Быстро и точно
Декабрь 14th, 2015 by Редакция dynamic-positioning.ru

Пришло время продолжить цикл статей касательно настроек систем динамического позиционирования. Несмотря на то, что в мире существует много производителей и моделей систем динамического позиционирования, общие принципы остаются неизменными.

В этой статье рассмотрим такие параметры настройки как коэффициент усиления по курсу и позиции (GAIN) и логика распределения упора трастеров (TAL), так же упомянем установки по линейным и угловым скоростям. Все эти параметры оказывают непосредственное влияние на качество удержания курса и позиции при работе системы динамического позиционирования.

С описанием многих параметров систем динамического позиционирования можно ознакомиться в статье «Обзор основных настроек систем динамического позиционирования.»

Коэффициент усиления по курсу и позиции, ограничение линейной и угловой скорости.

Коэффициент усиления по курсу и позиции задает «порог реакции» или «скорость реакции» (момент/скорость принятия решения) системы динамического позиционирования на выработку управляющего сигнала при отклонение от тех или иных заданных параметров (set point). Основные режимы работы свойственные любой из систем динамического позиционирования — это удержание заданного курса и заданной позиции. Существуют и другие режимы работы системы ДП, наличие того или иного режима зависит от комплектации конкретного судна. Все сказанное про коэффициенты усиления по курсу и позиции будет справедливо и для дополнительных режимов работы.

Коэффициент усиления по курсу и позиции влияет на работу системы в автоматических режимах.

Система динамического позиционирования управляет движением судна по трем степеням свободы

Контролируемые степени свободы судна

Будем использовать общепринятые английские названия степеней свободы плавающего судна: Surge — перемещение судна вдоль диаметральной плоскости (продольная ось), Sway — перемещение судна в направлении перпендикулярном к диаметральной плоскости (поперечная ось), Yaw — вращение судна в горизонтальной плоскости (изменение курса). Соответственно и управляющих каналов будет три — по одному на каждую степень свободы. Система динамического позиционирования дает возможность оператору выполнить настройку коэффициентов усиления по данным управляющим каналам. На рисунке приведен пример экрана настроек системы динамического позиционирования.

fig 2

Считаем необходимым сказать что разные производители по разному реализуют данный функционал системы. В примере приведенном выше у оператора есть возможность менять настройки коэффициента усиления по всем трем степеням свободы (Surge, Sway, Yaw) независимо друг от друга в пределах от минус 10 до плюс 10. Соответственно среднее значение коэффициента это НОЛЬ. У других производителей возможно менять коэффициенты только по двум параметрам — POSITION GAIN и HEADING GAIN. Но в этом случае POSITION GAIN включает в себя настройку коэффициента усиления сразу по двум осям (Surge и Sway). HEADING GAIN тоже самое что и коэффициент усиления по оси Yaw. Существуют так же вариации по предельным значениям коэффициентов. В одних известных мне системах вы имеете возможность изменить значение коэффициентов от минус 10 до плюс 10, в других от 1 до 10. В принципе это не существенно. Главное надо понимать как пользоваться данной возможностью по настройке системы.

Как уже было сказано выше, коэффициент усиления в данном случае задает «порог реакции» или «скорость реакции» системы на отклонение от заданных параметров (координаты, курс). Зависимость в данном случае прямая — чем меньше коэффициент, тем медленнее реакция системы (система расслаблена), чем больше значение коэффициента, тем системы быстрее (агрессивнее) пытается вернуться к заданным значениям set point. Значения коэффициентов усиления по умолчанию (заводские настройки) по середине возможного диапазона значений.

При эксплуатации системы динамического позиционирования следует понимать что значение коэффициентов не может быть постоянным при различных режимах работы судна. Выбор коэффициентов обуславливается характером выполняемых работ, требованием к точности удержания курса и позиции, погодными условиями и состоянием судна.

Важным свойством любой системы управления является то, что с повышением скорости отработки качество поддержания заданных параметров понижается. Иными словами чем ниже коэффициент усиления тем медленнее система возвращается к заданному параметру, но при этом судно с максимальной точностью вернется к этим заданным параметрам. При очень высоком коэффициенте усиления судно при любом минимальном отклонении от заданной точки будет стремиться к заданным параметрам с максимально возможной скоростью. В данном случае высока вероятность того что судно «проскочит» заданную точку и система так же быстро начнет отрабатывать в обратном направлении, что так же может вызвать «проскакивание» точки. Получается эффект «раскачивания», что на практике встречается не редко.

Поведение судна в данном случае будет зависеть еще и от установленных предельных линейных и угловых скоростей. Данные ограничения, так же как и коэффициенты усиления действуют только в автоматических режимах работы.

Ограничения линейных и угловых скоростей влияют на работу системы в автоматических режимах.

Комбинируя различные ограничения по скорости и коэффициенты усиления мы можем достичь разных результатов. Примеры сочетания настроек приведены в табличной форме ниже по тексту.

Ограничение скорости

Ограничение скорости — низкое

Ограничение скорости — среднее

Ограничение скорости — высокое

GAIN низкий

Плавное поведение системы. Возвращение к заданной точке очень медленно. Возможно не достаточно чувствительное поведение системы и «зависание» со смещением от заданной точки.

Возможно «зависание» со смещением от заданной точки. Возвращение к заданной точке плавное, без «раскачивания».

Возможно «зависание» со смещением от заданной точки. При достижении критического значения отклонения возможно резкое возвращение к setpoint.

GAIN средний

Плавное поведение системы. Возвращение к заданной точке очень медленно.

Средние значения скорости и усиления. Вариант заводской настройки. Вполне приемлем для многих операций.

Скорость реакции системы средняя. Возможно нестабильное поведение за счет большой скорости.

GAIN высокий

Система очень чувствительна. При малейшем отклонении будет возвращать судно к заданной точке. За счет маленькой скорости возможно удасться избежать «раскачивания»

Система очень чувствительна. При малейшем отклонении будет возвращать судно к заданной точке с максимально допустимой скоростью.

«Раскачка» системы!

Система очень чувствительна. При малейшем отклонении будет возвращать судно к заданной точке с максимальной скоростью.

«Раскачка» системы!

Легенда: ЗЕЛЕНЫЙ подходит для большинства видов работ. ЖЁЛТЫЙ — использовать с осторожностью. ОРАНЖЕВЫЙ — нестабильное поведение системы.

Выделение цветом весьма условно и может быть принято только как общее руководство по настройке системы ДП. Всегда следует принимать во внимание особенности судна, прочие факторы и условия. К примеру сочетание низкой скорости и низкого усиления вполне применимо в случае когда судно работает в режиме ожидания и точность удержания позиции допустима в пределах десятков метров. Конечно, во многих системах динамического позиционирования в настоящее время есть функция работы в режиме ожидания, когда мы задаем радиус в котором может находиться судно. Но если такого функционала нет, то можно добиться похожего эффекта за счет настроек.

И так, с коэффициентами усиления и ограничениями скоростей мы разобрались. Теперь перейдем к логике распределения упора трастеров.

Логика распределения упора трастеров (TAL).

Если коэффициенты усиления по каналам (осям) управления определяют скорость реакции системы динамического позиционирования на выработку и подачу оправляющего сигнала на трастеры, то выбранная логика распределения упора трастеров в свою очередь определяет как раз способность всех трастеров при совместной работе придать судну требуемый вращающий момент и/или вектор тяги. И что не менее важно, выбор той или иной логики распределения упора трастеров влияет на скорость достижения заданного момента и/или тяги и как следствие на качество удержания заданного курса и позиции.

Различные производители предлагают в своих системах динамического позиционирования управление логикой распределения упора трастеров на различных уровнях. Если обобщить, то получиться три варианта: 1) Выключено / Авто, 2) Набор предустановленных логик, 3) Возможность создавать свои логики распределения упора трастеров. Как видим возможны варианты от минималистского, до полного контроля. Для упрощения статьи возьмем второй вариант, когда в системе присутствуют предустановленные логики.

Заданная логика распределения упора трастеров (TAL) — влияет на работу системы динамического позиционирования как в автоматических так и в ручных режимах работы.

В настоящее время широко распространена конфигурация пропульсивной установки для судов с системами динамического позиционирования с двумя винто-рулевыми колонками ВРК (Azimuth Thruster) в кормовой части и туннельными трастерами в носовой части, на её основе рассмотрим TAL. Существуют и другие конфигурации пропульсивного комплекса, самые распространенный из них подробнее рассмотрим в отдельной статье.

На рисунке приведены возможные варианты настройки логики распределения упора трастеров для судна с ВРК.

TAL explanantion at azimuth truster vessel

Рассмотрим особенности каждого из них слева на право.

1) Логики распределения упора трастеров — СИНХРОННАЯ.

В данном случае система динамического позиционирования имеет возможность максимально использовать весь запас мощностей пропульсивной установки для создания максимального вектора тяги и/или момента, что можно отнести к достоинствам данного режима. Недостатком данной логики, когда все ВРК работают однонаправлено, является задержка при значительном изменении направления тяги, поскольку разворот ВРК требует определенного времени. Возможна «раскачка» судна вокруг заданной точки. Можно порекомендовать использовать данный вариант TAL когда имеется явно выраженное сильное внешнее воздействие на судно и другие режимы не дают достаточной мощности для противодействия внешним силам.

2) Логики распределения упора трастеров — в раздрай с малым упором.

В данном режиме в начальном положении для создания нулевого вектора тяги трастеры работают с небольшой тягой и компенсируют друг друга. По возможности система динамическо позиционирования существенно не повышает тягу на конкретном трастере и меняет суммарный вектор тяги за счет их разворота в заданных пределах. При сильном усилении внешней силы вектор тяги на трастерах увеличиться соответственно, но основная работа происходит за счет разворота ВРК. В отличии от варианта синхронной работы ВРК не работают по всей дуге 360?, а только каждый в своем определенном диапазоне. К достоинствам данной логики можно отнести маленькую нагрузку на трастеры и соответственно малый расход топлива. Данная логика меняет суммарный вектор тяги быстрее чем при синхронной работе. Недостатками являются ограниченная мощность суммарного вектора, так как трастеры работают друг против друга, что особенно выражено при бортовых внешних силах. Другим недостатком является относительно медленное изменение направления суммарного вектора тяги. Данный режим можно использовать когда на судно действует выраженное несильное внешнее воздействие, в данном случае при правильных прочих настройках можно добиться высокого качества удержания курса и позиции при малом расходе топлива. Данный режим очень хорош при работе в режиме ожидания, поставив малую чувствительность системы (коэффициенты усиления) и раздрай с малым упором можно очень экономично делать standby даже не имея специальной функции системы динамического позиционирования.

3) Логики распределения упора трастеров — в раздрай с большим упором.

В данном режиме в начальном положении для создания нулевого вектора тяги трастеры работают с большой тягой и компенсируют друг друга. Для изменения суммарного вектора тяги система динамическо позиционирования использует как изменение направления, так и изменение тяги каждого конкретного трастера. При этом за счет больших векторов каждого конкретного трастера даже при небольшом изменение вектора одного из трастеров может значительно измениться суммарный вектор. Основным достоинством данной логики является высокая скорость изменения вектора тяги и момента. К недостаткам отнесем большой расход топлива и так же как в логике раздрай с малым упором ограниченная мощность суммарного вектора, так как трастеры работают друг против друга, что особенно выражено при бортовых внешних силах. Данная логика хорошо работает при любых внешних условиях и обеспечивает хорошее качество удержания заданного курса и позиции при правильной настройки прочих параметров.

Резюмируя.

Все параметры и настройки должны рассматриваться в комплексе для получения желаемого поведения системы динамическо позиционирования.

Для разных режимов работы и различных внешних условий выбирайте наиболее подходящие значения параметров. Нет таких значений параметров, при которых система динамического позиционирования будет одинаково хорошо выполнять свою работу к примеру при полном отсутствии внешних сил (штили и нет течения), при сильном течении или при качке судна.

Одни параметры задают порог принятия системой динамическо позиционирования решения о подачи на пропульсивный комплекс сигнала выработке той или иной тяги. Другие задают режим работы пропульсивного комплекса и соответственно способность пропульсивного комплекса с той или иной скоростью отработать заданную команду.

При возможности экспериментируйте с параметрами системы динамического на конкретном судне для большего понимания системы и получения опыта. Системы даже одного и того же производителя на разных судах работают по разному.

Контрольные вопросы (ждем Ваших ответов в комментариях):

1) Какие настройки при сильной качке судна лучше выбрать для стабильного поведения судна?

2) Какие настройки для стабильного удержания позиции и уменьшения износа поворотных механизмов вы выберете при штилевой погоде и отсутствии течения на судне с двумя азимутальными трастерами в корме и двумя туннельными трастерами в носовой части.

 

Posted in Операторы ДП, Практические вопросы, Теория и практика Tagged with: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

hold
Октябрь 13th, 2015 by Редакция dynamic-positioning.ru

Данной статьей мы начнем цикл в котором будем давать рекомендации по настройкам систем динамического позиционирования для тех или иных режимов работы.

Исходя из основного назначения системы динамического позиционирования — удержание заданного курса и позиции рассмотрим варианты настроек для этих базовых режимов работы. Настройки для специальных режимов работ, таких как Target Follow, Low Speed Track, Dredging и т. д. будут рассмотрены в отдельных статьях посвященных этим режимам.

Параметр Значение Режим использования Описание
Rate of Turn

Угловая скорость

Ограничение угловой скорости Автоматические режимы управления Задает предельное значения угловой скорости которое будет достигать система при выполнении маневра или при возвращении к заданному курсу в случае отклонения.
Speed setpoint

Линейная скорость

Ограничение линейной скорости Автоматические режимы управления Задает предельное значение линейной скорости которое будет достигать система при выполнении маневра или при возвращении к заданным координатам.
Gain

(Коэффициент обратной связи)

Выражает в численном виде скорость реакции системы на отклонение от заданных параметров. Автоматические режимы управления Выражает в численном виде скорость реакции системы на отклонение от заданных параметров. Чем больше коэффициент тем быстрее реакция системы на отклонение.
Thruster Allocation

Режимы работы пропульсивной установки

Устанавливает определенные режимы работы пропульсивной установки Автоматические и ручные режимы управления Позволяет выбрать режим работы пропульсивной установки судна в соответствии с внешними условиями и видом работ. Является свойством конкретного судна.
Thruster max setpoint

(Thruster Limitation)

Ограничение пропульсивной установки

Предельное значение задачи команды для конкретного трастера Автоматические и ручные режимы управления Задает ограничения для системы ДП на использование того или иного трастера. Команда от системы ДП к трастеру не должна превышать заданное значение.
Power Generator Limitation

Ограничение потребляемой мощности

Предельное значение для нагрузки на генераторах Автоматические и ручные режимы управления Устанавливает предельное значение нагрузки на генераторах. При достижении заданного значения система ДП не будет повышать нагрузку на трастерах (электродвижение) с тем чтобы не превысить заданное ограничение.
Center of Rotation (COR)

Центр вращения

Определяет центр вращения судна. Автоматические и ручные режимы управления Задает центр вращения судна для работы системы ДП. Все маневры судно под управлением системы ДП будет совершать относительно заданного центра вращения.

В таблице перечислены основные настройки свойственные системам ДП всех производителей и их краткое описание. В последующих статьях мы расскажем о них более подробно и дадим практические советы по их использованию в тех или иных условиях.

Posted in Теория и практика Tagged with: , , , , , , ,