Damit sich in Zukunft Installationen auf dem Meeresgrund unabhängig von Wetterbedingungen durchführen lassen und die Zeitfenster für Tiefseehube vergrößert werden besteht eine enorme Nachfrage nach Systemen zur Seegangskompensation. Sie entkoppeln die Lastbewegung von der durch den Seegang verursachten Vertikalbewegung des Schiffs, wodurch der Kranfahrer die Schiffsbewegung beim Verfahren der Last nicht mehr explizit berücksichtigen muss. Eine große Herausforderung bei der Umsetzung solcher Systeme ist die Minimierung des Phasenverzugs zwischen der störenden Vertikalbewegung und der Kompensationsbewegung. Um den Phasenverzug aufgrund von Trägheiten im System auszugleichen und Antriebsbeschränkungen explizit zu berücksichtigen, stellt die vorliegende Arbeit ein Konzept zur aktiven Seegangskompensation mittels beobachtergestützter Prognose der vertikalen Schiffsbewegung vor. Bei dem verfolgten Ansatz wird die Hubwinde des Krans direkt für die Kompensationsbewegung verwendet, wodurch keine zusätzlichen Zylinder notwendig sind. Des Weiteren beinhaltet das dargelegte Konzept zum Einen die Ansteuerung der Hubwinde des Krans und zum Anderen die komplette Erfassung der zu kompensierenden Vertikalbewegung. Als Messgrößen stehen translatorische Beschleunigungssignale und Drehraten zur Verfügung. Ausgehend von diesen Messgrößen erfolgt zunächst eine Schätzung der zu kompensierenden Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts. Da sich dieser üblicherweise nicht im Schwerpunkt des Schiffs befindet, setzt sich die Vertikalbewegung aus den translatorischen und den rotatorischen Bewegungen des Schiffs zusammen. Auf Basis der geschätzten Bewegungsverlaufe erfolgt eine Prognose der zu kompensierenden Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts. Hierfür werden die periodischen Anteile der Vertikalbewegung online identifiziert und zur Formulierung eines Beobachtermodells verwendet. Anhand der periodischen Schätzeverläufe wird eine Vorwärtssimulation durchgeführt und die Vertikalbewegung prädiziert. Die Ansteuerung der Hubwinde des Krans erfolgt durch eine Vorsteuerung und Stabilisierung in Form einer Zwei-Freiheitsgrade-Struktur. Die Trajektorien für die Folgeregelung weiden auf Basis der vorhergesagten Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts geplant. Um schon bei der Planung gegebene Antriebeschränkungen expliziert zu berücksichtigen, wird ein beschränktes Optimalsteuerungsproblem formuliert und zyklisch gelöst. Dadurch lassen sich die Referenztrajektorion für die Regelung so auslegen, dass der Regler die Schiffsbewegung so weit kompensiert, wie es aufgrund der Leistung des Antriebs möglich ist. Die Funktionalität des vorgestellten Konzepts wird am Ende der Arbeit anhand von unterschiedlichen Simulationsszenarien unter Beweis gestellt. Um hierbei spezifische Seileigenschaften bei langen Seillängen abbilden zu können, werden die Simulationen mit einem verteiltparametrischen Seilmodell durchgeführt.
To perform subsea installations independently of weather conditions and to increase the available time windows for subsea lifting operations, there is an enormous demand for heave compensation systems. These systems decouple the load motion from the wave-induced vertical vessel motion. Thus, the crane operator can move the load regardless of this motion. An important aspect for heave compensation systems is minimizing the phase delay between the disturbing vertical motion and the compensation. To eliminate phase delays due to inherent system lags and to take actuator constraints explicitly into account, this thesis presents an active heave compensation approach using an observer-based prediction of the vertical vessel motion. The developed method directly uses the hoisting winch of the crane for compensation and does not require any additional hydraulic cylinders. Furthermore, the method includes the control algorithm of the winch as well as the estimation and prediction of the vertical vessel motion. The ship motion is measured using three translational accelerometers and three gyroscope sensors. In the first step, the measurements are used to estimate the vertical motion of the attachment point of the rope that has to be compensated for. Since the coordinates of this point usually differ from the ones of the center of gravity of the vessel, all translational and rotational motions of the center of gravity affect the vertical motion of the attachment point of the rope. Afterwards, a prediction of the vertical motion that should be compensated for is performed based on the estimated motion sequence. The algorithm itself identifies the periodic components of the vertical motion online. Based on the identification results an observer model is formulated. Using the estimated periodic components a forward simulation predicts the vertical motion. The control approach consists of a two degrees of freedom structure with a feedforward and a feedback controller driving the hoisting winch. The reference trajectories for the tracking controller are planned based on the predicted vertical motion of the attachment point of the rope. To take actuator constraints into account explicitly, a constrained optimization problem is formulated and solved repeatedly. Thereby, the trajectories can be generated in such a way that the controller compensates for the vessel motion as much as possible without reaching any actuator constraints. Different simulation scenarios attest to the functionality of the presented heave compensation concept. To reflect specific rope properties occurring for long rope lengths, the rope model used for simulation is derived using a system with distributed parameters.
Aktive Seegangskompensation mit beobachtergestützter Prognose der vertikalen Schiffsbewegung
Active wave compensation with observer-based prediction of the vertical vessel motion
Berichte aus dem Institut für Systemdynamik ; 11 ; 1-189
2012
189 Seiten, Bilder, Tabellen, 134 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch