NO148614B - Fremgangsmaate til automatisk dynamisk posisjonering av et skip - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til automatisk dynamisk posisjonering av et skip, særlig et boreskip, under anvendelse av til formålet bestemte drivanlegg, og en reguleringsinnretning for disse med en grov- og en finreguleringskrets, hvormed skipet plasseres i hovedretningen for de forstyrrende krefter .

Ved såkalt dynamisk posisjonsering av skip må der benyttes drivanlegg hvormed skipet kan holdes meget nøyaktig over et arbeidssted. Eksempler på dette er måle-, forsknings- og boreskip. Som drivanlegg kommer drivpropeller med svingbar skrue-stråle (Voigt-Schneider, Schottel) eller også stillbare propeller i betraktning. Slike anlegg har hittil bare vært bygget for opptil midlere effektverdier. For det øvre effektområde kan der anordnes tverrforskyvningsanlegg. Det er også mulig å kombinere tverrforskyvningsanlegg med aktive propeller. Da tverrforskyvningsanlegg gir en mindre effektivitet av det samlede anlegg enn aktive propeller overfor visse retninger av den forstyrrende kraft, må de på forhånd dimensjoneres for større effektverdier.

Ved dynamisk posisjonering av et skip blir dette for-trinnsvis lagt med baugen mot de forstyrrende hovedkrefter,

da det i denne posisjon byr minst motstand mot vind, vannstrøm og bølger. Forstyrrende krefter som angriper skrått på et skip, senker virkningsgraden ytterligere ved tverrforskyvningsanlegg pga. disses tekniske arbeidsprinsipp, da slike anlegg ikke kan innstilles i retning mot de virkende forstyrrende krefter, men må utligne kreftene via lengde- og tverrforskyvningsretningen.

For å begrense de høye driveffektverdier som normalt behøves for posisjonering av et skip, er det kjent fra DE-AS 24 16 874 å bestemme de krefter som innvirker på skipet, før de gjør seg gjeldende. Til formålet blir der rundt skipet i bestemte avstander lagt ut bøyer forsynt med måleinstrumenter som melder sine måleverdier med hensyn til vind, bølger, strøm-ning til en sentral på skipet. Dermed er det mulig på et tidlig stadium å frembringe motkrefter via drivorganene og i det minste hindre naturkreftene i å komme til virkning fullt ut. En mangel ved denne fremgangsmåte er å se i den omstendelige og tids-krevende bestemmelse av måleverdier.

Sluttelig er der i DE-OS 22 45 166 beskrevet en anord-ning som tjener til dynamisk posisjonering, og som via driv-organer for og akter samt en reguleringsinnretning frembringer skyvekrefter som skal motvirke de ytre krefter med hensyn til retning og styrke. Skipets posisjon blir først bestemt overfor faste referansepunkter, og ut fra en posisjonsendring blir de nødvendige motkrefter frembragt via drivorganene. I tillegg er der installert instrumenter som måler akselerasjon og gir opphav til styresignaler som via drivanleggene frembringer krefter som skal bringe enhver akselerasjon på null. Videre er der kjent en såkalt foregripende kobling som i servokretsen for driv-elementene innfører signaler som kommer til virkning før aksele-rasjons- og posisjonsmåleinstrumentene reagerer. Denne koblings funksjon vil kunne anses som en slags grovregulering som etter-følges av en mer nøyaktig utregulering av posisjonsavviket.

Forøvrig befatter dette skrift seg med utregulering av forstyrrende dreiemomenter som innvirker på skipet. Slike me-toder kan ikke anvendes med hell når det dreier seg om skip med usymmetriske påbygg, noe som for det meste forekommer ved de nevnte spesialfartøyer. En ulempe ved denne fremgangsmåte er å se i at kurven for det forstyrrende moment har to minima innenfor en vinkel på TT/2. Dermed kan der ved plutselige end-ringer i forstyrrende krefter, f.eks. ved skiftende vindretning inntre ustabile tilstander.

Den oppgave som ligger til grunn for oppfinnelsen, «r

å se i å realisere en fremgangsmåte hvormed den arbeidseffekt som skal-til for posisjonering av et skip, blir slik tilmålt og optimert at virkningen av de forstyrrende krefter blir mini-malisert via skipskursen og/eller dimensjoneringen av propel-lenes skyvekrefter.

For løsning av denne oppgave går den foreliggende opp-finnelse ut på at summen av alle måle-tverrkrefter tilføres reguleringsinnretningen som reguleringsstørrelse, samtidig som grovreguleringen etter valg skjer ut fra skipstverrkraften eller fra de forstyrrende krefter og finreguleringen ut fra skyvekraft og skyveretning, og at grov- og finregulering kommer til anvendelse i fellesskap'.

De vesentlige fordeler ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen består i at det, hvis skipets kurs legges slik i forhold til de forstyrrende krefter at tverrkreftene blir null, bare blir nødvendig å kompensere et resterende forstyrrende moment. Til dette behøves pga. de lange vektarmer (skips lengde) bare en liten effekt. Da dynamisk posisjonerte skip med hensyn til effekt er dimensjonert for maksimale forstyrrende krefter propellene det meste av tiden arbeider i dellastområdet,

er det mulig å avlaste baugpropellene og dermed oppnå en stor innsparing av brensel.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli ytterligere belyst ved et utførelseseksempel som er anskueliggjort på tegningen.

Fig. 1 er et diagram over den forstyrrende kraft og det forstyrrende moment som angriper på et skip, samt skyvekreftene og

fig. 2 er et skjema over en reguleringsinnretning ifølge oppfinnelsen i samvirkning med det samlede anlegg.

Den totale forstyrrende kraft F 4.^4.» som setter seg

J uro tot

sammen av komponentene F og F , tenkes å angripe i et

* y uro 3 x uro 3 c tyngdepunkt T og falle under en vinkel auro- Drivanordningene fc. skipspropellene ved hekk og baug er avmerket med henholdsvis P, og P2.

De skyvekrefter som disse drivanordninger utøver, er be-tegnet med henholdsvis F^, sammensatt av komponentene F^x og F^y» og F2, sammensatt av komponentene F2X og F2y og er rettet motsatt den forstyrrende hovedkraft F ... Forutsetter man at summen

J uro tot

av tverrkreftene skal være et minimum i samsvar med ligningen

F .. = F, + F_ = minimum (null)

ytot = ly + 2y = minimum < null>

kan reguleringsstørrelsene fås ut fra de følgende relasjoner:

a) Dannelse av måleverdistørrelsene ut fra måleverdiene Fl' al °9 F2' a2

F 4_ 4_ <=> F, + F- skal være et minimum,

ytot ly 2y

For propell-drivanordningen P^ gjelder da

F, / F, = sina, eller F, = F, . sina,,

ly ' 1 1 ly 1 1

og for P2

F2y / 2 ~ sina2 eHer F2y = F2 * s^-na2*

Derav følger F tQt = F^ . sina^ + F2 • sina2.

b) Dannelse av måleverdistørrelser ut fra ønskeverdien F y£

Fyø er regulerings-utgangsstørrelsen ut fra skipets y-awik i forhold til y-ønskeverdien og dermed propor-sjonal med den skyvestørrelse F toJ. som skal dannes i y-retningen. Benyttes denne verdi F som utregulerende størrelse, har den den fordel i forhold til løsningen ifølge a) at de forsinkelser som er gitt ved drivanordningene, faller bort. Videre er det gunstig at F^0 allerede foreligger forhåndsbestemt og der således ikke behøves ytterligere måleapparater, c) Måleverdibestemmelse av størrelse og retning av skyvekraften av hekk- og baugpropellene. Ved vektoriell addisjon av de forstyrrende vektorer som angriper i punktet T av skipet med hensyn til størrelse og retning til den totale forstyrrende stør-relse, f.eks. strømningsretning, strømningshastighet, vind, bølger, hvorunder man får å ta hensyn til de for skipet spesifikke relasjoner mellom de forstyrrende størrelser som vindstyrke og vindretning og skipets motstandsvei:ider som vindmotstand, fås da

eller F .. = F j_ .. sina

eller ytot <=> uro tot uro

Den nettopp omtalte avledning av reguleringsstørrelsen byr på fordelen av øyeblikkelig innføring av størrel-sen F„„^ .. i regnemaskinen uten forsinkelse fra skipets

uro tot 3 c tidskonstant, men har ulempen av unøyaktighet, da der ved opptak av de forstyrrende størrelser selvsagt kan forekomme unøyaktigheter, d) Som ytterligere mulighet blir å anse en kombinasjon av de regneprosesser som er nevnt under c) og a), resp. b) og a). Hvis beregningen ifølge c) innføres i regnemaskinen uten forsinkelse, fås en rask grovregulering

med en underlagret finregulering ifølge de første

regneprosesser a) og b). På grunn av de for skipet faste parametre kan denne reguleringsmåte være vesentlig mer nøyaktig.

I blokkskjemaet. på fig. 2 sammenfatter den loddrette linje øverst til venstre de forstyrrende størrelser som innvirker på skipet, som vindhastighet og -retning, strømningshastighet og -retning samt bølgehastighet og -retning. Blokken 1 betegner den fysikalske modell for dannelse av de forstyrrende størrelser, over hvilken de forstyrrende krefter og momenter innvirker på skipet. Blokk 2 bestemmer ut fra de forskjellige innvirkende størrelser den forstyrrende kraft på skipet i y-retning, altså måleverdien av total tverrkraft Fytot> 1 en sammenligningsdel 3 blir denne verdi sammenlignet med ønskeverdien F ^ Q^, som skal utgjøre et minimum. Avviket AFytot <til>føres en regulator 4 som ut fra avviket i tverrkraft danner ønskeverdien V . for skipskursen. En sammenligning med målt skipskurs Y mi blokk 5 leverer kursavviket AY, som innføres i en ytterligere regulator 6 og gir ønskeverdien for dreiemomentet.

I et sammenligningsledd 7 for ønske- og måleposisjon blir ønskeverdiene for skipets langskoordinat x^ og tverrkoordinat y^ innført for ved henholdsvis 8 og 9 å sammenlignes med de respek-tive måleverdier. De konstaterte avvik A og A går inn i regu-x y

latorer henholdsvis 10 og 11 for bestemmelse av langsgående og tversgående skyvekraft henholdsvis Fx og F . Ut fra inngangs-størrelsene F^ og F danner en fast oppbygget eller fritt programmerbar logikk 12 for skyvekraftfordelingen under inn-føyelse av en omdreiningstalldanner 13 omdreiningstallene ni og n2 for drivinnretningene ved henholdsvis hekk og baug samt ytterligere inngangsstørrelser for innretningen 14 til skyvekraft-dannelse. Utgangssignalene fra denne innretning 14 representerer skyvestørrelsene F^ og F2 samt forskyvningsretningene a., og a^, som innvirker som kraftkomponenter på skipet 15. Skipet 15 be-skriver så den herav resulterende skipsbevegelse, som får en til-bakevirkning på de ytre forstyrrende krefter.

Virkemåten av innretningen er som følger: Inngangsverdiene for styreautomatikken til optimering av skipskursen for den dynamiske posisjonsfiksering kan fås på for-skjellig måte: a) Som måleverdi tjener størrelse og retning av kreftene fra fremdriftsmidlene i henhold til regneprosess a.

Som inngangsverdier fås dermed måleverdien av summen av skipets tverrkrefter F .. m og ønskeverdien av summen

c ytot m

av skipets tverrkrefter F 4.Qt ^ = 0 ved sammenligningsleddet 3. Dertil kommer ønskekursen V , som stiller seg

inn som reaksjon av det dreiemoment som ved hjelp av propellen virker på skipet som innstillingsstørrelse. Som utgangssignal fra styreautomatikken fås dreiemoment-ønskeverdien som ved hjelp av en regnealgoritme-blokk 12 omregnes til innstillingsverdier for F^, og <F>2, <a>2.

c) Ut fra den vektorielle addisjon av de angripende forstyrrende vektorer, som strøm, vind og bølger, med hensyn

til størrelse og retning, som går inn i regulatoren 1, bestemmes den totale forstyrrende kraft FurQ tot<->

Til dette behøves de for skipet spesifikke relasjoner mellom forstyrrende størrelser, f.eks. vindstyrke og retning, og motstandsverdier, f.eks. vindmotstand. På fig. 2 er denne mulighet representert ved den punktert inn-tegnede blokk 2. Fra blokk 2 fås som utgangssignal måleverdien av den samlede forstyrrende størrelse istedenfor summen av skipets tverrkrefter. Denne måleverdi foreligger dermed ved sammenligningsleddet 3.

Metode c har riktignok den fordel av innføring ^ av F yt, ot . kan skje raskere enn ved metode a) resp. b), dvs. uten forsinkelse forårsaket av skipets tidskonstant. Den representerer dermed en grovregulering som en finregulering etter metode a) er underlagret. Med overlagring av metodene a) og b) resp. a) og c) er det mulig å omregne den totale forskyvningskraft til drivanordningene.

Fastleggelsen av innstillingsverdiene for propellen forut og akterut med hensyn til skyvestørrelse F og retning a må til-fredsstille den betingelse av propellene ikke arbeider mot hverandre, dvs. at F^x og F2x må ha samme fortegn. Betingelsen for dette kan uttrykkes

noe som betyr at den resulterende verdi av første pluss annen stør-relse må være lik eller større enn den første størrelse.

Ifølge oppfinnelsen gjør man bruk av en automatikk som på-styrer propellen slik at skyvekraften fra bakre propell i lengde-retningen står i et variabelt, men absolutt positivt forhold til den fra forreste propell:

a (a stadig positiv)

Da skipet under posisjonsfikseringen stadig må ligge med baugen mot de forstyrrende krefter, blir forholdet mellom de langsgående forskyvningskrefter F^x/F2x <m>aksimalisert v^d hjelp av et avfølende reguleringsapparat og bare begrenset ved den maksimale effekt for

Herved fås en vesentlig reduksjon av den totale driveffekt som må installeres. Dette følger av overflytning av effekt fra baug- til hekkpropell ved: I. minsket innvirkning av baugpropell på hekkpropell, dvs. hekkpropellens virkningsgrad blir høyere da inngangs-hastigheten ikke begrenses av strålen fra forreste propell. II. en minskning av skipets friksjonsmotstand, fordi den økede påstrømning fra den forreste propell langt på

vei faller bort, og

III. utkobling av den ene av to, eventuelt to av tre, propeller fortil når overføringen av effekt til bakre propell til-later det.

Sammenfatningsvis kan det sies at styreautomatikken til effektoptimalisering har ønskeverdiene for kreftene og momentet som inngangsverdier. Den regner ut ønskeverdiene av de enkelte skyvekrefter etter i og for seg kjente ligninger for momenter og krefter. Ved hjelp av en fast oppbygget eller programmert logikk i blokken 12 blir det nå forhindret at skyvekreftene virker mot hverandre, og ved en avfølingsregulering blir forholdet bragt på et maksimum, dvs. regulert til F. F, , .

11 maks

Claims (1)

1. Fremgangsmåte til automatisk posisjonering av et skip, særlig et boreskip, under anvendelse av til formålet bestemte drivanlegg, og en reguleringsinnretning for disse med en grov-og en finreguleringskrets, hvormed skipet plasseres i hovedretningen for de forstyrrende krefter, karakterisert ved at summen av alle måle-tverrkrefter (Fy. , „)

   J tot m tilføres reguleringsinnretningen (3, 4) som reguleringsstørreise, samtidig som grovreguleringen etter valg skjer ut fra skipstverrkraften (Fy_) eller fra de forstyrrende krefter (Fy , .)

   Jø J ■'uro tot og finreguleringen ut fra skyvekraft (F) og skyveretning (a), og at grov- og finregulering kommer til anvendelse i fellesskap.