
Regelabweichung die zweite zeitliche Ableitung der Soll-Ist-Differenzwerte der Tankwasserstände
bzw. Tankwasserwinkei heranzuziehen. In beiden Fällen bereitet eine einwandfreie
Messung der Ist-Tankwasserschwingung Schwierigkeiten, denn der Tankwasserwinkel
läßt sich z. B. über eine Messung des jeweiligen Differenzdruckes oberhalb der beiden
Tankwassersäulen oder durch die Erfassung der Wasserstandsdifferenz mittels Schwimnier
bei kontinuierlicher Messung nur schwerlich genau erfassen. Gleichfalls schwierig
ist eine Messung der Tankwasserbeschleunigung. Eine derartige Regeleinrichtung arbeitet
also trotz hohem meßtechnischern Aufwand sehr ungenau.
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Es ist weiterhin bekannt, daß bei einer Einrichtung zur Steuerung
der Phasenverschiebung bei Schiffsstabilisierungsanlagen mittels eines Periodenmeßgerätes
die Kommandogabe flür dieses Periodenmeßgerät beim Nulldurchgang und im Umkehrpunkt
der Schiffsschwingungen erfolgt.
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Die Erfindung schlägt deshalb zur Verringerung des meßtechnischen
Aufwandes und Steigerung der Regelgenauigkeit vor, daß zur Bildung der Regelabweichung
die Ist-Tankwassergeschwindigkeit mit der aus dem Schiffsrollwinkel q (t) oder einer
seiner zeitlichen Ableitungen gebildeten Soll-Tankwassergeschwindigkeit verglichen
wird und die Regelabweichung zur Gewinnung eines Stellsignals für die Verstellvorrichtung
(18) dient. Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß die Messung
der Tankwassergeschwindigkeit z. D. mittels eines Staurohres bei geringem
Aufwand wesentlich zuverlässiger und genauer erfolgen kann.
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Da im Resonanzfall Schiffsrollwinkel und Tankwasserwinkel um
90" phasenverschoben sind, ergibt sich aus dieser Zuordnung aus dem jeweiligen
Rollwinkel der Sollwert des Tankwasserwinkels. In F i g. 1 a sind die zeitlichen
Verläufe im Resonanzfall von Schiffsrollwinkel (1 (t) und seiner zeitlichen Ableitung
(t), dem Tankwasserwinkel y (t) und seiner zeitlichen Ableitung
y (t) - der Tankwassergeschwindigkeit --
dargestellt.
In F i g. 1 b sind die entsprechenden Lagen des Schiffes und des Tankwasserspiegels
ge-
zeigt. Weiterhin sind zwei Fälle gezeigt, in. denen die Eigenfrequenz
(#)ET einer Tankstabilisierungsanlage von der Frequenz ws der Schiffsschwingung
abweicht. Die Kurven ;, bzw. Z, stellen den Fall ti)fv < f,),s
und 1
die Kurven ;," und i," den Fall (,)" >
(,is dar. Für den Verlauf von y (t) sind die beiden Phasenverschiebungen
von y'(t) und "1"(t) mit -e und +v
bezeichnet (F i g. la).
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In F i g. 2 ist ein allgemeiner Fall der erfindungsgemäßen
Regeleinrichtung im Prinzip gezeigt. Mit Hilfe eines Kreiselgerätes 10 wird
der jeweilige Schiffsrollwinkel q# (t) gemessen und einem Sollwertbilder
11
zur Bildung des jeweiligen Sollwertes der Tankwassergeschwindigkeit # (t)
zugeführt. In einem Soll-Ist-Wertvergleich 12 wird aus dem Sollwert y (t)"li
der Tankwassergeschwindigkeit und dem Istwert y (t)i" der Tankwassergeschwindigkeit
eine Regelabweichung gebildet. Der Istwert ;21 (t) der Tankwassergeschwindigkeit
in einer hier schematisch angedeuteten Tankstabilisierungsanlage 13 wird
mit Hilfe einer Meß- und Umformeinrichtung 14 gewonnen.
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Wird ein Soll-Ist-Wertvergleich kontinuierlich vorgenommen, so ist
-' wie auch aus F i g. 1 ersichtlich -
selbst bei konstanter
Abweichung zwischen der Ist-und Soll-Tankwassergeschwindigkeit die Regelabweichung
nicht konstant und wechselt im Verlauf einer Periode sogar das Vorzeichen. Hierfür
ist deshalb ein Umkehrverstärker 15 vorgesehen. Die Bewertung des Vorzeichens
erfolgt dabei nach dem Verlauf des Rollwinkels (p (t). Zur Gewinnung eines
Stellsignals wird die Regelabweichung auf einen Regelverstärker 16 gegeben.
In einem Umsetzer 17 wird das Stellsignal umgeformt und auf ein Verstellorgan
18 der Tankstabilisierungsanlage 13 gegeben.
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Eine besondere Vereinfachung für die Regeleinrichtung ergibt sich,
wenn das Stellsignal für die VerstelIvorrichtung nur jeweils aus der zum Zeitpunkt
des Nulldurchgangs des Rollwinkels vorhandenen Regelabweichung gewonnen wird. Der
Sollwert y (t)""i für die Tankwassergeschwindigkeit y
(t)
ist für diesen Fall dann, wie auch aus F i g. 1 zu ersehen, Null.
Es entfällt somit eine Sollwertbildung und ein besonderer Soll-Ist-Wertvergleich,
da die Abweichung der Tankwassergeschwindigkeit von Null zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs
des Schiffsrollwinkels die Regelabweichung selbst darstellt. In F i g. 3
ist die vereinfachte Regeleinrichtung gezeigt. Ein von Null abweichender Wert von
5, (t)
.gelangt nur dann über einen Schalter 19, wenn
dieser zum Zeitpunkt q-, = 0 geschlossen ist. Die Betätigung des Schalters
19 erfolgt über ein von dem Kreiselgerät angesteuertes Betätigungsglied 20.
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Um den Einfluß der Amplitude von Sollwertfunktion und Istwertfunktion
zu eliminieren, ist es zweckmäßig, sie jeweils auf die maximale Amplitude zu beziehen,
also
Auf diese Weise ist eine gemessene Regelabweichung dann nur noch ein Maß für die.jeweilige
Phasenverschiebung, also gemäß F i g. 1 eine Funktion von e.
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Wird zur Regelung die jeweils während jedes Nulldurchgangs des Rollwinkefs
vorhandene Regelabweiäung herangezogen, muß hierzu ebenfalls ein Umkehrverstärker
vorgesehen -sein, der z. B. das Vorzeichen des Istwertes jeweils während einer der
beiden Nulldurchgänge einer Periode umkehrt.
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Die Veränderung der Tankeigenfrequenz einer Tankstabilisierungsanlage
erfolgt in den meisten bekannten Fällen durch Veränderung des Strömungsquerschnitts
des die beiden Seitentanks verbindenden Kanals. Eine bestimmte Veränderung des Strömungsquerschnitts
entspricht aber nicht immer der gleichen Änderung der Tankeigenfrequenz,
d. h., die Tankeigenfrequenz verändert sich nicht linear mit dem Querschnitt.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb eine Störgrößenaufschaltung
vor, bei der als Störgröße die auf den Regelverstärker zurückgeführte Stellung der
Verstellvorrichtung dient. Die Stellung der Verstelleinrichtung ist dabei ein Maß
für den jeweiligen Strömungsquerschnitt im Verbindungskanal. Die Veränderung des
Querschnitts erfolgt dann entsprechend seinem jeweiligen Wert über- oder unterproportional.
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Eine andere Möglichkeit, die unterschiedliche Ab-
hängigkeit
der Tankeigenfrequenz von der jeweiligen Querschnittsänderung zu berücksichtigen,
kann darin bestehen, daß der Regelverstärker ein veränderliches Verhalten aufweist.
Verschiedenen Querschnitten des Verbindungskanals entsprechen bestimmte Steuerkurven
des Regelverstärkers. Der Querschnitt des Verbindungskanals legt dann als Parameter
die je-
weilige Steuerkurve des Regelverstärkers fest.
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F i g. 4 zeigt den bei Bildung des Stellsignals aus den während
der Nulldurchgänge vorhandenen Regelabweichungenje Periode einer Schiffsschwingung
erforderlichen Umkehrverstärker 21. Für q = 0 hat die zeitliche
Ableitung j (t) dann entweder ihren höchsten positiven oder negativen Wert.
Ein Differenzier ,glied 22 dient deshalb zur Ansteuerung des Umkehrverstärkers 21.
Die jeweilige Stellung der Verstellvorrichtung 18 und damit der Querschnitt
des Tankstabilisators 13 wird mit Hilie eines Meßorgans 23 auf den
Regelverstärker 16 zurückgeführt, der somit entsprechend der vorhandenen
Regelabweichung ein unter- oder überproportionales Steuersignal bildet.
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In der erfindungsgemäßen Maßnahme, die Tankwassergeschwindigkeit als
Istwert heranzuziehen und mit einem aus dem Rollwinkel eines Schiffes ermittelten
Sollwert der Tankwassergeschwindigkeit zu vergleichen, liegt der besondere Vorteil,
daß auch andere Störeinflüsse, wie z. B. Stampfen des Schiffes oder Anprallen des
Tankwassers an die Tankdecke - beides beeinflußt bekanntlich die Eigenfrequenz
einer Tankanlage - gleichfalls mit erfaßt sind.