NO153887B - Styresystem for en aktiv bevegelseskompensator i et heisseanlegg. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et styresystem for en aktiv bevegelseskompensator i et heisanlegg, der en bærekabel strekker seg mellom en vinsj og en skive, og der kabelens fritthengende del danner en sløyfe som et legeme henger i og hvis lengde er ettergivende regulerbar fra en likevektsverdi som resultat av et stabiliseringssignal avledet fra et akselerasjonssignal som representerer et mål på den vertikale akselerasjon av en bærekonstruksjon og et lengdesignal som representerer en målt svingningsamplitude i sløyfens lengde.

Oppfinnelsen er i første rekke, men ikke utelukkende, beregnet for stabilisering av legemer som henger vertikalt i sjøen fra fartøyer eller andre flytende anordninger og blir utsatt for den samlede virkning av bølgebevegelse, vind og strømningskrefter. I et typisk tilfelle kan legemet henge over baugen eller akterenden av et fartøy av vanlig form og proporsjoner, og i et slikt tilfelle vil hiv og stamping være fartøyets hovedbevegelser som skal kompenseres. I

andre tilfeller kan legemet henge utover fartøyets -side og i så tilfelle vil hiving og rulling være de mest interessante bevegelser som det skal kompenseres for. Tilsvarende behov har man når det gjelder halvt neddykkbare borerigger og lignende. Slike fartøyer blir vanligvis ikke utsatt for rulling eller stamping i noen særlig grad, men kan allikevel være utsatt for virkningen av hiving og av den grunn er montering av bevegelseskompenserende midler nødvendig for å få til den ønskede stabilitet av det hengende legemet.

Som eksempler på hengende legemer kan nevnes dykkerkammere eller andre undervannsanordninger som det av en eller annen grunn er ønskelig å holde stasjonært eller stort sett stasjonært i forhold til sjøbunnen, uansett hva virkningen er av de samlede vertikale bevegelseskomponenter fra fartøyet.

En ideell bevegelseskompensator vil holde det hengende legemet fullstendig stasjonært i forhold til sjøbunnen uansett hvor store de vertikale hastigheter og akselerasjoner er ved opphengningspunktet på det bærende fartøy. Bevegelseskompensatorer kan stort sett deles i to grupper som betegnes som "passive" og "aktive".

En "passiv" kompensator er en der størrelsen på kompenser-ingen er avhengig av størrelsen på kompenseringssystemets forskyvning fra en likevektsstilling, mens en '\aktiv" kompensator er en kompensator der størrelsen av kompenser-ingen forandres på grunnlag av en eller flere målinger av utstrekningen av den bevegelse som skal kompenseres. Formåletmed foreliggende oppfinnelse er å komme frem til et styresystem for en aktiv bevegelseskompensator av den ovenfor beskrevne art og oppfinnelsen kan komme til anvendelse både på "passive" og "aktive" kompensatorer.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser en "passiv" kompensator i henhold til vanlig praksis,

fig. 2 viser en "aktiv" kompensator i vanlig utførelse,

fig. 3 viser en "aktiv" kompensator med en anordning for måling av den vertikale avstand mellom fartøyet og hav-bunnen og

fig. 4 og 5 viser blokkdiagrammet for styresystemer i henhold til foreliggende oppfinnelse.

På fig. 1 som skjematisk viser et typisk mønster for en passiv bevegelseskompensator, er undervannslegemet 1 opp-hengt i en kabel 2 som er viklet på en vinsjtrommel 3 etter at den er ført over baugskiven 4, og de passive kompensatorskiver 5 og 6. Skiven 6 er festet til krysshodet 7 som er styrt av styringer 8 og 9, festet til fartøykon-struksjonen. Kabelen 2 løper over faste kompensatorskiver 5 og den bevegelige kompensatorskive 6 på sin vei fra vinsjtrommelen 3 til det hengende legeme 1. Vinsjen 3 benyttes opprinnelig til innstilling av det hengende legeme 1 i forhold til sjøbunnen eller i forhold til en annen referanseverdi som er angitt som avstanden x. I det eksempel som her behandles, er den neddykkede vekt av legemet 1 og det vertikale løp av kabelen 2, sammen større enn vekten av krysshodet 7 og skiven 6. Hvis man da ikke har noen motvirkende kraft, vil det vire tilbøyelighet til at krysshodet 7 stiger vertikalt under påvirkning fra vekten av det hengende legeme 7 og kabelen 2. En slik motsatt rettet kraft utøves av en eller flere pneumatiske sylindere 10 hvis stempelstenger 11 er festet til krysshodet 7.

Husene for sylindrene 10 er stivt festet til fartøyskonstruk-sjonen. De pneumatiske sylindere 10 er med ledninger 12 koblet til et trykkar 13. Trykkaret 13 kan være satt under trykk på forhånd til et hvilket som helst ønsket nivå og dermed utøve en permanent trykkraft på boringssiden av sylindrene 10. På denne måte vil krysshodet 7 på en effektiv måte være "fjærbelastet" av det pneumatiske sylinder/ trykkarsystem 13 og gi en "fj#ring", som er tilstrekkelig lav, d.v.s. at volumet av karet 13 er passende større enn det effektive volum av sylindrene 10, hvorved friksjonskrefter og treghet for det hengende legeme 1 vil søke å bringe legemet 1 til å svinge vertikalt i forhold til sjøbunnen med en mindre amplitude enn for skiven 4 i fartøyets baug. Kraften som skal overvinne friksjonen og opprettholde bevegelse av krysshodet 7, må frembringes ved akselerasjon av det hengende legeme 1 og dermed vil amplituden og bevegelsen av det hengende legeme 1 alltid være ganske betydelig og kan bli meget stor ved lave frekvenser på bølgebevegelsen.

For å redusere disse problemer og forbedre de dynamiske egenskaper ved bevegelseskompensatorsystemet, er det blitt utviklet såkalte "aktive" former for kompensatorer. En utførelse for et aktivt bevegelseskompenserende system er vist skjematisk på fig. 2.

På fig. 2 omfatter et typisk aktivt bevegelseskompenser-

ende system alle de elementer man finner i det passive system som er vist på fig. 1, med tillegg av et hydraulisk undersystem som ligger på en eller flere hydrauliske sylindere med like arealer. For oversiktens skyld, er kryss-hodestyringene 8 og 9 på fig. 1 utelatt på fig. 2. De ytterligere elementer som utgjør det hydrauliske undersystem danner en hydrostatisk drivanordning som bygger på

to sylindere 14 med balanserte arealer og som står i et 2:1 mønster i forhold til krysshodet 7 ved hjelp av driv-kjeder 15. Husene for sylindrene 14 er festet til fartøy-konstruksjonen. Sylindrene 14 får drivmedium fra en hydraulisk pumpe 16 med variabelt fortrengningsvolum. Denne enhet drives av en elektrohydraulisk servoventil 17 som mates med høytrykksfluidum fra en liten hjelpepumpe 18.

Den hydrostatiske sløyfe 19 settes under trykk av en ytterligere hjelpepumpe 20 via et par tilbakeslagsventiler 21, mens en sikkerhetsventil 22 er anordnet for innstilling av trykket. Den hydrostatiske overføring omfatter også et ytterligere par høytrykks tilbakeslagsventiler 23 og en høytrykks sikkerhetsventil 24. Videre har det hydrauliske system et fluidumreservoar 25 og en normal sats av filtere 26, samt annet tilhørende utstyr.

Det vil for fagfolk være kjent at det er to hovedmåter å anvende aktive bevegelseskompensatorer på. En måte er vist på fig. 2, og ved denne utførelse foregår styring av servoventilen 17 ved hjelp av et styresystem C, som påvirkes av signaler frembragt av f.eks. en passende bevegelsesfølsom anordning M. Man vil se at i dette tilfelle finner det ikke sted noen direkte måling av den vertikale avstand mellom far-tøyet og sjøbunnen. Ved denne anvendelse, vil man da ha en tilbøyelighet til at dimensjonen "x" på figuren over lang tid kan variere etter en tidsskala som kan måles i minutter eller timer. Et trekk ved foreliggende oppfinnelse er rettet mot en helautomatisk kompensasjon for langtids variasjonen for posisjonen av det hengende legeme i forhold til sjøbunnen. Delt annet trekk ved oppfinnelsen angår frembringelse og på-trykning av et signal som gir korreksjon for virkningene av friksjon.

Fig. 3 viser skjematisk den alternative måte å anvende den aktive bevegelseskompensator på. Ved denne utførelse er det truffet foranstaltninger for å måle den vertikale avstand mellom fartøyet og sjøbunnen, det vil si dimensjonen "Y". Avstandmålingen kan foregå på forskjellige måter. En metode er å benytte et lodd 29 som senkes til sjøbunnen i en line 30 og som holdes under konstant spenning med utstyr som ikke er vist. Til en passende trommel eller en skive i dette system, er det festet en transduktor 31 som skaper et avstandssignal og dette overføres til sytresystemet. Alternative metoder til måling av avstanden "Y" innbefatter anvendelse av en transponder 32 som ligger på sjøbunnen og en spørreenhet 33 for transponderen. Denne enhet avgir også et avstandssignal for videreføring til styresystemet. En tredje måte å løse problemet med måling av avstanden

"Y" på, er anvendelse av et ekkolodd med høy presisjon som er anbragt i fartøyet ved punktet 33 eller på et annet hensiktsmessig sted.

I henhold til oppfinnelsen er et styresystem av den beskrevne art for en aktiv bevegelseskompensator der bære-kabelen som strekker seg mellom en vinsj og en skive og i hvilken kabellegemet henger, danner en sløyfe der lengden av sløyfen er ettergivende forskyvbar fra en likevektsverdi, kjennetegnet ved at lengden av sløyfen endres i styrt av-hengighet av både målt vertikal akselerasjon av skiven og av målt amplitude på oscillasjonene i sløyfens lengde.

Et styresystem i henhold til oppfinnelsen innbefatter for-trinnsvis en automatisk kompensasjonsanordning for ut-ligning av langtidsvariasjoner.

Et styresystem i henhold til oppfinnelsen er vist som

eksempel på fig. 4 og 5.

Som det fremgår innbefatter styresystemet de to hoved-elementer som utgjør oppfinnelsen og som det er behov for å få til den nødvendige forbedring i egenskapene ved en aktiv bevegelseskompensator uten måleutstyr for avstanden mellom fartøyet og sjøbunnen, d.v.s. som vist på fig. 2.

Det hydrauliske system for den aktive bevegelseskompensator er hovedsaklig det samme som vist på fig. 2, men er bare del-vist gjengitt på fig. 4 og 5 for oversiktens skyld. I styre-anordningene i henhold til oppfinnelsen finnes det to hoved-transdiiktorer som frembringer inngangssignalene til styresystemet. Disse er enkodere 27 for krysshodeforskyvningen og frembringer et digitalsignal for krysshodeposisjonen i forhold til en midtpunktreferanse og et baugakselerometer 28 som frembringer et analogsignal proporsjonalt med den vertikale akselerasjon av skiven 4 som sitter i baugen.

De funksjoner enkoderen for krysshodeforskyvningen har, er disse: i) etter passende dekoding og digital-til-analog omformning mates utgangen til en indikator 34

for krysshodeposisjonen. Denne indikator er et instrument med null i sentrum og gir den som over-våker systemet en angivelse av amplituden på krysshodets 7 oscillasjoner.

ii) Det analoge signal ( 2x(krysshodeforskyvning))

mates til en krets 35 for endebegrensning av bevegelsen. Dévnne krets har de egenskaper som er vist på diagrammet og frembringer forskyv-ningssignaler for hastighetskravsignalet når krysshodet nærmer seg enten den ene endebegrensning eller den annen endebegrensning av sin be-bevegelse fra midtstillingen.

iii) Det analoge signal (2x(krysshodeforskyvning)) mates via stillingen 4 av venderen 4 til en summerende forsterker S5, der det kombineres med signalet for baugens forskyvning. Dette siste signal fåes ved

dobbelt integrering av baugakselerasjonssignalet som frembringes av baugakselerometeret 28. Disse integreringer foregår etter tur i en første integrator 36 og en andre integrator 37. Utgangen (YB - 2x(krysshodeforskyvning)) fra den summerende forsterker S5, mates til en forskyvningsindikator M2. Denne er et instrument med sentralt null og gir mannskapet en angivelse av forskyvningen av undervannslegemet 1 fra den ønskede dybde. Denne del av styresystemets drift er omhandlet mer i detalj i den følgende del av beskrivelsen.

De øvrige stillinger av venderen 4 skaper de følgende mulig-heter :

Stilling 1 - Dette gjør det mulig å innføre et prøvesignal

i S5, slik at man kan forvisse seg om at S5 og

M2 virker tilfredsstillende.

Stilling 2 - Dette gjør det mulig å mate det første integral av baugakselerasjonen, d.v.s. baughastig--heten v„ a direkte til S5. Med venderen i denne

stilling, vil M2 gjengi denne parameter. Stilling 3 - Denne gjør det mulig å mate det dobbelte integral av baugens akselerasjon, d.v.s. baugens forskyvning Y direkte til S5, uten summering med 2x(krysshodeforskyvning) signalet. Følgen av dette er at i denne stilling vil M2 gi en indikasjon av denne parameter,

iv) For automatisk kompensasjon av langtidsvariasjonen,

blir krysshodets analogsignal matet via en dempekrets 38 til den første integrator 36. Dette har den virkning at de gir krysshodet en "midtsøkende" tendens. På samme måte blir det ikke-lineære signal fra utgangssiden av kretsen 35 for endebegrensning av bevegelsen matet via en dempekrets 39 til integratoren 36. Under normale tilstander vil dette signal være null når krysshodet 7 ligger innenfor sitt arbeidsområde, men når det nærmer seg den ene

eller annen ende av sin bevegelse vil et økende signal bli matet via dempekretsen 39, og dermed frembringe en korrigerende tendens når det gjelder langtidsvariasjonen som man kan forutsette har funnet sted, og som har bragt krysshodet til å bevege seg mot den ene eller annen ende av sin bevegelse i første tilfellet.

Med videre henvisning til baugakselerometeret 28, vil man

se av fig. 4 at dets utgang a etter integrering i den første integrator 36 føres via en dempekrets P8 som et signal v_ ti x P8 med krav om hastighet til en summerende forsterker hvis utgang føres via venderen S3 til en ytterligere forsterker 41, der det sammenlignes med signalet 43 fra transduktor for tumleplateposisjon til frembringelse av et feil-signal. Dette vil på sin side drive den elektrohydrauliske servoventil 17 for å frembringe en strøm av hydraulisk fluidum til tomleskivesylindrene 42 proporsjonalt med feilen. Det skal påpekes at dette styresystem kan arbeide hovedsaklig i en åpen sløyfe. De andre stillinger av venderen S3 benyttes slik:

Passiv stilling

Dette kobler inngangen til forsterkeren 41 til jord og holder stillingen av undervannslegemet 1 fast i forhold til fartøyet.

Manuell stilling

Dette benyttes for å innføre et signal (via heve/senkevender S6) til forsterkeren 41 for den første innstilling med krysshodet 7 i sin midtstilling. Denne mulighet sammen med drift av vinsjen 3, gjør det mulig å foreta den første innstilling av undervannslegemet 21 i den ønskede dybde.

Det vil være klart for fagfolk at den hydrauliske krets for det aktive system som hovedsaklig er en hydrostatisk sløyfe, har visse ulemper som skyldes fluidets sammentrykkbarhet og slipp på grunn av fluidumlekkasje. Virkningen av fluidets sammentrykkbarhet er en forsinkelse i følsomheten for den hydrostatiske krets, og for å redusere denne virkning, blir signalet vD x P8 for krav om hastighet, matet til en summerende forsterket 40 og det resulterende akselerasjonssignal føres til den summerende forsterker 40. Den resulterende fremskyvning er beregnet på å utligne den forsinkelse som oppstår i systemet. I praksis vil det rene akselerasjonssignal som frembringes av akselerometeret 28 i baugen, ikke være en hensiktsmessig kilde for dette signal, fordi baugens akselerometer 2 8 og den direkte tilknyttede; integrator 2 6

er anbragt i et temperaturregulert kammer som står like over skiven 4 og dermed temmelig fjernt fra resten av kontroll-utstyret .

Virkningen av friksjonen gjennom hele systemet fører til

en nedsatt reaksjon på signalet for krav til hastighet.

Denne virkning kompenseres av friksjonskorrigeringskretsen

45. I prinsippet er denne krets en utgangsforsterker med høy forsterkningsgrad og begrenset utgang, som frembringer en avskåret form av den stort sett recinusformede inngangsbølge som representeres av vD. Den resulterende, tilnærmet fir-kantbølge er i fase med den opprinnelige v^. For videre å forbedre egenskapene ved denne krets, blir også en ytterligere firkantfølge 46 matet fra kretsen 45 til en differensiator hvis utgang mates til den summerende forsterker 40, for her å bli blandet med firkantbølgesignalet og sinus-signalet v x P8. Firkantbølgeelementet fra friksjons-kretsen 45, blir også justert for å kompensere for slipp i systemet, mens differensialkomponenten ved: begynnelsen av hver halvperiode, sørger for en viss kompensering av "kleb-ningen" (d.v.s. en tilbøylighet for friksjonskoeffisienten til å være større når de forskjellige deler er stille-stående, men avtar idet bevegélsen begynner). Utgangen fra den summerende forsterker 40 danner det endelige signal for hastighetskrav som mates til forsterkeren 41.

I praksis vil tilføyelse av friksjonskorrigeringskretsen 45 by på nyttige forbedringer når det gjelder nøyaktigheten ved posisjoneringen av undervannslegemet, sammenlignet med kjente eksempler på aktive bevegelsesbegrensende anordninger som ikke har slik korrigeringskrets.

Claims (3)

1. Styresystem for en aktiv bevegelseskompensator i et heiseanlegg, der en bærekabel (2) strekker seg mellom en vinsj (3) og en skive (4) og der kabelens fritthengende del danner en sløyfe som et legeme henger i og hvis lengde er ettergivende regulerbar fra en likevektsverdi som resul-tatet av stabiliseringssignal avledet fra et akselerasjonssignal som representerer et mål på den vertikale akselerasjon av en bærekonstruksjon og et lengdesignal som representerer en målt svingningsamplitude i sløyfens lengde, karakterisert ved at akselerasjonssignalet frembringes av et akselerometer (28) montert ved siden av skiven (4) og at systemet har en integrator (36) for på grunnlag av akselerasjonssignalet å avlede et ytterligere signal som representerer skivens (4) vertikale hastighet og en anordning (45) for fra hastighetssignalet å avlede et kompenseringssignal som modifiserer stabiliseringssig-nalet på en måte som utligner virkningen av friksjonen i systemet.

2. Styresystem som angitt i krav 1, karakterisert ved at det omfatter en summerende forsterker (40) som tilføres'dét nevnte ytterligere signal fra integratoren (36) og det nevnte lengdesignal, og en anordning (17) for styring av sløyfens lengde som reaksjon på utgangen fra den summerende forsterker.

3. Styresystem som angitt i krav 2, karakterisert ved at en del av utgangssignalet fra integratoren (36) er innrettet til å bli matet til den summerende forsterker (40) som et første korrigeringssignal og en annen del av utgangssignalet fra den nevnte integrator, mates til en krets (45) som er innrettet til å frembringe en tilnærmet firkantbølge i fase med det nevnte utgangssignal, der en del av dens utgang mates til den summerende forsterker (40) som et andre korrigeringssignal og en annen del av dens utgang mates til en differensiator (44) som er innrettet til på grunnlag av firkantbølgeinngangen å frembringe et diffe-ransesignal som også mates til den summerende forsterker (40), idet signalet blir kombinert slik ara utgangen fra den summerende forsterker (40) også,i det minste delvis, utligner for slipp og ettergivenhet i det hydrauliske system.