DE4110249A1

DE4110249A1 - Bahnregler fuer schiffe

Info

Publication number: DE4110249A1
Application number: DE4110249A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Laabs
Original assignee: MARINETECHNIK GmbH
Current assignee: MARINETECHNIK GmbH
Priority date: 1991-03-28
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1992-10-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bahnregler für Schif fe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, ein Schiff automatisch entlang einer vor gegebenen Bahn zu regeln und hierfür eine geeignete Regel schaltung einzusetzen. Die sogenannte Ablage eines Schif fes von der Sollbahn, das ist der senkrechte Abstand des Schiffes von der Sollbahn, wird zumeist aus den Zustands größen Längs- und Quergeschwindigkeit des Schiffes sowie seinem Kurs bestimmt. Dabei wird die Strömung durch eine Coordinatentransformation im erdfesten System berücksich tigt. Mittels der bekannten Satellitennavigation läßt sich die Position eines Schiffes zu jedem Zeitpunkt im erdfesten System ermitteln. Die ermittelte Ablage wird als Regelabweichung auf einen Ablageregler gegeben. Dieser kann als P-, PI-, PD- oder PID-Regler ausgeführt werden. Sein Ausgangssignal erzeugt ein Stellsignal für den Soll kurs des Schiffes. Aus dynamischen Stabilitätsgründen be nötigt der Bahnregelkreis jedoch noch die unterlagerten Kurs- und Kurswinkelgeschwindigkeitsregelkreise, so daß man insgesamt eine Kaskadenregelung erhält. Sowohl der Kursregler als auch der Kurswinkelgeschwindigkeitsregler werden zweckmäßigerweise in ihrer Verstärkung nach Maßgabe der Längsgeschwindigkeit des Schiffes verstellt. Falls keine starken äußeren Störungen in Form von Wind und/oder Strömung auftreten, sichert ein derartiger Regler ein gutes Regelverhalten, d. h. die dynamischen und stationären Regelabweichungen bleiben innerhalb akzeptabler Grenzen. Selbst bei Wind und Strömung können diese vernachlässigt bleiben, wenn die Schiffsgeschwindigkeit genügend groß ist.

Fährt das Schiff indessen mit kleiner Fahrt, können Wind oder Strömung große Abweichungen von der Sollbahn verur sachen, was für viele Anwendungsfälle nicht akzeptabel ist. Bekanntlich bewegen sich z. B. Minensuchboote zumin dest während des Einsatzes mit relativ geringer Geschwin digkeit. Es ist ferner gefordert, daß sie sich relativ genau an eine vorgegebene Bahn halten. Mit Hilfe des be schriebenen Bahnreglers läßt sich jedoch die gewünschte Bahngenauigkeit nicht erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bahnregler für Schiffe zu schaffen, der auch bei kleineren Schiffs geschwindigkeiten eine ausreichende Genauigkeit auch bei merklichen Strömungs- und Windeinflüssen erlaubt, ohne daß die Stabilität der Regelung gefährdet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merk male des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Bahnregler wird dem Vergleichs punkt von Soll- und Istkurs ein weiteres Signal zugeführt, das in Relation zum Schiebewinkel des Schiffes steht. Der Schiebewinkel (β) berechnet sich aus der Schiffslängsge schwindigkeit (u) und Schiffsquergeschwindigkeit (v) zu

Mit dem erfindungsgemäßen Bahnregler wird die dynamische und stationäre Genauigkeit signifikant verbessert, wobei das dem Schiebewinkel entsprechende Signal dynamische Korrekturglieder durchlaufen kann, was noch zu einer Ver besserung der Regelungsdynamik führt.

Falls der Schiebewinkel nicht aus den Größen für die Längs-und Quergeschwindigkeit des Schiffes bestimmt werden kann, zum Beispiel wegen schlechter oder fehlender Meßwer te, kann er alternativ durch On-Line-Modellrechnungen er mittelt werden. Aus den hydrodynamischen Daten des Schif fes und Windmodellrechnungen läßt sich sein Verhalten er mitteln und zur Kompensation des Windeinflusses berück- sichtigen, Windmodell:

mit
yw=Windkraft in Schiffsquerrichtung
u=Schiffslängsgeschwindigkeit und
c=hydrodynamische Konstante

oder
β dyn=A · +B · ψ+c · δ

mit
ψ=Kurswinkel,
δ=Ruderwinkel und
A, B, C=hydrodynamische Konstanten.

Die Verstärkung des Bahnreglers bestimmt die Annäherungs geschwindigkeit des Schiffes an die Sollbahn. Aus Gründen der Regelungsstabilität kann diese Geschwindigkeit nicht beliebig groß gemacht werden. Auf der anderen Seite soll das Schiff möglichst rasch seine Sollbahn erreichen, ohne daß die Stabilität des Regelverhaltens leidet. Hierzu sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß zur Erzie lung einer zulässigen Annäherungsgeschwindigkeit an die Sollbahn des Schiffes eine Anpassungsstufe vorgesehen ist. über die Anpassungsstufe wird die Verstärkung des Ablage reglers verändert, indem in der Anpassungsstufe die ge messenen Werte für die Geschwindigkeit und den Winkel der Strömung sowie die Soll-Bahnrichtung und die Längsge schwindigkeit des Schiffes eingegeben werden. Nach Maßgabe dieser Größen wird die Verstärkung des Ablagereglers modi fiziert, um eine gewünschte Annäherungsgeschwindigkeit zu erhalten. Vorzugsweise wird dabei die Annäherungsgeschwin digkeit so beeinflußt, daß sie der ohne Strömungseinfluß entspricht. Hierdurch wird bewirkt, daß der Bahnregelkreis auch unter Strömungseinfluß nicht instabil wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Bahnreglers.

Fig. 2 zeigt ein Vektordiagramm zur Berechnung des Strö mungseinflusses auf ein Schiff.

Fig. 3 zeigt ein Vektordiagramm zur Definition des Schiebe winkels.

In Fig. 1 stellt der Block 10 das Verhalten eines Schiffes dar, dessen Kurs entlang einer vorgegebenen Sollbahn ver laufen soll. Die Stellgröße für das Schiff soll hier allein durch ein Ruder 12 gebildet werden, das den Kurs des Schiffes bestimmt. Die in Fig. 1 dargestellte Regel einrichtung dient daher zur Bildung eines Stell- oder Steuersignals für die Ruderanlage 12 des Schiffes, damit es auf der Sollbahn entlangfährt. Der Kurs wird u. a. ge stört durch Seegang und am Schiff angreifenden Wind, aber auch durch die Strömung. Mit Hilfe einer geeigneten Navi gations-Referenz, beispielsweise einer Satellitennaviga tion, kann die Position (x, y) des Schiffes jederzeit er mittelt werden. Kurs (Q) und Kurswinkelgeschwindigkeit lassen sich durch Kurs- bzw. Wendekreisel messen. Schiffslängs- und Quergeschwindigkeit der Fahrt durch das Wasser (u, v) werden beispielsweise durch ein Sonar- Doppler-Log bestimmt. Im Block 16 wird aus den tatsäch lichen Werten für u, v, Ψ x, y sowie der Sollbahn (B_S) und dem Strömungsvektor (Ψ_T, V_T) die Ablage A gebildet.

In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 2 hingewiesen, in der die Sollbahn mit B_S bezeichnet wird und die Ablage A der senkrechte Abstand des Schiffes von einer Sollbahn ist. A ist mithin die Regelabweichung. Sie wird auf einen Ver gleichspunkt 18 rückgeführt und in Beziehung gesetzt zur Ablage A_S = O. Die Regelabweichung gelangt auf den Abla genregler 20, der ein P-, PI-, PD- oder PID-Regler sein kann.

Er ist auf das Regelungssystem abgestimmt, um ein stabiles Regelverhalten zu erreichen. Das Ausgangssignal des Abla genreglers bildet eine Kurswinkeldifferenz ΔΨ, die in einem weiteren Vergleichspunkt 22 mit der Soll-Bahnrich tung Ψ_B in Beziehung gesetzt wird sowie einem Winkel β (worauf weiter unten noch eingegangen wird) und dem rück gekoppelten Istwert des Kurswinkels Ψ. Die hieraus be stimmte Regelabweichung gelangt auf einen Kurswinkelregler mit veränderbarer Verstärkung. Die Verstärkung wird nach Maßgabe der Längsgeschwindigkeit des Schiffes u modifi ziert. An einem dritten Vergleichspunkt 24 wird das Aus gangssignal des Kurswinkelreglers mit der rückgeführten Kurswinkelgeschwindigkeit in Beziehung gesetzt und auf einen Kurswinkelgeschwindigkeits-Regler 28 gegeben, dessen Verstärkungsfaktor ebenfalls nach Maßgabe der Längsge schwindigkeit u veränderbar ist. Aus dem Ausgangssignal des letzten Reglers 28 wird das Steuer- oder Stellsignal für die Ruderanlage 12 gebildet. Der Block 14 ist ledig lich ein Integrator.

Der Aufbau des Bahnreglers als Kaskadenregler hat den Vor teil, daß die Zustandsgrößen Kurswinkel Ψ und Kurswin kelgeschwindigkeit rückgekoppelt werden können, um die Stabilität des Regelkreises zu verbessern.

Wirkt auf ein Schiff, das auf einer Bahn geführt werden soll, eine Windstörung ein, dann muß das Schiff zum Aus gleich dieser Störung eine Kursänderung um den Schiebewin kel β durchführen (Fig. 3). Bei großen Schiffsgeschwindig keiten und hohen Ruderwirksamkeiten kann der Bahnregler diese Störung ohne nennenswerten Verlust an dynamischer und stationärer Regelgüte ausgleichen. Bei kleinen Schiffsgeschwindigkeiten ist eine erhebliche Vergrößerung des Verstärkungsfaktors des Reglers nötig, um die Stör größe innerhalb akzeptabler Zeitspannen auszugleichen. Hierdurch bestünde indessen die Gefahr, daß der Bahnregler instabil wird. Bei dem gezeichneten Bahnregler nach Fig. 1 wird aus den Zustandsgrößen von Längs- und Quergeschwin digkeit der Schiebewinkel β in der Stufe 30 berechnet und über eine Störgrößenauskopplung 32 auf den Vergleichspunkt 22 gegeben. Auf diese Weise wird eine Verbesserung der dynamischen und stationären Genauigkeit der Bahnregelung erhalten.

Die Regeleinrichtung nach Fig. 1 enthält ferner eine Strö mungsmeßvorrichtung 34, die die Größen Strömungsgeschwin digkeit V_r und Strömungswinkel Ψ_T auf eine Adaptions stufe 36 gibt, in die außerdem als weitere Größen die Soll-Bahnrichtung Ψ_B sowie die Längs- und Quergeschwin digkeit des Schiffes u und v gegeben werden. Die Adap tionsstufe errechnet daraus einen Wert, der die Übertra gungsfunktion des Ablagereglers 20 modifiziert nach Maß gabe der vorhandenen Strömung.

In Fig. 2 ist ein Vektordiagramm für das Schiff 10 sowie den Einfluß einer Strömung auf das Schiff bei einem Schiebewinkel β = 0 gezeigt. Das Schiff bewegt sich mit einer Längsgeschwindigkeit u und einem Kurswinkel Ψ. Die Strömung hat den Strömungswinkel Ψ_T und die Geschwindig keit v_T. Das Schiff 10 erreicht den Punkt 40 auf der Soll bahn B_S aus der Position mit einer Ablage A unter einem wahren Kurs Ψ_e. Die Richtung der Sollbahn B_S gegenüber Nord (auch die anderen Winkel sind gegenüber Nord defi niert) ist Ψ_B.

Die Geschwindigkeit, mit der sich das Schiff der Sollbahn nähert, kann - auch aus Regelungsgründen - nicht beliebig sein. Nach Möglichkeit soll sie unabhängig von den Stör größen, z. B. einer Strömung, sein. Es gelten folgende Be ziehungen ohne Strömung

wobei k der Verstärkungsfaktor des Bahnreglers ist, zum Beispiel im Falle eines P-Reglers.

Bei Strömung gelten folgende Beziehungen:

_m=v_g · sin (ψ-ψ_B)+v_T sin (ψ_T-ψ_B).

Wird ₀=_m gesetzt, ergibt sich folgende Gleichung:

Aus der zuletzt genannten Gleichung läßt sich errechnen, wie der Verstärkungsfaktor des Ablagereglers 20 zu modi fizieren ist nach Maßgabe der ermittelten Strömung, so daß die Annäherungsgeschwindigkeit an die Sollbahn unabhängig von der Richtung und Stärke der Strömung wird.

Claims

1. Bahnregler für Schiffe, bei dem aus der gemessenen Schiffsposition die Ablage von der Sollbahn berechnet und als Regelabweichung auf einen Ablageregler gegeben wird, dessen Ausgangssignal an einem weiteren Ver gleichspunkt mit einem Istkurs verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergleichspunkt (22) für Soll und Istkurs ein weiteres Signal zugeführt wird, das in Relation zum Schiebewinkel des Schiffes steht, wobei v die Geschwindigkeit des Schiffes in Quer- und u die Geschwindigkeit des Schiffes in Längsrichtung ist.

2. Bahnregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schiebewinkel (β) aus den Meßwerten für die Ge schwindigkeit (u, v) berechnet wird.

3. Bahnregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem berechneten Schiebewinkel (P) entsprechende Signal über eine Störgrößenauskopplung (32) auf den Vergleichspunkt (22) gegeben wird.

4. Bahnregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schiebewinkel durch On-Line-Modellrechnung ermittelt wird.

5. Bahnregler, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Erzielung einer vorgegebenen An näherungsgeschwindigkeit (A) an die Sollbahn (B_S) eine Anpassungsstufe (36) vorgesehen ist, über die die Ver stärkung des Ablagereglers (20) veränderbar ist und in die die Meßwerte für die Geschwindigkeit (V_T) und den Winkel der Strömung (Ψ_T) sowie die Soll-Bahnrichtung (Ψ_B) und die Längs- und Quergeschwindigkeit (u, v) des Schiffes gegeben werden.

6. Bahnregler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Anpassung der Verstärkung dergestalt, daß die Annähe rungsgeschwindigkeit unabhängig von der Größe und Rich tung der Strömung annähernd gleich der ohne Strömung ist.