DE19807525A1 - Einrichtung zur Bahnregelung für einen von einem Wasserfahrzeug an einer Schleppverbindung geschleppten, in seiner Horizontalbewegung nicht selbst steuerbaren oder gesteuerten Schleppanhang - Google Patents

Einrichtung zur Bahnregelung für einen von einem Wasserfahrzeug an einer Schleppverbindung geschleppten, in seiner Horizontalbewegung nicht selbst steuerbaren oder gesteuerten Schleppanhang

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Description

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Einrichtung zur Führung eines von einem Wasserfahrzeug geschleppten Gegenstandes auf einer vorgegebenen Bahn, die mit Hilfe eines Sollbahngenerators und eines Positionstransformators aus der Position des Schleppanhanges im Positionstransformator die Regelgröße Bahnabstand des Schleppanhanges YBA und auf die Vergleichsstelle des Bahnabstandsreglers schaltet.
Als Bahn wird hier die Trajektorie der Bewegung des Schleppkörperbezugspunktes in der horizontalen Ebene bezeichnet.
Bekannt sind Regeleinrichtungen, die Wasserfahrzeuge entlang vorgegebener Bahnen führen. Diese Fahrzeuge zeichnen sich dadurch aus, daß sie selbst steuerbar und mit eigenem Antrieb ausgerüstet sind (DE 41 10 249 A1 Bahnregler für Schiffe. . .).
Bekannt sind weiterhin Bahnregler für geschleppte Geräteträger, bei denen bahngeregelte Schleppfahrzeuge selbst steuerbare Schleppanhänge verwenden, um die automatische Bahnführung der Anhangskörper zu ermöglichen (H. G. Jacob: Rechnergestützte Optimierung statischer und dynamischer Systeme, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York. 1982, S. 68-107). Dieser Regler arbeitet als paralleler Regler zum Bahnregler des Schleppfahrzeuges, so daß keine zusätzlichen Verzögerungen auftreten.
Benutzt man zur Bahnregelung von in ihrer Horizontalbewegung nicht selbst steuerbaren Schleppanhängen einen Kaskadenregler mit einem dem Bahnabstandsregler des Schleppfahrzeuges übergeordneten Bahnabstandsregler des Schleppanhanges so führt diese Konfiguration zu einer erheblich verzögerten Reaktion des Schleppfahrzeuges auf eine Bahnstörung des selben. Hier will die Erfindung eine Verbesserung schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, einen von einem Wasserfahrzeug an einer flexiblen Schleppverbindung geschleppten in seiner Horizontalbewegung nicht selbst steuerbaren Schleppanhang automatisch auf einer vorgegebenen Bahn zu führen und die ohnehin schon langsame Systemdynamik nicht wesentlich durch die Bahnregeleinrichtung zu verschlechtern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird durch einen Sollbahngenerator, der die Schnittstelle zur Führungsebene darstellt, eine abzufahrende Bahn mit Hilfe markanter Wegpunkte vorgegeben. Die Wegpunktliste wird dem Positionstransformator und dem Sollwertgeber übergeben. Der Sollwertgeber generiert mit Hilfe der Wegpunktliste und der aktuellen Position des Schleppanhanges die zeitabhängigen Vorgabegrößen für den Bahnabstandsregler Ysoll und für den Kursregler Ψsoll, diese werden auf die entsprechenden Vergleichsstellen geschaltet. Mit dieser Schaltung ist es möglich, krummlinige Bahnen vorzugeben, wenn die Vorgabegröße Ysoll nicht konstant und nicht null zwischen zwei abzufahrenden Wegpunkten ist.
In einem Positionstransformator wird aus einer geeigneten Position des Schleppanhanges und der Vorgabebahnparameter (Wegpunktliste) der aktuelle Abstand des Schleppanhangs zur Sollbahn berechnet und auf die Vergleichstelle des Bahnabstandes geschaltet. Die Position des Schleppanhanges kann dabei durch ein Unterwassernavigationsverfahren in einem Relativsystem, durch ein Überwassernavigationsverfahren, aus der Summenbildung der gemessenen Position des Schleppfahrzeuges und der gemessenen Relativposition des Schleppanhanges zum Schleppfahrzeug und aus der gemessenen Position des Schleppfahrzeuges und der durch einen Beobachter ermittelten Relativposition des Schleppanhanges bestimmt werden.
Der Bahnabstandsregler erzeugt ein Korrektur-Kurssignal ΔΨsoll, das ebenfalls auf die Vergleichsstelle des Kursreglers geschaltet wird. An der Vergleichsstelle des Kursreglers wird die aktuelle Kursdifferenz ermittelt, die die Eingangsgröße für den Kursregler darstellt. Dieser erzeugt in der Minimalkonfiguration das Stellsignal δsoll für die Ruderanlage, die mit der Ruderlage δ oder einer äquivalenten Größe auf das Bewegungsverhalten des Schleppfahrzeuges einwirkt.
Die Größen des Bewegungsverhaltens des Schleppfahrzeuges, Position (Φ,λ)s und der Kurs des Schleppfahrzeuges können mit geeigneten Sensoren erfaßt werden, z. B. DGPS und Kreiselkompaß. Die Kursmeßwerte werden in bearbeiteter oder unbearbeiteter Form auf die Vergleichsstelle des Kurses geschaltet.
In der Regel befindet sich im achteren Bereich des Schleppfahrzeuges der Fesselungspunkt xh des Schleppanhanges. Die Bewegungszustände des Schleppfahrzeuges setzen sich über diesen Punkt auf den Schleppanhang mit der horizontalen Länge lh fort. Die horizontale Länge des Schleppanhanges könnte über eine Windeneinrichtung veränderlich sein.
Befindet sich an Bord des Schleppanhangs eine Positionsmeßeinrichtung (z. B. DGPS oder transponderbasiertes Unterwasserortungssystem), so können die gemessenen Positionsmeßwerte einerseits zur Berechnung des Bahnabstandes auf den Positionstransformator und andererseits auf den Sollwertgeber zur Berechnung der zeitabhängigen Reglersollwerte geschaltet werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Dynamik des Schleppsystems verbessert werden indem:
  • 1) der Bahnabstandsregler des Schleppanhangs ein Korrektursignal des Führungskurses erzeugt und direkt auf die Vergleichsstelle der Kursreglers schaltet
  • 2) ein Driftkorrekturwert β auf die Vergleichsstelle des Kursreglers geschaltet wird,
  • 3) zwischen Kursregler und Ruderanlage ein Kurswinkelgeschwindigkeitsregler geschaltet wird und
  • 4) die Parameter der Regler mit Hilfe einer Adaptionseinrichtung an die aktuellen Schleppzustände angepaßt werden.
Im Ausführungsbeispiel wird auf die Verbesserungen der oben beschriebenen Minimalkonfiguration näher eingegangen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel nähere erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Prinzipskizze der horizontalen Schiffsbewegung mit passiven Schleppanhang
Fig. 2 Blockbild der Einrichtung zur Bahnregelung in der Minimalkonfiguration
Fig. 3 Blockbild der Einrichtung zur Bahnregelung im Ausführungsbeispiel
Fig. 4 Vektordreiecke zur Ermittlung der Driftkorrektur
  • a) Ermittlung der Drift (passives Stromdreieck)
  • b) Kompensation der Drift (aktives Stromdreieck).
Fig. 1 zeigt das Schleppsystem mit passiven Schleppanhang 16 in der Draufsicht nach Einleitung eines Backbordrudermanövers. Der Schleppanhang 16 ist als punktförmiger Körper am Ende der Schleppverbindung dargestellt. Die Winkel sind zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt.
In Fig. 2 ist die Einrichtung dargestellt, die eine Bahnregelung eines Schleppanhangs, der von einem Wasserfahrzeug gezogen wird, realisiert. Fig. 3 zeigt eine verbesserte Bahnregeleinrichtung für einen Schleppanhang, die gleichzeitig das Ausführungsbeispiel darstellt.
Der Sollbahngenerator 10 stellt die Schnittstelle zu einer übergeordneten Führungsebene dar. Er generiert eine verarbeitbare Wegpunktliste der durch den Schleppanhang abzufahrenden Bahn und legt diese auf einen geeigneten Datenspeicher, auf den Sollwertgeber 20 und Positionstransformator 18 zugreifen können.
Der Sollwertgeber 20 hat die Aufgabe, die zeitabhängigen Reglersollwerte für den Bahnabstandsregler Ysoll und für den Kursregler Ψsoll aus der in einem Datenspeicher abgelegten Wegpunktliste zu erzeugen. Die dazu benötigte Position des Schleppanhangs wird durch den Positionstransformator 18 bereitgestellt. Die Position des Schleppanhangs kann aber auch bei direkter Messung mit einem geeigneten Sensor (DGPS. Unterwasserortungssystem o.a.) auf dem Schleppanhang 16 bereitgestellt werden. Bei bekannten Störeinflüssen kann ein simulierter Bahnverlauf des Schleppanhangs ebenfalls in die Erzeugung der Reglersollgröße Ysoll einfließen, so daß sie nicht konstant und nicht gleich null sein muß. Die Reglersollgröße Ysoll wird auf die Vergleichsstelle 21 des Bahnabstandsreglers und die Reglersollgröße Ψsoll auf die Vergleichsstelle 22 des Kursreglers geschaltet.
Der Bahnabstandsregler 11, im Ausführungsbeispiel ausgelegt als adaptiver PID-Regler, kann als P-, PI, oder PID-Regler in adaptiver oder robuster Bauart ausgelegt werden. Er erzeugt aus dem Differenzsignal der Vergleichsstelle 21 eine Korrekturgröße ΔΨsoll für den Kursregler, die ebenfalls auf die Vergleichsstelle 22 des Kursreglers geschaltet wird.
Aus der Vergleichsstelle 22 erhält der Kursregler 12, im Ausführungsbeispiel ein adaptiver PI-Regler, der als P-, PI- oder PID-Regler in adaptiver oder robuster Bauart ausgelegt sein kann, einen Kursdifferenzwert und erzeugt damit einen Vorgabewert rsoll für den Kurswinkelgeschwindigkeitsregler 13, der auf die entsprechende Vergleichsstelle 23 geschaltet wird. Es ist möglich, eine Bahnregelung auch ohne unterlagerter Kurswinkelgeschwindigkeitsregelung (Minimalkonfiguration siehe Fig. 2) durchzuführen, dann erzeugt der Kursregler 12 ein Vorgabesignal δsoll für die Ruderanlage 14.
Die im Ausführungsbeispiel der Kursregelung unterlagerte Kurswinkelgeschwindigkeitsregelung hat den Vorteil, daß die durch den Schleppprozeß verursachte Schwingungsfähigkeit des Schleppfahrzeugkurses gedampft wird und der Kursregelprozeß von den dynamischen Einwirkungen des Schleppanhangs entkoppelt wird. Die Vergleichsstelle 23 erzeugt aus der Vorgabegröße rsoll und der durch einen geeigneten Sensor gemessenen Kurswinkelgeschwindigkeit r des Schleppfahrzeuges, die bearbeitet oder unbearbeitet sein kann, ein Differenzsignal, das auf den Kurswinkelgeschwindigkeitsregler 13 geschaltet wird. Analog zu der gemessenen Kurswinkelgeschwindigkeit kann ein durch ein Differenzierglied aus dem Kurssignal Ψ erzeugtes Signal r auf die Vergleichsstelle 23 zur Differenzbildung geschaltet werden.
Der Kurswinkelgeschwindigkeitsregler, hier als adaptiver PID-Regler ausgeführt, kann als P-, PI- oder PID-Regler in adaptiver oder robuster Bauart ausgelegt sein und erzeugt aus dem Differenzsignal der Vergleichsstelle 23 das Vorgabesignal δsoll für die Ruderanlage 14.
Die Ruderanlage 14, im Ausführungsbeispiel als herkömmliche Anlage mit einem Ruder ausgelegt, die auch eine andere äquivalente Stelleinrichtung sein kann, erzeugt das Stellsignal δ für das Kursverhalten des Schleppfahrzeuges 15.
Der Block 15 stellt das Schleppfahrzeug dar und beschreibt das gesamte Bewegungsverhalten des Schleppfahrzeuges und der darauf befindlichen Einrichtungen. Auf ihm befinden sich u. a. Sensoren für seine Position (Φ,λ)S, den Kurs Ψ, der Kurswinkelgeschwindigkeit r, Sensoren der Längs- und Quergeschwindigkeit vx, vy und der Sensor zur Bestimmung der Relativposition des Schleppanhanges (EA,PA) (z. B. hydroakustisches Meßsystem). Der Sensor zur Bestimmung der Relativposition des Schleppanhangs kann durch einen Beobachter ersetzt werden, der aus den Abmessungs- und Bewegungsgroßen des Schleppfahrzeuges unter Zuhilfenahme der horizontalen Schleppanhangslange lh die Relativposition des Schleppanhanges (EA,PA) bestimmt. Das geeignete Signal der Kurswinkelgeschwindigkeit wird auf die Vergleichsstelle 23, das geeignete Signal des Kurses Ψ auf die Vergleichsstelle 22 und auf den Positionstransformator 18, das geeignete Positionssignal (Φ,λ)S und das relative Positionssignal des Schleppanhangs (EA,PA) werden ebenfalls auf den Positionstransformator 18 und die Geschwindigkeiten in Längsrichtung vx und in Querrichtung vy werden auf einen Driftkorrekturblock geschaltet. Das Bewegungsverhalten des Schleppfahrzeuges wird über den Fesselungspunkt xh auf den Schleppanhang 16 übertragen.
Der Schleppanhang 16, dessen Bewegungsverhalten maßgeblich von der horizontalen Länge des Schleppanhangs lh abhängt (Distanz vom Fesselungspunkt xh bis zum Bezugspunkt des Schleppanhangs (Φ,λ)A in der Horizontalebene), führt Bewegungen relativ zum Schleppfahrzeug aus, die von einem geeigneten Sensor auf dem Schleppfahrzeug 15 (Unterwasserortungssystem oder Radar) gemessen werden können. Die horizontale Länge des Schleppanhanges kann auch aus der Länge der Schleppverbindung berechnet werden.
Ein Driftkorrekturblock 17 erzeugt nach der Vorschrift
aus den gemessenen Geschwindigkeiten des Schleppfahrzeuges in Längsrichtung vx und Querrichtung vy ein Driftwinkel β. der auf die Vergleichsstelle 22 des Kurses geschaltet wird. Das Hinzuschalten einer Baugruppe zur Driftkorrektur führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Bahnregeleigenschaften gegenüber der Minimalkonfiguration bei geringen Schleppgeschwindigkeiten und starken Störeinflüssen. Analog zu der im Ausführungsbeispiel aufgeführten Bestimmung der Driftkorrektur β können andere Lösungen genutzt werden:
  • 1) Bestimmung der Drift aus Modellrechnung nach Messung der Ruderlage δ und/oder Parameter der Störeinflüsse (Windrichtung ΦW und -geschwindigkeit vW, Stromrichtung ΦSt und -geschwindigkeit vSt):
    β = β(δ) + β(vW,ΦW) + β(vSt,ΦSt) (2).
  • 2) Bestimmung der Drift aus gemessenem Kurs Ψ und gemessenem Bahnwinkel Φ (Kurs über Grund) des Schleppfahrzeuges:
    β = Φ-Ψ (3).
  • 3) Bestimmung der Drift aus dem gemessenen und mit einem Modell berechneten ungestörten Bahnwinkel:
    β = Φ-ΦModell(δ) (4).
Der Positionstransformator 18 berechnet im Ausführungsbeispiel zunächst aus den geeigneten Meßdaten Kurs Ψ, Position des Schleppfahrzeuges (Φ,λ)S und der Relativposition mit Entfernung und Peilung des Schleppanhangs in der Horizontalebene (EA,PA), die auf dem Schleppfahrzeug bereitgestellt werden, die Position des Schleppanhangs (Φ,λ)A. Diese kann analog durch einen geeigneten Sensor auf dem Schleppanhang bereitgestellt werden. Die Position des Schleppanhangs 16 wird dem Sollwertgeber 20 bereitgestellt. Ebenfalls berechnet der Positionstransformator 18 aus der Position des Schleppanhangs und der bereitgestellten Wegpunktliste einen Abstand YBA von der Sollbahn. Dieser wird auf die Vergleichsstelle 21 des Bahnabstandes geschaltet.
Eine Adaptionseinrichtung 19, die im Ausführungsbeispiel die Reglerparameter in Abhängigkeit von Schleppgeschwindigkeit vx, Schleppanhangslänge lh und Zugkraft FZ der Schleppverbindung berechnet, diese werden von geeigneten Sensoren auf dem Schleppfahrzeug bereitgestellt, stellt die Parameter der Teilregler 11-13 ein. Die Adaptionseinrichtung kann analog durch einen Identifikator zur Bestimmung der notwendigen Reglerparameter aus den Meßdaten von Schleppfahrzeug, Ruderanlage und Schleppanhang oder einer anderen geeigneten Adaptionseinrichtung ersetzt werden, sofern adaptive Teilregler 11-13 genutzt werden.
Bezugszeichenliste
10
Sollbahngenerator
11
Bahnabstandsregler
12
Kursregler
13
Kurswinkelgeschwindigkeitsregier
14
Block für Ruderanlage oder vergleichbare Kursstelleinrichtung
15
Schleppfahrzeug
16
Schleppanhang
17
Driftkorrekturblock
18
Positionstransformator
19
Adaptionseinrichtung
20
Sollwertgeber
21
Vergleichsstelle des Bahnabstandsreglers
22
Vergleichsstelle des Kursreglers
23
Vergleichsstelle des Kurswinkelgeschwindigkeitsreglers
Symbole
β Driftkorrekturwert
βS
Gierwinkel des Schiffes
DGPS Differential Global Positioning System
δ Ruderlage
δsoll
Vorgabegröße für Ruderlage
EA
Entfernung des Schleppkörpers vom Relativsensor
FZ
Zugkraft des Schleppanhangs an der Aufhängung
(Φ,λ)A
Position des Schleppanhangs (-körpers)
(Φ,λ)S
Position des Schleppfahrzeuges
Φ Bahnwinkel, Kurs über Grund
ΦSt
Stromrichtung
ΦW
Windrichtung
γ horizontaler Ablaufwinkel der Schleppverbindung
ΔΨ Kursdifferenz zum Bezugsbahnwinkel
ΔΨsoll
Korrektursignal für Kursvorgabegröße
Ψ Kurs des Schleppfahrzeuges
Ψsoll
Vorgabegröße des Kurses vom Sollwertgeber
lh
horizontale Länge des Schleppanhangs
N Nordrichtung im erdfesten Bezugssystem
PA
Peilung des Schleppkörpers im Relativsystem
r Kurswinkelgeschwindigkeit
rsoll
Vorgabegröße der Kurswinkelgeschwindigkeit
v Geschwindigkeit des Schleppfahrzeuges über Grund
vd
Vektor der Gesamtdriftgeschwindigkeit
vSt
t Geschwindigkeit des Stromes
vW
Windgeschwindigkeit
vWasser
Geschwindigkeit des Schleppfahrzeuges durchs Wasser
vx
Geschwindigkeit in Längsrichtung
vy
Geschwindigkeit in Querrichtung
xh
Fesselungspunkt des Schleppanhangs am Schleppfahrzeug
YBA
Bahnabstand des Schleppanhangs
YBH
Bahnabstand des Fesselungspunktes
YBS
Bahnabstand des Schleppfahrzeuges
Ysoll
Vorgabegröße des Bahnabstandes des Schleppanhangs vom Sollwertgeber

Claims (8)

1. Einrichtung zur Bahnregelung für ein von einem Wasserfahrzeug an einer Schleppverbindung geschleppten, in seiner Horizontalbewegung nicht selbst steuerbaren Schleppanhang, bei dem aus der Position des Schleppanhangs (16) in einem Positionstransformator (18) die Bahnabweichung berechnet wird, dadurch gekennzeichnet daß dem Vergleichspunkt (21) des Bahnabstandsreglers die Bahnabweichung des Schleppanhangs YBA zugeführt wird, wodurch das Eingangssignal für den Bahnabstandsregler entsteht, der daraus ein Korrektursignal des zu steuernden Kurses für das Schleppfahrzeug erzeugt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Positionssignal des Schleppanhangs (16) aus den gemessenen Größen Position des Schleppfahrzeuges (Φ,λ)S, Kurs des Schleppfahrzeuges Ψ und der Relativposition des Schleppanhanges zum Schleppfahrzeug (EA,PA) berechnet wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Relativpositionssignal aus den Abmessungsgrößen des Schleppsystems und den Bewegungsgrößen des Schleppfahrzeuges mit Hilfe eines Beobachters errechnet wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Kursregler (12) ein Stellsignal δsoll erzeugt, das auf eine Ruderanlage (14) zur Kurssteuerung des Schleppfahrzeuges geschaltet wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Kursregler (12) ein Signal rsoll erzeugt, welches auf einem Vergleichspunkt (23) geschaltet mit einem geeigneten Meßsignal der Kurswinkelgeschwindigkeit r ein Eingangssignal für einen Kurswinkelgeschwindigkeitsregler (13) erzeugt, der seinerseits das Stellsignal δsoll für die Ruderanlage (14) erzeugt und auf diese schaltet.
6. Einrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der Kurswinkelgeschwindigkeit r mit Hilfe eines Differenziergliedes aus dem geeigneten Kurssignal Ψ des Schleppfahrzeuges erzeugt und auf die entsprechende Vergleichsstelle (23) geschaltet wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß einer Vergleichsstelle (22) des Kursreglers (12) ein Driftkorrektursignal β zugeschaltet wird, das in einem Driftkorrekturblock (17) wie folgt ermittelt wird:
  • a) aus der gemessenen Geschwindigkeit des Schleppfahrzeuges in Querrichtung vy, und in Längsrichtung vx:
  • b) aus einer Modellrechnung nach Messung der Ruderlage δ und/oder Parameter der Störeinflüsse (Windrichtung ΦW und -geschwindigkeit vW, Stromrichtung ΦSt und -geschwindigkeit vSt):
    β = β(δ) + β(vW,ΦW) + β(vSt,ΦSt).
  • c) Bestimmung der Drift aus gemessenem Kurs Ψ und gemessenem Bahnwinkel Φ (Kurs über Grund) des Schleppfahrzeuges:
    β = Φ - Ψ.
  • d) Bestimmung der Drift aus dem gemessenen und mit einem Modell berechneten Bahnwinkel:
    β = Φ - ΦModell(δ).
8. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 3, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß Reglerparameter der Teilregler (11-13) durch eine Adaptionseinrichtung (19) in Abhängigkeit der Schleppzustände Schleppgeschwindigkeit vx, Schleppanhangslänge lh (oder einer vergleichbaren Größe) und/oder Zugkraft FZ eingestellt werden können.
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