DE1282506C2 - Regeleinrichtung fuer eine Tankstabilisierungsanlage mit veraenderlicher Eigenfrequenz - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

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 Sthiffsschwingungen unter Bildung einer Regelabweichung aus der der jeweiligen Schiffsschwingung zugeordneten Tankwasserschwingung als Sollwert und aus der tatsächlichen Tankwasserschwingung als Istwert.

Bekanntlich ergibt sich die beste stabilisierende ι 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 ι stationärer Schwingungszustand ein, bei dem die Wassersäule immer in den sich aufwärts bewegenden Teil der Tankanlage strömt, wodurch in jeder Phase ein in seiner Größe und Richtung optimales durch den Tank aufgebrachtes Stabilisierungsmoment ent- ι steht 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 Resonanzpunktes hin ab, und die Winkelausschläge des schwingenden Schiffes nehmen zu und werden von einem bestimmten Wert an größer als bei einem Schiff ohne Tankstabilisierung.

Es ist bekannt, bei aktivierten Tankstabilisierungsanlagen die Durchflußmenge mit Hilfe einer Regeleinrichtung derart zu beeinflussen, daß die Frequenz der Tankwasserschwingung an die Schiflsschwingung zu gleicher Frequenz angepaßt wird. Die Regeleinrichtung umfaßt einen Meßwertumformer, über den den jeweiligen Schiflsrollwinkeln zugeordnete, um 90° phasenverschobene Tankwasserwinkel 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-Diflerenzwerte der Tankwasserstände bzw. Tank wasserwinkel heran^vO zuziehen. In beiden Fällen bereitet eine einwand- 4: © freie Messung der Ist-Tankwasserschwingung Schwierigkeiten, denn der Tankwasserwinkel läßt sich z. B. ^ über .eine Messung des jeweiligen Differenzdruckes ~0 oberhalb der beiden Tankwassersäulen oder durch die

Erfassung der Wasserstandsdifferenz mittels Schwim- s< ^pH mer bei kontinuierlicher Messung nur schwerlich £h genau erfassen. Gleichfalls schwierig ist eine Messung

Regeleinrichtung für eine
Tankstabilisierungsanlage mit veränderlicher
Eigenfrequenz

Patentiert für:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,
6000 Frankfurt 70, Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt: Dipl.-Ing. Horst Halden, 2000 Hamburg

der Tankwasserbeschleunigung. Eine derartige Regeleinrichtung arbeitet also trotz hohem meßtechnischem Aufwand sehr ungenau.

Es ist weiterhin bekannt, daß bei einer Einrichtung zur Steuerung der Phasenverschiebung bei Schiffsstabilisierungsanlagen mittels eines Periodenmeßgerätes die Kommandogabe für dieses Periodenmeßgerät beim Nulldurchgang und im Umkehrpunkt der Schiflsschwingungen erfolgt.

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 Schiflsrollwinkel φ(ή 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. B. mittels eines Staurohres bei geringem Aufwand wesentlich zuverlässiger und genauer erfolgen kann.

Da im Resonanzfall Schiflsrollwinkel und Tankwasserwinkel um 90° phasenverschoben sind, ergibt sich aus dieser Zuordnung aus dem jeweiligen Rollwinkel der Sollwert des Tankwasserwinkels. InFig-Ia sind die zeitlichen Verläufe im Resonanzfall von Schiflsrollwinkel φ (t) und seiner zeitlichen Ableitung ψ (t), dem Tankwasserwinkel γ (f) und seiner zeitlichen Ableitung γ (t) — der Tankwassergeschwindigkeit — dargestellt. In Fig. Ib sind die entsprechenden Lagen des Schiffes und des Tankwasserspiegels gezeigt. Weiterhin sind zwei Fälle gezeigt, in denen die Eigenfrequenz ω_ΕΤ einer Tankstabilisierungsanlage von der Frequenz w_s der Schiflsschwingung abweicht. Die Kurven γ bzw. γ stellen den Fall ω_ΕΤ < cu_s und

909 627/3(7

Claims (3)

1 die Kurven γ" und γ" den Fall o>ET > a>s dar. Für den Verlauf von y(t) sind die beiden Phasenverschiebungen von γ (t) und γ" (ί) mit — f und +*·■ bezeichnet (F i g. la). In F i g. 2 ist ein allgemeiner Fall der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung im Prinzip gezeigt. Mit Hilfe eines Kreiselgerätes 10 wird der jeweilige Schiffsrollwinkel φ (f) gemessen und einem Sollwertbilder 11 zur Bildung des jeweiligen Sollwertes der Tankwassergeschwindigkeit y (0 zugeführt. In einem Soll-Ist-Wertvergleich 12 wird aus dem Sollwert γ (i)JOi; der Tankwassergeschwtndigkeit und dem Istwert y(t),„ der Tankwassergeschwindigkeit eine Regelabweichung gebildet. Der Istwert■· γ (ί) der Tankwassergeschwindigkeit in einer hier schematisch angedeuteten Tankstabilisierungsanlage 13 wird mit Hilfe einer Meß- und Umformeinrichtung 14 gewonnen. Wird ein Soll-Ist-Wertvergleich kontinuierlich vorgenommen, so ist — wie auch aus F i g. 1 ersichtlich — selbst bei konstanter Abweichung zwischen der I stund 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 q>(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. Eine besondere Vereinfachung für die Regeleinrichtung ergibt sich, wenn das Stellsignal für die Verstellvorrichtung nur jeweils aus der zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Rollwinkels vorhandenen Regelabweichung gewonnen wird. Der Sollwert y(f)„H für die Tankwassergeschwindigkeit y(t) ist für diesen Fall dann, wie auch aus Fig. 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 y (t) gelangt nur dann Uber einen Schalter 19, wenn dieser zum Zeitpunkt φ = 0 geschlossen ist. Die Betätigung des Schalters 19 erfolgt über ein von dem Kreiselgerät angesteuertes Betätigungsglied 20. Um den Einfluß der Amplitude von Sollwert- so funktion und Istwertfunktion zu eliminieren, ist es zweckmäßig, sie jeweils auf die maximale Amplitude zu beziehen, also Y (Ownγ max HtL· γ max ' Auf diese Weise ist eine gemessene Regelabweichung dann nur noch ein Maß für die jeweilige Phasenverschiebung, also gemäß Fig. 1 eine Funktion von c Wird zur Regelung die jeweils während jedes Nulldurchgangs des Rollwinkels vorhandene Regelabweichung herangezogen, muß hierzu ebenfalls ein Umkehrverstärker vorgesehen sein, der z. B. das 506 Vorzeichen des Istwertes jeweils während einer der beiden Nulldurchgänge einer Periode umkehrt. 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 Uber- oder unterproportional. Eine andere Möglichkeit, die unterschiedliche Abhängigkeit 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 jeweilige Steuerkurve des Regeiverstärkers fest. F i g. 4 zeigt den bei Bildung des Stellsignals aus den während der Nulldurchgänge vorhandenen Regelabweichungenje Periode einer Schiffsschwingung erforderlichen Umkehrverstärker 21. Für φ = 0 hat die zeitjiche Ableitung ψ(ή dann entweder ihren höchsten positiver) oder negativen Wert. Ein Differenzierglied 22 dient deshalb zur Ansteuerung des Umkehrverstärkers 21. Diejeweilige 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. 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. Patentansprüche:

1. 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 der jeweiligen Schiffsschwingung zugeordneten Tankwasserschwingung als Sollwert und aus der tatsächlichen Tankwasserschwingung als Istwert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Regel· abweichungdie Ist-Tankwassergeschwindigkeit mit der aus dem Schiffsrollwinkel <p (t) oder einer seiner zeitliehen Ableitungen gebildeten Soll-Tank-

Wassergeschwindigkeit verglichen wird und die Regelabweichung zur Gewinnung eines Stellsignals für die Verstellvorrichtung (18) dient.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal für die Ver-Stellvorrichtung (18) nur jeweils aus der zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des RoUwinkels 7 (f) vorhandenen Regelabweichung gewonnen wird.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 mit einem Regelverstärker, in dessen Eingang die Regelabweichung zur Gewinnung eines Stellsignals gegeben wird, gekennzeichnet durch eine Störgrößenaufschaltung, bei der als Störgröße die auf den Regelverstärker (16) zurückgeführte Stellung der Verstellvorriclitung (18) dient.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 302 527, 672 213,
»9 698,768123;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 153 283.

Hierzu l Blatt Zeichnungen