4.5. Динамическое позиционирование

Система динамического позиционирования предназначена для автоматического удержания судна в заданной точке океана без постановки на якорь.

Проблема динамического позиционирования приобрела особую актуальность в связи с работами по освоению природных богатств океана, и, в частности, при создании буровых судов, осуществляющих поиск нефтегазовых месторождений на значительной глубине.

При бурении судно должно находиться над устьем скважины (У), а точка позиционирования располагаться с ним на одной вертикали (рис. 4.11, а). В результате внешних возмущений судно смещается относительно и вместе с ним отклоняется точка крепления бурового инструмента на величину, оцениваемую мгновенным значением радиуса-вектора . Максимально возможная величина смещения судна определяется допустимым углом отклонения бурового инструмента от вертикального положения , при котором сохраняется его работоспособность. По условиям прочности этот угол не превосходит . Следовательно,

т. е. точка крепления инструмента на судне (условно можно считать, что она совпадает с центром масс) в любой момент времени должна находиться в круге с центром в точке позиционирования и радиусом от глубины бурения .

Рис. 4.11. Динамическое позиционирование.

При его значение близко к ширине судна и меньше его длины.

Необходимость в динамическом позиционировании судна возникает не только при бурении скважин, но и при проведении поисковых работ с помощью буксируемых подводных аппаратов. Хотя в последнем случае требования к точности позиционирования существенно мягче, тем не менее трудно обеспечить безопасность аппарата, если судно находится в неуправляемом дрейфе, особенно при неблагоприятной погоде.

В связи с проблемой добычи твердых полезных ископаемых со дна океана появилась новая задача обеспечения согласованного движения донного агрегата сбора сырья и надводного судна, соединенных между собой трубопроводом эрлифтной установки. В такой системе задача управления движением надводного судна представляет собой разновидность динамического позиционирования. Отличие заключается в том, что позиционирование осуществляется относительно подвижной точки характер перемещения которой определяется маршрутом донного агрегата сбора полезных ископаемых. Эта задача получила название динамической стабилизации.

Динамические позиционирование и стабилизация представляют собой задачи, существенно отличающиеся от традиционных задач управления движением МПО. Прежде всего движение судна совершается относительно неподвижного балансировочного режима с малыми значениями линейной скорости. Поэтому гидродинамические силы на корпусе, вызванные собственным движением судна, незначительны и не оказывают заметного влияния на динамику процессов управления. Определяющими являются силы и моменты ветро-волновых возмущений, средств управления и реакция технологического инструмента.

Гидродинамическая сила и момент на руле значительно выше, чем на корпусе судна благодаря потоку воды от винтов. Однако они недостаточны для эффективного управления процессом позиционирования в условиях интенсивных внешних возмущений. Поэтому на таких судах используют активные средства управления: подруливающие устройства и винтовые движительно-рулевые колонки.

Особые сложности связаны с созданием информационного обеспечения системы, которое должно с высокой точностью устанавливать истинное положение центра масс судна и измерять малые значения проекций скорости поступательного движения относительно неподвижной базовой поверхности (дна). Добиться этого можно только на основе комплексирования различных систем радионавигации, гидроакустических систем и систем автономной навигации. Необходимость сложной обработки сигналов первичной информации предопределяет использование цифровых вычислительных машин для реализации информационных и управляющих алгоритмов системы. Важным требованием является высокая надежность системы, которая приводит к многократному резервированию и дублированию информационных и управляющих каналов.

Чтобы сформулировать функцию управления при динамическом позиционировании (ДП), будем рассматривать плоское движение центра масс судна (точка О на рис. 4.11, б) в базовой неподвижной координатной системе, начало которой совмещено с точкой позиционирования, а оси горизонтальной плоскости ориентированы аналогично соответствующим осям полу связанной системы координат. Тогда ориентация корабля однозначно определяется углом между осями базовой и связанной с корпусом координатных систем, который имеет смысл угла рыскания.

Цель динамического позиционирования состоит в минимизации расстояния между точкой позиционирования и центром масс судна , которая может быть выражена через координаты в базовой системе

что означает минимизацию боковых и продольных отклонений судна.

Динамическое позиционирование связано с компенсацией внешних ветро-волновых возмущений. Этот процесс требует значительных энергетических затрат, которые можно уменьшить, если ориентировать судно таким образом, чтобы силы ветра, течения и морского волнения, а также моменты этих сил на корпусе судна были минимальными. Отсюда появляется дополнительная функция управления выбор угла курса (он определит ориентацию осей базовой системы) в зависимости от направления и силы ветра, скорости течения, а также высоты и направления волн, и стабилизация судна на этом курсе .

При случайном характере возмущений и стационарном процессе в системе ДП цель управления можно выразить через дисперсии соответствующих переменных

Условие безопасности использования технологического оборудования ограничивает максимальное расстояние :

Изменения кинематических параметров движения судна в режиме позиционирования в результате ветро-волновых возмущений и управляющих воздействий происходит в соответствии с уравнениями связи

уравнениями равновесия сил относительно продольной и поперечной осей, в которых согласно определяющими являются слагаемые, содержащие проекции сил возмущения, управления и реакции инструмента

и уравнением равновесия моментов относительно вертикальной оси

Согласно приведенным уравнениям вектор состояния управляемого объекта в системе ДП включает в себя шесть переменных:

Они участвуют в формировании управляющих сил и момента

которые зависят также от характера ветро-волновых возмущении, выраженных в слагаемых и задаваемой ориентации судна . Учитывать возмущения необходимо для достижения требуемой динамической точности позиционирования.

Особенность управляющей части системы заключается в том, что в ней отдельно формируются управления в виде желаемых сил и момента согласно (4.13), а затем для их реализации задаются режимы работы локальных регуляторов, обеспечивающих - последовательное включение имеющихся на судне подруливающих устройств, винтовых колонок и других технических средств.

Наиболее сложной частью системы динамического позиционирования является ее информационное обеспечение, которое непрерывно вырабатывает информацию об относительном положении судна, скорости движения центра масс, ориентации и скорости вращательного движения, ветро-волновых возмущениях.

Расчет отклонения судна от точки позиционирования выполняется по данным радионавигационных систем ближнего и дальнего действия, системы спутниковой навигации, гидроакустической системы с маяками-ответчиками, устанавливаемыми в зоне выполнения работ. Кроме того, на борту судна осуществляется систематическое счисление координат

по скорости, измеряемой с помощью двухкоординатного абсолютного лага, и ориентации судна, которая определяется по гирокомпасу. В процессе обработки первичной информации осуществляется оценка ее достоверности (защита от сбоев), комплексирование (определение средневзвешенного значения измерений разных систем) и фильтрация помех.

На борту судна удается измерить скорость и направление ветра, а недостающая информация о течении и волнении обычно восстанавливается с помощью наблюдателей возмущения на основе математического описания волнового процесса.

Вспомогательный информационный канал организуется с помощью инклинометров приборов, которые измеряют угол наклона технологического инструмента. Их показания позволяют рассчитать отклонение судна от точки позиционирования или непосредственно по углу оценить опасность этого смещения.