NO173673B

NO173673B - PROCEDURE AND SYSTEM FOR PIPE CONTROL OF THE WATER

Info

Publication number: NO173673B
Application number: NO91912195A
Authority: NO
Inventors: Cato Franck; Edgar Jellum
Original assignee: Kvaerner Eureka As
Priority date: 1991-06-07
Filing date: 1991-06-07
Publication date: 1993-10-04
Also published as: NO912195L; NO173673C; NO912195D0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og et system ved stikkestyring av vannjet. The present invention relates to a method and a system for stab control of a water jet.

Manøvrering av hurtigbåter med to vannretter utføres i dag ved at operatøren styrer vinkel og kraft på hver av vannrettene (eventuelt sammenkoblet). Det har vist seg at i praksis vil en operatør ikke uten videre kunne sette seg ned å styre vannjetten ut fra den ønskede bevegelsen til fartøyet. Det har vist seg at det kreves lengre tids erfaring og utprøving før operatøren er i stand til å styre fartøyet, da operatøren må, ut fra erfaring, ta hensyn til de krefter som virker på fartøyet, samt fartøyets egenskaper. Maneuvering of speedboats with two watercourses is carried out today by the operator controlling the angle and power of each of the watercourses (possibly connected). It has been shown that in practice an operator will not be able to sit down and control the water jet based on the desired movement of the vessel. It has been shown that a longer period of experience and testing is required before the operator is able to steer the vessel, as the operator must, based on experience, take into account the forces acting on the vessel, as well as the vessel's characteristics.

Et fartøy som beveger seg i vann har seks frihetsgrader for fartøybevegelsen, nemlig jag, som er bevegelsen i en y-retning, og svai, som er bevegelse i en x-retning, hiv, som er bevegelse i en z-retning, rull, som er rotasjon om y-aksen, stamp, som er rotasjon om x-aksen, og gir, som er rotasjon om z-aksen. Alle disse bevegelsene er det nødvendig å ta hensyn til ved stikkemanøvreringen, og det skulle være innlysende at ved manøvrering av fartøyet er det kun erfaring som kan lære en operatør å ta hensyn til disse bevegelsene ved manøvrering av fartøyet. A vessel moving in water has six degrees of freedom for vessel movement, namely yaw, which is movement in a y-direction, and sway, which is movement in an x-direction, heave, which is movement in a z-direction, roll, which is rotation about the y-axis, ram, which is rotation about the x-axis, and gear, which is rotation about the z-axis. All these movements need to be taken into account when maneuvering the stick, and it should be obvious that when maneuvering the vessel, only experience can teach an operator to take these movements into account when maneuvering the vessel.

I tillegg til den ovenfor nevnte bevegelse vil også fartøyets utforming, vekt og last måtte tas hensyn til ved manøv-reringen . In addition to the movement mentioned above, the vessel's design, weight and load will also have to be taken into account when manoeuvring.

Generelt kan de kreftene som påvirker fartøyet i bevegelse sammenfattes til: In general, the forces affecting the vessel in motion can be summarized as:

kontrollkrefter control forces

treghetskrefter inertial forces

hydrodynamiske treghetskrefter hydrodynamic inertial forces

hydrodynamiske dempningskrefter hydrodynamic damping forces

forstyrrelser disturbances

Kontrollkreftene er krefter/momenter som vannrettene påvirker fartøyet med. Det vil være hensiktsmessig å se på kraftbalan-sen i fartøyets tyngdepunkt slik at kontrollkreftene må dekomponeres til et aksekors i tyngdepunktet. The control forces are forces/moments with which the water rights affect the vessel. It would be appropriate to look at the force balance in the vessel's center of gravity so that the control forces must be decomposed into an axis cross at the center of gravity.

Treghetskrefter er krefter som påvirker ethvert legeme som er i bevegelse, og også for et fartøy som beveger seg i vann vil Newtons lov gjelde. Inertial forces are forces that affect any body in motion, and Newton's law will also apply to a vessel moving in water.

Hydrodynamiske treghetskrefter er fra omliggende vannmasser til et fartøy. Disse kreftene kan deles i 2 typer. Det oppstår en drag-effekt (friksjon) i fase med hastigheten. Det oppstår også en effekt i fase med akselerasjonen. Fartøyet opplever det som om det får en tilleggsmasse tilsvarende vannmassen fartøyet fortrenger ved akselerasjonen. Dette kalles addert masse. Hydrodynamic inertial forces are from surrounding bodies of water to a vessel. These forces can be divided into 2 types. A drag effect (friction) occurs in phase with the speed. There is also an effect in phase with the acceleration. The vessel feels as if it gains an additional mass corresponding to the mass of water the vessel displaces during acceleration. This is called added mass.

Hydrodynamiske dempningskrefter skyldes i første rekke to effekter. Et skrog som beveger seg i vann fungerer som en vinge og påvirkes av tilsvarende krefter. I tillegg påvirkes fartøyet av viskøse effekter som blant annet oppstår på grunn av turbulent strømning rundt skroget. Hydrodynamic damping forces are primarily due to two effects. A hull that moves in water acts like a wing and is affected by corresponding forces. In addition, the vessel is affected by viscous effects which, among other things, arise due to turbulent flow around the hull.

Forstyrrelseskrefter er krefter som påvirker fartøyet som følge først og fremst av bølger, vind og strøm. Disturbance forces are forces that affect the vessel as a result primarily of waves, wind and current.

Av ovenfornevnte skulle det klart fremgå at det er vanskelig for en operatør ved hjelp av erfaring å klare å ta hensyn til alle disse faktorene, og formålet med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en fremgangsmåte og et system hvor det automatisk tas hensyn til ovenfornevnte parametere. It should be clear from the above that it is difficult for an operator with the help of experience to manage to take into account all these factors, and the purpose of the present invention is therefore to provide a method and a system where the above-mentioned parameters are automatically taken into account.

Det må likeledes tas hensyn til forskjellige driftstilfeller, og ved foreliggende oppfinnelse har man valgt å skille mellom to ulike driftstilfeller, nemlig: 1. Lav-/høyhastighetsmanøvrering (kjøring i trange farvann/kjøring i åpent farvann med eller uten auto-pilot), Different operating cases must also be taken into account, and with the present invention it has been chosen to distinguish between two different operating cases, namely: 1. Low/high speed maneuvering (driving in narrow waters/driving in open waters with or without auto-pilot),

2. finmanøvrering (f.eks. legge til kai). 2. fine maneuvering (e.g. adding a berth).

Disse driftstilfellene bestemmes av stillingen på stikken (opp/ned) og hastigheten på båten. These operating cases are determined by the position of the stick (up/down) and the speed of the boat.

Driftstilfelle 1 vil sette mindre krav til regulerings-systemet. Posisjonen av reverseringsspjeldet vil være direkte avhengig av ønsket pådrag, og dysevinkelen vil være direkte avhengig av dreiing av stikken. For å oppnå bedre stabilitet i styringen er det mulig at det bør kun dreies en vannjet om gangen. All regulering vil bli gjort av føreren. Operating case 1 will place less demands on the regulation system. The position of the reversing damper will be directly dependent on the desired application, and the nozzle angle will be directly dependent on the rotation of the plug. To achieve better stability in the steering, it is possible that only one water jet should be turned at a time. All regulation will be done by the driver.

I driftstilfelle 2 må styresystemet foreta en uavhengig tildeling av vannjettene. Det er flere krav som må være med å bestemme reguleringsfilosofien, nemlig krav til antall kombinasjoner i bevegelsesfrihetsgrader, enkel betjening, reguleringsnøyaktighet, drivstofforbruk, slitasje. In operating case 2, the control system must make an independent allocation of the water jets. There are several requirements that must help determine the regulation philosophy, namely requirements for the number of combinations in degrees of freedom of movement, ease of operation, regulation accuracy, fuel consumption, wear and tear.

Fartøyets bevegelse har tre frihetsgrader, nemlig bevegelsen rett fram (jag), sideveis bevegelse (svai) og rotasjon (gir). Kravet til kombinasjon av frihetsgrader i manøvrering vil være avgjørende for valg av reguleringsstrategien. Som et minuskrav må følgende være mulig, nemlig: The vessel's movement has three degrees of freedom, namely forward movement (jaw), lateral movement (sway) and rotation (gear). The requirement for a combination of degrees of freedom in maneuvering will be decisive for the choice of the regulation strategy. As a minus requirement, the following must be possible, namely:

1. Jag, svai og gir separat. 1. Chase, sway and gear separately.

2. Kombinasjon av jag og svai. 2. Combination of rush and sway.

3. Kombinasjon av jag og gir. 3. Combination of rush and gear.

Formålet med stikkestyringer er altså at man skal ha tre verdier fra stikken (for jag, svai og gir) som gir referanse for kraft i den aktuelle retningen. The purpose of stick steering is therefore to have three values from the stick (for yaw, sway and gear) which provide a reference for force in the relevant direction.

Fig. 1 viser retningene for de ulike referansene fra stikken. Y tilsvarer jag, X tilsvarer svai og r tilsvarer gir. Fig. 1 shows the directions for the various references from the plug. Y corresponds to yag, X corresponds to sway and r corresponds to gear.

Strategi for tildeling av vannrettene vil være avhengig av om man hovedsakelig ønsker svai eller gir. Man kan tenke seg at styresystemet kan arbeide i en av to ulike modi under finmanøvrering, og at hver modus har sin strategi for tildeling av vannjettene. Referansen fra stikken bestemmer modus. The strategy for allocating the water rights will depend on whether you mainly want to sway or give. One can imagine that the control system can work in one of two different modes during fine manoeuvring, and that each mode has its own strategy for assigning the water jets. The reference from the plug determines the mode.

Modus 1 - ref. i jag, gir, kombinert jag/gir eller ingen referanse (=0). Mode 1 - reference in idle, gear, combined idle/gear or no reference (=0).

Modus 2 - ref. i svai, svai/lag, svai/gir eller svai/jag/gir. Mode 2 - ref. in sway, sway/lay, sway/gear or sway/chase/gear.

Det skal bemerkes at dersom man har referanse for svai og gir samtidig blir girreferansen gitt lavere forsterkning enn om man kun har gir/jag. Svai har høyere prioritet enn gir. It should be noted that if you have a reference for sway and gear at the same time, the gear reference is given a lower gain than if you only have gear/jaw. Sway has a higher priority than gear.

I et ideelt system vil man ønske tilbakemelding fra alle tre retninger jag, svai og gir, men ved lave hastigheter vil det være vanskelig å få god nøyaktighet i måling av jag og svai. In an ideal system, you would want feedback from all three directions yaw, yaw and gear, but at low speeds it will be difficult to get good accuracy in measuring yaw and yaw.

Ved finmanøvrering vil skipsføreren hele tiden operere stikken, og han vil utgjøre den overordnede regulerings-sløyfen. Hensikten med stikkemanøvreringen er å avlaste skipsføreren. Dette gjør man ved å frigjøre føreren fra å foreta en tildeling av vannjettene. I tillegg vil man også kunne la systemet foreta reguleringen av gir i modus 2. Systemet vil prøve å holde konstant kurs når føreren spesifiserer svai. For at reguleringen av gir skal oppfattes som behagelig for båtføreren bør det legges inn regulering av avvik i rotasjonshastigheten (endring i gir). Dersom rotasjonshastigheten har en viss verdi når man går over i modus 2 (svai) vil man la båten sige mot 0 rotasjonshastighet. Regulering på posisjon i gir vil gi mer "jaging". During fine manoeuvring, the master will constantly operate the rudder, and he will form the overall control loop. The purpose of the thrust maneuver is to relieve the master of the ship. This is done by freeing the driver from making an allocation of the water jets. In addition, the system will also be able to adjust the gear in mode 2. The system will try to keep a constant course when the driver specifies sway. In order for the adjustment of the gear to be perceived as pleasant for the boat operator, adjustment of deviations in the rotation speed (change in gear) should be included. If the rotation speed has a certain value when you switch to mode 2 (sway), you will let the boat drift towards 0 rotation speed. Adjusting the position in gear will give more "chasing".

Regulering av jag og svai vil foretas av føreren. Dersom man har en god tildelingsstrategi vil behovet for korreksjoner fra føreren reduseres. Systemet vil således være avhengig av god modell av båt og vannjetsystem. Regulation of yaw and sway will be carried out by the driver. If you have a good allocation strategy, the need for corrections from the driver will be reduced. The system will therefore depend on a good model of boat and water jet system.

I driftstilf elle 1 vil ikke krav til drivstofforbruk og slitasje være avgjørende, men reguleringsnøyaktighet og behagelig betjening vil være overordnet. In operating case 1, requirements for fuel consumption and wear and tear will not be decisive, but regulation accuracy and comfortable operation will be paramount.

Ovenfornevnte tilveiebringes ved hjelp av en fremgangsmåte av innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1, samt ved hjelp av et system av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 2. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene. The above is provided by means of a method of the nature mentioned at the outset whose characteristic features appear in claim 1, as well as by means of a system of the kind mentioned at the outset whose characteristic features appear in claim 2. Further features of the invention appear in the other non-independent claims.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser retningene for de ulike referansene fra In what follows, the invention will be described in more detail with reference to the drawings, where: Fig. 1 shows the directions for the various references from

stikken. the sting.

Fig. 2 viser et forenklet skjematisk blokkdiagram av reguleringsanordningen ifølge foreliggende opp-f innelse. Fig. 2 shows a simplified schematic block diagram of the regulation device according to the present invention.

Fig. 3 viser en skisse av tildelingen i de to modi. Fig. 3 shows a sketch of the assignment in the two modes.

Fig. 4 viser et mer detaljert blokkdiagram av reguleringen Fig. 4 shows a more detailed block diagram of the regulation

vist på fig. 1. shown in fig. 1.

Fig. 2 viser en grovoppdeling av reguleringen. I blokk 1 foregår filtrering, overvåking og regulering, idet den ønskede verdien innleses fra stikken sammen med en tilbakemelding fra båtens kurs og hastighet. Det foretas en filtrering av alle eksterne signaler, og det foretas likeledes en regulering av kursen som er aktiv i modus 2 (svai). Den ønskede verdien begrenses i avhengighet av driftstilstanden, blant annet hastigheten. Videre foretas en linearisering av forholdet mellom gir (rotasjonshastighet) og referanse fra stikken. Fig. 2 shows a rough breakdown of the regulation. In block 1, filtering, monitoring and regulation take place, as the desired value is read from the plug together with feedback from the boat's course and speed. All external signals are filtered, and the heading is also adjusted, which is active in mode 2 (sway). The desired value is limited depending on the operating condition, including the speed. Furthermore, a linearization of the relationship between gear (rotational speed) and reference from the plug is carried out.

I blokk 2 foregår tildeling av ønsket verdi for kraft og retning for hver vannjet. Strategien for tildelingen er avhengig om man opererer i modus 1 eller 2. Når man opererer innenfor en modus må man ha myk overgang mellom alle mulige kombinasjoner av ønsket verdi fra stikken. Når man beveger seg mellom to modi må man akseptere sprang i ønsket verdi for kraft og retning. På grunn av diverse filtrering og båtens treghet vil dette imidlertid ikke gi noe sprang i båtens hastighet. In block 2, the desired value for force and direction is allocated for each water jet. The strategy for the allocation depends on whether you operate in mode 1 or 2. When operating within a mode, you must have a smooth transition between all possible combinations of the desired value from the plug. When moving between two modes, one must accept leaps in the desired value for force and direction. However, due to various filtering and the boat's inertia, this will not give any jump in the boat's speed.

Fig 3 viser en skisse over tildelingen i de to modi. I modus 1 kan man tenke seg at vinkelen 02 holdes konstant lik maksimum utover, F2 kontrollerer gir mens Gl og Fl kontrollerer jag. I modus 2 kan man tenke seg at 02 holdes konstant lik maksimum innover, F2 kontrollerer svai, Fl kontrollerer jag og 01 regulerer gir. Fig 3 shows a sketch of the assignment in the two modes. In mode 1, one can imagine that the angle 02 is kept constant equal to the maximum outward, F2 controls gear while Gl and Fl control chase. In mode 2, one can imagine that 02 is kept constant equal to the maximum inward, F2 controls sway, Fl controls yaw and 01 regulates gear.

I blokk 3 bestemmes dysevinkler, reverseringsvinkler og motorpådrag. Det er meget komplisert å beregne størrelse og retning på resulterende kraft, men man kan sette opp følgende funksjoner: hvor a er en dysevinkel, 3 er vinkel på reverseringsmekanisme og t er motorturtall. På grunn av kravet til høy samplings-frekvens er det ikke mulig å beregne funksjonene f og g hver gang man endrer ønsket kraft for en vannjet. Man er nødt til å foreta en linearisering som vist eksempelvis nedenfor. In block 3, nozzle angles, reversal angles and engine load are determined. It is very complicated to calculate the size and direction of the resulting force, but the following functions can be set up: where a is a nozzle angle, 3 is the angle of the reversing mechanism and t is the engine speed. Due to the requirement for a high sampling frequency, it is not possible to calculate the functions f and g every time you change the desired power for a water jet. You have to carry out a linearization as shown for example below.

Det antas imidlertid at endringen mellom hvert sampel i styringen er så liten at man kan anta en lineær sammenheng. Man legger i tillegg inn en overordnet beregning som beregner A, B, Fq og ©o ut fra de komplekse funksjonene. Denne beregningen må kun utføres hvert 0,5-1,0 sekund. However, it is assumed that the change between each sample in the control is so small that a linear relationship can be assumed. In addition, an overall calculation is entered which calculates A, B, Fq and ©o based on the complex functions. This calculation only needs to be performed every 0.5-1.0 seconds.

I blokk 4 foretas en filtrering av grenseverdiovervåkning. Før man sender signalene ut til de fysiske komponentene må man foreta filtrering og grenseverdiovervåkning og her kan også diverse sikkerhetsfunksjoner legges inn. In block 4, limit value monitoring is filtered. Before the signals are sent out to the physical components, filtering and limit value monitoring must be carried out, and various safety functions can also be added here.

Fig. 4 viser skjematisk et mer utførlig blokkdiagram av reguleringen ifølge oppfinnelsen. Med henvisningstallet 5 er antydet styrestikken. Signalet avgitt av styrestikken 5 omformes i en analog/digital omformer til et digitalt signal før det tilføres en tilpasser 18 hvor det foretas en begrensning av den bestemte verdien fra stikken avhengig av driftstilstanden som tilføres via loggen 6 og gyroen 8, hvilke signaler omformet til digitale signaler via analog/- digital-omformerne 5, 9 før de tilføres tilpasseren 18. I blokken 19 foretas første kraftberegning ut fra verdiene inneholdt i et register 10, idet disse verdiene er kali-breringsverdier som er tilveiebrakt ut fra tidligere identifisering/parametrisering av fartøyets vannjet. Fig. 4 schematically shows a more detailed block diagram of the regulation according to the invention. The reference number 5 indicates the joystick. The signal emitted by the control plug 5 is transformed in an analog/digital converter into a digital signal before it is supplied to an adapter 18 where a limitation is made of the specific value from the plug depending on the operating state which is supplied via the log 6 and the gyro 8, which signals are transformed into digital signals via the analog/digital converters 5, 9 before they are supplied to the adapter 18. In the block 19, the first power calculation is made from the values contained in a register 10, these values being calibration values that have been provided based on previous identification/parameterization of the vessel's water jet.

En andre kraftberegner 20 er koblet etter den første kraftberegneren 19. I den andre kraftberegneren 20 foretas en tilpasning og beregning av styrestørrelsene i forhold til parametrene for fartøyet som er lagret i et register 11. I den andre kraftberegneren 20 foretas også en tilordning av kraftresultantene for henholdsvis turtall/reverserings-spjeld/dysevinkel. Denne kraftresultanten tilføres en dynamikkregulering hvor dysevinkler, reverseringsvinkel og motorpådrag bestemmes og tilføres da henholdsvis turtall-regulator 14, reveringsspjeldregulator 15 og dysevinkelregulering 16. Denne kraftresultanten tilføres også en PID-regulator 13 som også får tilført signaler fra tilstandssensorer 17 for de respektive regulatorene. Signalet fra PID-regulatoren 13 tilføres dynamikkreguleringen 12 for å foreta en justering av kraftresultanten for således å få en jevn økning i ønsket verdi. A second force calculator 20 is connected after the first force calculator 19. In the second force calculator 20, an adaptation and calculation of the steering parameters is made in relation to the parameters for the vessel which are stored in a register 11. In the second force calculator 20, an assignment of the force resultants is also made for speed/reversing damper/nozzle angle, respectively. This force resultant is fed to a dynamics control where nozzle angles, reversal angle and engine load are determined and then fed to the speed controller 14, reversing damper regulator 15 and nozzle angle regulation 16. This force resultant is also fed to a PID regulator 13 which also receives signals from condition sensors 17 for the respective regulators. The signal from the PID regulator 13 is supplied to the dynamics control 12 to make an adjustment of the force resultant in order to obtain a uniform increase in the desired value.

Claims

1. Procedure for thrust control of water jet engines, characterized by that the desired value is read from at least one connector (5) to an adapter device (18) in digital form, that the desired value is limited in the adjustment device (18) in relation to the operating states entered in digital form, that the relationship between gear and a reference from the connector is linearized in the adapter device (18), that in a force calculator (20) an assignment of force and direction is made for each water jet, that in the force calculator (20) an adaptation of the force resultant is also made in relation to vessel data stored in a vessel data register (11), that in a dynamics control (12) nozzle angles, damper reversal and speed are determined, and that condition sensors (17) sense the regulation of the water jets and supply this information to a PID regulator (13) together with the values from the dynamic regulation (12), the output signal from the PID regulator (13) being fed back to the dynamic regulation (12) for any adjustment of desired value and thereby provide a smooth change in the desired value.

2. Method according to claim 1, characterized in that an adjustment of the desired value is made in a further power calculator (19) in relation to the calibration value contained in a register (10) for experience calibration values, before the supply of the desired value from the adapter device (18) to the power calculator (20).

3. Method according to claim 1-2, characterized in that values for the existing speed and direction are supplied to the adaptation device as operating states in digital form.

4. System for carrying out the method by plug steering of water jet engines according to claims 1-3, characterized by that at least one joystick (5) is arranged as a control device for regulating the water jets, that the regulating body (5) is connected to an analog/digital converter (7), which analog/digital converter's output is connected to one of the inputs of an adapter device (18), that the other inputs to the adapter device (18) are connected to condition sensors via analogue/digital converters, that the output of the adapter device (18) is connected to a force calculator (20), the power calculator (20)'s second input being connected to a register (11) for vessel data, that the output of the power calculator (20) is connected to a dynamics control (12) to determine the forces for rev control, reversing damper control, or nozzle angle control, respectively, that one of the outputs of the dynamics control (12) is connected to a PID controller together with condition sensors (17) from the water jets, that the output of the PID regulator (13) is connected to the dynamics control (12) to provide a smooth change in the desired value.

5 . System according to claim 4, characterized in that the condition sensors are a log (6) and a gyro (8) or similar direction indicator.

6. System according to claim 4-5, characterized in that between the adapter device (18) and the force calculator (20) a further force calculator (19) is arranged which is connected to a register (10) for experience calibration values.