Формирование требований к радионавигационному оборудованию судов, выполняющих динамическое позиционирование

• Автор: Баранов, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 163 с. : ил.

Введение
Глава 1 Анализ существующих требований к навигационному оборудованию судов, выполняющих динамическое позиционирование
1.1 Требования национальных морских классификационных обществ к навигационному оборудованию судов, оснащенных системами динамического позиционирования
1.2 Практика использования СДП для обеспечения работ на морском шельфе
1.3 Выводы
Глава 2 Выработка управляющих воздействий СДП
2.1 Общие принципы использования навигационных измерений для построения управления при динамическом позиционировании
2.2 Модель движения судна при динамическом позиционировании
2.3 Модель возмущающих внешних воздействий
2.4 Модель измерений
2.5 Формирование стабилизирующего управления
2.6 Формулировка требований к точности навигационного оборудования при линейном стабилизирующем управлении
2.7 Выводы
Глава 3 Навигационные системы и навигационное оборудование судов, оснащенных СДП
3.1 Обзор навигационного оборудования, используемого при динамическом позиционировании судов
3.2 Спутниковые навигационные системы
3.3 Навигационные системы с гидроакустическими маяками
3.4 Инклинометрические навигационные системы
При решении задачи позиционирования ПБУ с помощью систем ГМ существенные проблемы возникают из-за того, что буровая установка и судовые движители создают мощные акустические помехи
3.5 Системы инерциальной навигации и навигационные системы для измерения курса
3.6 Использование лагов и эхолотов при динамическом позиционировании
3.7 Выводы
Глава 4 Пути повышения точности оценок навигационных параметров
4.1 Требование совместного использования навигационных систем при динамическом позиционировании
4.2 Построение оценок на основе статистических характеристик ошибок измерения
4.3 Временная фильтрация измерений
4.4 Совместная обработка измерений при позиционировании БС и ППБУ
4.5 Выводы
Глава 5 Имитационное моделирование
5.1 Задачи имитационного моделирования
5.2 Модель ограничений на управление
5.3 Выработка стабилизирующего управления при наличии ограничений на величину упоров и их изменение
5.4 Программная реализация модели
5.5 Обсуждение результатов имитационного моделирования
5.6 Выводы
Заключение
Литература
Приложение
Введение
В комплексе проблем по обеспечению безаварийности и снижению себестоимости работ, проводимых на морском шельфе, вопросы повышения точности и надежности удержания судна в заданной зоне в условиях внешних возмущающих воздействий, обусловленных волнением моря, ветром и течением, занимают важное место. Такие задачи возникают, в частности, при работе плавучих буровых установок (ПБУ), судов для прокладки трубопроводов и кабелей, судов для обеспечения водолазных работ и т.п. Технические условия при проведении штатных работ требуют, чтобы параметры движения судна постоянно находились в заданных пределах. При выходе судна из заданной зоны требуется прекратить проведение штатных работ, произвести работы по подъему инструмента с морского дна и другие дополнительные работы, а это требует существенных временных и материальных затрат.
В настоящее время задача стабилизации положения судна в условиях воздействия возмущающих внешних сил - задача позиционирования - решается с помощью якорной системы, либо с помощью системы динамического позиционирования (СДП), либо совместно этими двумя системами.
СДП - комплекс, предназначенный для автоматического и дистанционного автоматизированного управления пропульсивными механизмами судна с целью динамического удерживания его над точкой позиционирования с заданной точностью. СДП обеспечивает удержание судна на заданном курсе и в заданной точке ведения работ, а также маневрирование судна во время технологических работ. СДП позволяет быстро, с высокой эффективностью и надежностью выполнять работы на шельфе, сокращая при этом расход топлива и уменьшая износ судна, повышая рентабельность при эксплуатации судна, улучшая условия работы экипажа.
Основой СДП является вычислительный комплекс, в который поступают измерения от радионавигационного и другого навигационного оборудования. Эти измерения обрабатываются с целью формирования оценок навигационных параметров судна — координат и скоростей судна относительно желаемой позиции. На основе этих оценок и математической модели судна, имитирующей его динамику, вычислительный комплекс производит расчет и вырабатывает сигналы управления гребными винтами, подруливающими устройствами и рулями.
Введение

Возможность удержания судна в заданной зоне определяется уровнем возмущающих сил и моментов и возможностью их компенсации с помощью судовых пропульсивных установок. В свою очередь возможность компенсации определяется ограничениями на пропульсивные механизмы и законом выработки управления. Ясно, что точность выработки управления, соответствующего требуемому закону, зависит от точности и временной дискретности оценок навигационных параметров движения судна, и определяется статистическими характеристиками данных, поступающих от навигационных систем, и алгоритмов их обработки.
За счет использования современных радионавигационных систем и оборудования и совместной обработки информации от разных систем можно добиться высокой точности и малого интервала дискретности при формировании оценок навигационных параметров. Однако в условиях быстрого развития разрабатываемых и устанавливаемых на судах радио- и других навигационных систем периодически возникает вопрос об оптимизации состава радионавигационного и другого навигационного оборудования судов, выполняющих динамическое позиционирование.
В настоящее время требования к составу навигационных систем и оборудования, используемого СДП для формирования стабилизирующего управления, в материалах Российского Морского Регистра Судоходства конкретно не определены [62.63 ]. Одна из причин такого положения -отсутствие обоснования этих требований, так как в настоящее время не разработана методика, позволяющая оценить необходимую точность и частоту формирования оценок параметров движения судна, используемых СДП.
Целью настоящей работы является разработка теоретических и прикладных основ для обоснования требований к составу радионавигационному и другого навигационного оборудования судов, удержание которых производится с помощью СДП.
Для решения поставленной задачи необходимо проведение следующих работ.
1) Провести анализ правил отечественного и зарубежных морских классификационных обществ в части требований к радио- и другому навигационному оборудованию судов, оснащенных СДП, а также существующей практики оснащения судов, оборудованных СДП, навигационными системами и оборудованием
Введение

Тогда желаемые упоры, которые создаются движителями, ® определяются из системы уравнений:

^Ея =(т + тх)17хс,

■ £ = (т + ту)иус, (2.5).

. /*1 /=
Здесь Т„|/ = 1..«2- упоры, создаваемые главными движителями и
подруливающими устройствами и действующими в продольном направлении относительно корпуса судна (вдоль оси ОУ с учетом знака);
ТД5 |» = 1,...,и1 - упоры, действующие в поперечном направлении, ф соответственно;
£х |/ = ,...,п - координаты по оси ОУ (с учетом знака) движительных установок, действующих вдоль оси ОХ;
Ьг, |/ = 1 п2- координаты по оси ОХ (с учетом знака) движительных
установок, действующих вдоль оси ОУ;
Обычно БС и ППБУ имеют несколько подруливающих устройств (более 4-х), действующих в поперечном направлении, а также оснащаются подруливающими устройствами, создающими упоры в продольном направлении, для более экономичной эксплуатации главных движителей. Очевидно, если «1 + п2 > 3 , система будет избыточной, и ее решение будет неоднозначным.
Для расчета желаемых ускорений (стабилизирующих) ускорений в неподвижной системе координат отметим, что стабилизация плоскопараллельного движения твердого тела в неподвижной системе координат может производиться независимо по каждой из линейных и по угловой координате, если оно производится с помощью независимых между собой управляющих сил и крутящего момента.
Наличие на судне реверсивных кормового и носового подруливающего устройства и главных движителей обеспечивает возможность независимого управления по обеим линейным и по угловой координате.
Плоскопараллельное движение твердого тела и описывается системой из трех линейных дифференциальных уравнений 2-го порядка. Поэтому в отсутствие ограничений на движительные установки анализ движения судна
Глава