TW202134120A - 用以控制由導樁器對浮船進行運動補償的系統、方法及浮船 - Google Patents
用以控制由導樁器對浮船進行運動補償的系統、方法及浮船 Download PDFInfo
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Abstract
一種系統，包含一導樁器、一致動器、一控制單元、一第一感應器及一第二感應器。該導樁器用以導引該單樁式基礎進入該海床。該致動器用以移動該導樁器。該控制單元用以控制該致動器對裝有該導樁器的該浮船的運動進行補償。該第一感應器用以確定將該單樁式基礎驅入該海床期間該單樁式基礎相對於垂直線的一傾斜角度，該第二感應器用以確定在將該單樁式基礎駛入該海床期間該單樁式基礎施加到該導樁器上的一實際力的大小和方向。該控制單元用以決定由該第一感應器所感測該導樁器施加在該單樁式基礎上的一所需力，以最小化該傾斜角度。
Description
本發明關於一種系統、方法及浮船，尤指一種用以控制由導樁器對浮船進行運動補償的系統、方法及浮船。
一般而言，習知的波動感應運動補償樁夾持器(wave-induced motion compensated pile gripper)是一種系統，其在連續測量樁傾角和船隻運動的基礎上使用位置控制。該系統的致動器包括一組液壓缸，該組液壓缸用於使導樁器或夾持器相對於其所安裝到的浮船移動，以使夾持器能對浪湧和擺盪對浮船所造成的擾動進行運動補償。然而，在海床中驅動單樁式基礎期間，習知系統的控制單元於單樁式基礎穿透海床的深度增加時，對控制系統運動的穩定性的能力有所不足。在穿透海床的過程中，單樁式基礎於其傾斜角度大於零時，可能會對導樁器或夾持器施加相對較大的力，其中單樁式基礎的傾斜角度可由波浪和水流力、不規則的土壤結構、位置控制的不精確性以及固體單樁在土壤中的狀況所導致。而當移動導樁器或夾持器以減小傾斜角度時，可能會干擾現有的運動補償控制，例如過大的導樁器或夾持器的施力可使導樁器或夾持器超出了可操作的範圍或將浮船推出了預定的範圍。習知系統的控制單元不足的另一個原因是，在海底驅動單樁式基礎的期間，當單樁式基礎穿透深度增加時，單樁式基礎在地面上的“鉸鏈”將被固死，即單樁式基礎將更難以校正它的方向。由於運動補償的控制不準確，加上海床中單樁式基礎的鉸鏈效應減弱，單樁式基礎和導樁器或單樁式基礎和夾持器之間的力可能會增加到無法接受的水平。
因此，本發明提供一種用以控制由導樁器對浮船進行運動補償的系統、方法及浮船，以解決上述問題。
為解決上述問題，本發明揭露一種系統，包含一導樁器、一致動器、一控制單元、一第一感應器及一第二感應器。該導樁器用以在一單樁式基礎進入一海床的過程中，導引該單樁式基礎沿其軸向進入該海床。該致動器用以沿相對一浮船為水平的方向移動該導樁器至該導樁器的安裝處。該控制單元用以控制該致動器以執行對裝有該導樁器的該浮船的運動進行補償，以便在將該單樁式基礎推入該海床的過程中保持該導樁器的水平位置。該第一感應器用以確定將該單樁式基礎驅入該海床期間該單樁式基礎相對於垂直線的一傾斜角度，該第二感應器用以確定在將該單樁式基礎駛入該海床期間該單樁式基礎施加到該導樁器上的一實際力的大小和方向。該控制單元用以決定由該第一感應器所感測該導樁器施加在該單樁式基礎上的一所需力，以最小化該傾斜角度。當該所需力大於該實際力時，該控制單元控制該致動器沿相反於該實際力的方向移動該導樁器；當該實際力大於該所需力時，該控制單元控制該致動器沿該實際力的方向移動該導樁器。
根據一實施例，該控制單元於該所需力超過一預設力值時，用以將該所需力設定為該預設力值。
根據一實施例，該預設力值與安裝有該導樁器的該浮船的推進器的最大功率成比例。
根據一實施例，該致動器包含一組液壓缸，該組液壓缸由該控制單元控制。
根據一實施例，該第二感應器包含複數個壓力感測器，該複數個壓力感測器用以量測該組液壓缸內的壓力。
根據一實施例，該所需力經由控制該致動器使該導樁器由該單樁式基礎的一傾斜走向移往一垂直走向來決定，且該所需力決定用以使該傾斜角度減小的實際力的增加率。
根據一實施例，該所需力經由該單樁基礎被驅動以進入的該海床的土壤結構與將該導樁器施加於該單樁式基礎以將該單樁式基礎由其一傾斜走向移到一垂直走向所需的力之間的關係來確定。
根據一實施例，該控制單元具有用於補償安裝有該導樁器的該浮船的運動的一算法，該算法利用該所需力為一輸入。
根據一實施例，該系統配置有一錘子，該錘子用於將該單樁式基礎驅動到該海床中，且該第一感應器設置在該錘子上。
根據一實施例，該第一感應器為一傾斜感應器且該第二感應器為一負載感應器。
為解決上述問題，本發明另揭露一種用以控制一浮船在驅動一單樁式基礎進入一海床期間的由一導樁器所進行運動補償的方法，包含將該單樁式基礎在其縱向方向上由該導樁器引導，且將該導樁器在水平方向上移動，以補償裝有該導樁器的該浮船的運動；在將該單樁式基礎驅入該海床的過程中，決定該單樁式基礎相對於垂直方向的一傾斜角度以及該單樁式基礎施加於該導樁器的一實際力的大小和方向；決定該導樁器施加到該單樁式基礎上的一所需力，以使檢測到的一傾斜角度最小化；及當該所需力大於該實際力時，沿相反於該實際力的方向移動該導樁器；當該實際力大於該所需力時，沿該實際力的方向移動該導樁器。
為解決上述問題，本發明另揭露一種浮船，包含如前所述的系統。
綜上所述，本發明的控制單元僅在某些條件下才使導樁器沿相反於實際力的方向移動，如此可以將作用在導樁器上的力保持在可接受的範圍內，從而防止運動控制超出其工作範圍。
控制單元用以補償浮船運動的操作可被視為運動控制部，而控制單元用以決定所需力的操作可被視為力控制部，且本發明運動控制部與力控制部同時操作的技術可被視為混合控制技術。當單樁式基礎在打樁過程中保持垂直方向時，運動控制部可在沒有力控制部的情況下發揮作用。一旦單樁式基礎趨於傾斜，例如由於穿透海床期間土壤結構的變化，此時力控制部件將起作用。另一方面，當浮船在完全不動的情況時，力控制部僅在單樁式基礎傾斜時才起作用。但是，在大多數情況下，運動控制部和力控制部實際上都將同時作動。
請參閱第1圖至第4圖，第1圖為本發明實施例一浮船1的示意圖，第2圖為第1圖所示的浮船1的部分示意圖，第3圖為第1圖所示的可被運動補償的一導樁器4的俯視圖，第4圖為本發明實施例用以控制導樁器4的運動補償的一系統的示意圖。浮船1包含一系統及一起重機3，該系統用以對導樁器4進行運動補償控制，起重機3用以提升一單樁式基礎2。第1圖至第3圖繪示運動補償的導樁器4，導樁器4用以在將一單樁式基礎2驅動到海床S中的過程中沿單樁式基礎2的縱向導引單樁式基礎2。導樁器4安裝在浮船1上，並通過液壓缸5形式的一致動器相對於浮船1在水平方向上移動，水平方向即縱向和側向方向或是X和Y方向，以補償船的運動。導樁器4可以打開和關閉以封閉單樁式基礎2。自操作開始直到單樁式基礎2被錘打到夠深而足以使單樁式基礎2由土壤支撐以獨立安全地直立的程度，導樁器4皆使單樁式基礎2保持垂直安裝。
在操作條件下，單樁式基礎2經由浮船1從生產設施水平運輸到近海安裝地點。在安裝單樁式基礎2之前，借助起重機3將其豎起。之後，單樁式基礎2從起重機3垂直懸掛。之後，將單樁式基礎2降低並放置在海床S上，而根據土壤結構，單樁式基礎2可以藉由其自身的重量穿透海床S至一定深度。或者是，單樁式基礎2可以通過獨立的系統或導樁器所集成的豎立系統（未示出）來豎立。導樁器4耦接於單樁式基礎2，且一錘子6藉由起重機3安置於單樁式基礎2的頂部，以驅動單樁式基礎2進入海床S。導樁器4受液壓缸5控制並用以維持單樁式基礎2在一垂直走向。如此一來，從浮船1上安裝單樁式基礎2比起自升式駁船而言，允許更高的有效載荷和起重能力，但由於波浪引起的船舶運動和嚴格的單樁垂直安裝公差，而具有挑戰性。
浮船1設置有系統，其用以控制導樁器4的運動補償(如第4圖所示)。除了導樁器4與液壓缸5外，該系統包含一控制單元7、一傾斜感應器8及一壓力感應器9，控制單元7用以控制液壓缸5，傾斜感應器8用以確定將單樁式基礎2驅入海床S期間單樁式基礎2相對於豎直方向的傾斜角度，壓力感應器9用以測量液壓缸5中的壓力，以便確定在將單樁式基礎2推入海床S期間單樁式基礎2施加在導樁器4上的一實際力的大小和方向。如第4圖所示，傾斜感應器8鄰近於單樁式基礎2，但另一替代實施例中，傾斜感應器8也可設於錘子6處。
控制單元7用以補償浮船1的運動，以便在將單樁式基礎2驅入海床S中期間保持導樁器4的水平位置。這樣的控制是基於傳統的主動船舶運動補償，眾所周知的，該運動補償旨在使導樁器4對地定位，藉由使導樁器4的運動與船隻運動完全相反，以使導樁器4保持水平且使單樁式基礎2保持直立，而導樁器4作用在浮船1上的力可能會干擾浮船1的定位。因此，本發明控制單元7還用以在傾斜感應器8檢測到該傾斜角度的情況下，確定導樁器4施加到單樁式基礎2的一所需力，以最小化該傾斜角度。當檢測到該傾斜角度時，控制單元7操作液壓缸5沿相反於實際力的方向移動導樁器4，而上述情況僅當該所需力大於該實際力時才會發生。而如果在該實際力大於該所需力的情況下，液壓缸5被操作沿相同於該實際力的方向運動。後面的條件控制步驟用於防止對波浪感應運動的補償控制超出其工作範圍，從而導致運動控制的不穩定。
值得一提的是，導樁器4施加在單樁式基礎2上的用以最小化該傾斜角度的該所需力可以不同的方式確定。舉例來說，該所需力可通過操作液壓缸5，使液壓缸5沿從單樁式基礎2的傾斜方向朝向垂直方向的方向移動導樁器4來決定，且該所需力進而可確定使該傾斜角度減小的實際力。該所需力可以藉助於PID控制器來實現，其中該PID控制器逐步增加液壓缸5中的壓力，以便獲得該傾斜角度的減小與導樁器4施加在單樁式基礎2上的該所需力之間的關係，根據該關係，得出使單樁式基礎2由傾斜回到其垂直方向的該所需力。接著，將該所需力與單樁式基礎2施加在導樁器4上的該實際力進行比較。如上所述，當該所需力大於該實際力時，液壓缸5被操作使得液壓缸5沿相反於該實際力的方向移動導樁器4，且當該實際力大於該所需力時，液壓缸5被操作使得液壓缸5沿該實際力的方向移動導樁器4。由於動態和系統慣性以及選定的控制速度，該實際力在作動的情況下可能會在一段時間（例如幾秒鐘）後跟隨設定的該所需力。需注意的是，力的時間延遲可能會增加系統/浮船1的操作窗口。浮船1在導樁器4上所承受的力要比浮船1的推進器所能傳遞的力長一些時間，例如五到八秒。
確定導樁器4施加到單樁式基礎2上的該所需力以最小化該傾斜角度的另一種方法，是基於單樁式基礎2被驅動到的海床S的土壤結構與將導樁器4施加到單樁式基礎2上所需的力之間的關係，以使單樁式基礎2從其傾斜方向往垂直方向移動，這種關係可以從土壤結構模型和單樁式基礎2的穿透得出。或者是，每次打擊的衝擊次數和單樁式基礎2的穿透之間也可能存在關係，可以用來推導單樁式基礎2在海床S中的固定，以便定義用以控制力的輪廓，以將單樁式基礎2帶至垂直方向(即確定該所需力)。
當該所需力超過一預定力值時，控制單元7用以將該需力被設置為該預定力值，該預定力值與浮船1的方位推進器10的最大功率成比例，這防止了系統試圖將單樁式基礎2推向垂直方向，而該所需的力超過了單樁式基礎1的方位推進器10的最大出力的情況。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1:浮船
10:方位推進器
2:單樁式基礎
3:起重機
4:導樁器
5:液壓缸
6:錘子
7:控制單元
8:傾斜感應器
9:壓力感應器
S:海床
第1圖為本發明實施例浮船的示意圖。
第2圖為第1圖所示的浮船的部分示意圖。
第3圖為第1圖所示的可被運動補償的導樁器的俯視圖。
第4圖為本發明實施例用以控制導樁器的運動補償的系統的示意圖。
1:浮船
2:單樁式基礎
4:導樁器
7:控制單元
8:傾斜感應器
9:壓力感應器
S:海床
Claims (15)
- 一種用以控制由導樁器對浮船進行運動補償的系統，包含： 一導樁器，用以在一單樁式基礎進入一海床的過程中，導引該單樁式基礎沿其軸向進入該海床； 一致動器，用以沿相對一浮船為水平的方向移動該導樁器至該導樁器的安裝處； 一控制單元，用以控制該致動器以執行對裝有該導樁器的該浮船的運動進行補償，以便在將該單樁式基礎推入該海床的過程中保持該導樁器的水平位置； 一第一感應器，用以確定將該單樁式基礎驅入該海床期間該單樁式基礎相對於垂直線的一傾斜角度；及 一第二感應器，用以確定在將該單樁式基礎駛入該海床期間該單樁式基礎施加到該導樁器上的一實際力的大小和方向； 其中，該控制單元用以決定由該第一感應器所感測該導樁器施加在該單樁式基礎上的一所需力，以最小化該傾斜角度； 其中，當該所需力大於該實際力時，該控制單元控制該致動器沿相反於該實際力的方向移動該導樁器； 其中，當該實際力大於該所需力時，該控制單元控制該致動器沿該實際力的方向移動該導樁器。
- 如請求項1所述的系統，其中該控制單元於該所需力超過一預設力值時，用以將該所需力設定為該預設力值。
- 如請求項2所述的系統，其中該預設力值與安裝有該導樁器的該浮船的推進器的最大功率成比例。
- 如請求項1所述的系統，其中該致動器包含一組液壓缸，該組液壓缸由該控制單元控制。
- 如請求項4所述的系統，其中該第二感應器包含複數個壓力感測器，該複數個壓力感測器用以量測該組液壓缸內的壓力。
- 如請求項1所述的系統，其中該所需力經由控制該致動器使該導樁器由該單樁式基礎的一傾斜走向移往一垂直走向來決定，且該所需力決定用以使該傾斜角度減小的實際力的增加率。
- 如請求項1所述的系統，其中該所需力經由該單樁基礎被驅動以進入的該海床的土壤結構與將該導樁器施加於該單樁式基礎以將該單樁式基礎由其一傾斜走向移到一垂直走向所需的力之間的關係來確定。
- 如請求項1所述的系統，其中該控制單元具有用於補償安裝有該導樁器的該浮船的運動的一算法，該算法利用該所需力為一輸入。
- 如請求項1所述的系統，其中該系統配置有一錘子，該錘子用於將該單樁式基礎驅動到該海床中，且該第一感應器設置在該錘子上。
- 如請求項1所述的系統，其中該第一感應器為一傾斜感應器且該第二感應器為一負載感應器。
- 一種用以控制一浮船在驅動一單樁式基礎進入一海床期間的由一導樁器所進行運動補償的方法，包含： 將該單樁式基礎在其縱向方向上由該導樁器引導，且將該導樁器在水平方向上移動，以補償裝有該導樁器的該浮船的運動； 在將該單樁式基礎驅入該海床的過程中，決定該單樁式基礎相對於垂直方向的一傾斜角度以及該單樁式基礎施加於該導樁器的一實際力的大小和方向； 決定該導樁器施加到該單樁式基礎上的一所需力，以使檢測到的一傾斜角度最小化；及 當該所需力大於該實際力時，沿相反於該實際力的方向移動該導樁器；當該實際力大於該所需力時，沿該實際力的方向移動該導樁器。
- 如請求項11所述的方法，其中當該所需力超過一預設力值時，該所需力設定為該預設力值。
- 如請求項11或12所述的方法，其中該所需力經由將該導樁器由該單樁式基礎的一傾斜走向移往一垂直走向來決定，且該所需力決定用以使該傾斜角度減小的實際力的增加率。
- 如請求項11或12所述的方法，其中該所需力經由該單樁基礎被驅動以進入的該海床的土壤結構與將該導樁器施加於該單樁式基礎以將該單樁式基礎由其一傾斜走向移到一垂直走向所需的力之間的關係來確定。
- 一種浮船，包含如請求項1至10之任一項所述的系統。
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