Kompletne środowisko badawcze sterowania ruchem statku

dr hab. inż Witold Gierusz, dr hab. inż. Mirosław Tomera, dr inż Anna Miller, dr inż Monika Rybczak, mgr inż. Łukasz Alfuth, mgr inż. Andrzej Rak

Uniwersytet Morski w Gdyni

Ewolucja koncepcji morskiego statku towarowego zmierza w ostatnich latach do opracowania i budowy takich jednostek, które będą w stanie realizować podróże w pełni autonomicznie. Zadanie takie ujawnia swą złożoność w wielu wymiarach: ekonomicznym, prawnym, społecznym, technicznym, a nawet etycznym.

Jednym z kluczowych zagadnień aspektu technicznego jest budowa układu sterowania ruchem statku, które zapewni jego efektywność i bezpieczeństwo na wszystkich etapach podróży. Analiza funkcjonalna zadań, które należy zrealizować prowadzi do ich podziału na trzy warstwy.

  • W pierwszej z nich – planowaniu podróży – układ taki powinien uwzględniać czas i koszty pokonania trasy rejsu, warunki pogodowe, akweny zamknięte czy decyzje operacyjne właściciela.
  • W drugiej warstwie realizacja planu podróży wymaga bieżącego reagowania na zmieniającą się sytuację nawigacyjną przy zachowaniu prawideł prawa drogi morskiej oraz unikania kolizji.
  • W trzeciej, na poziomie układów regulacji, niezbędne jest utrzymanie założonych parametrów sterowania w następujących reżimach: stabilizacji kursu na akwenie otwartym, śledzenia zadanej trajektorii na wodach ograniczonych, czy też podczas precyzyjnego sterowania wielowymiarowego prędkościami i położeniem statku z wykorzystaniem wielu pędników, na przykład w porcie lub przy cumowaniu do terminalu SPM (ang.: Single Point Mooring).

Na Wydziale Elektrycznym Uniwersytetu Morskiego w Gdyni, w Katedrze Automatyki Okrętowej od wielu lat prowadzone są badania nad układami sterowania ruchem statku, w szczególności dotyczą one zagadnień mieszczących się w przedstawionych wyżej warstwach: drugiej i trzeciej.


Rys.1. Izomorficzny model zbiornikowca VLCC.

Rys.2. Zbiornikowiec VLCC i gazowiec LNG podczas próby pływania równoległego

 

Z wielu względów, a zwłaszcza kosztów i bezpieczeństwa, niemożliwym jest szersze wykorzystanie pełnomorskich statków towarowych do testowania nowo projektowanych układów sterowania. Zatem prowadzone prace wymagają stosowania w szczególnie szerokim zakresie narzędzi modelowania i symulacji. Od pierwszej połowy lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, w Katedrze Automatyki Okrętowej wykorzystuje się w tym celu środowisko MATLAB – Simulink. Łatwość stosowania oraz elastyczność i mnogość dostępnych narzędzi spowodowały, że jest to dla nas obecnie wiodące środowisko programowe.

Modelowanie dynamiki statku

Statek jest silnie nieliniowym, niestacjonarnym i wielowymiarowym obiektem sterowania. W syntezie układów regulacji często stosuje się jego uproszczone, czy wprost zlinearyzowane w punkcie pracy modele. Jednakże, weryfikacja procesu sterowania na drodze symulacji wymaga opisu matematycznego obiektu o znacznie większej dokładności odwzorowania dynamiki. W tym wypadku stosowano złożone nieliniowe modele przygotowane według standardu MMG (ang.: Maneuvering Modelling Group). Dane pomiarowe pochodziły z eksperymentów przeprowadzonych w Ośrodku Manewrowania Statkami należącym do Fundacji Bezpieczeństwa Żeglugi i Ochrony Środowiska, który mieści się na jeziorze Silm koło Iławy. Ośrodek ten jako jeden z nielicznych w świecie stwarza unikalną szansę badania układów sterowania ruchem statku w warunkach quasi-rzeczywistych. Dysponuje on izomorficznymi modelami statków, wykorzystywanymi do szkolenia nawigatorów w manewrowaniu jednostkami morskimi w nietypowych i trudnych warunkach.

Klip 1. Manewr odejścia jednostki sterowanej od statku macierzystego.

 

W przygotowaniu modeli istotną role odgrywały narzędzia z rodziny MATLAB-a. Optimization Toolbox wykorzystywano do strojenia parametrów modelu według standardu MMG a modele liniowe uzyskiwano za pomocą Identification Toolbox. Badano także modele neuronowe black-box uzyskiwane za pomocą Neural Network Toolbox. W badaniach stosowano modele zweryfikowane podczas pomiarów na jeziorze a także publicznie dostępne modele MMG o parametrach odpowiadających pełnowymiarowym statkom morskim.


Trajektoria zarejestrowana podczas próby precyzyjnego manewrowania w porcie statkiem przedstawionym na fotografii 1.

 

Układy Regulacji

Badania przeprowadzone w opisywanym środowisku, w ostatnich latach wykorzystywały wiele metod syntezy regulatorów. Stosowano w tych procesach między innymi:

  • klasyczne układy PID,
  • nieliniowe układy PID,
  • wielowymiarowe układy PID,
  • układy ślizgowe,
  • układy adaptacyjne,
  • układy odporne,
  • układy z logiką rozmytą,
  • układy wykorzystujące liniowe nierówności macierzowe.

Badano także struktury kaskadowe i przełączalne powyższych układów. Tak obszerne pole analiz wynika przede wszystkim ze zmiennego charakteru procesu sterowania statkiem na wszystkich etapach trasy rejsu. Fundamentalną rolę w trakcie projektowania układów sterowania pełniło oprogramowanie wykorzystujące toolbox’y z zakresu odpowiednich dziedzin, a podstawową platformą ich testowania i weryfikacji był Simulink.

Testy HIL i Układ Pomiarowo-Kontrolny

Specyfiką układów mostka nawigacyjnego, który grupuje urządzenia nawigacyjne jest powszechne stosowanie do wymiany danych standardu NMEA 0183, który w warstwie sprzętowej w dalszym ciągu najczęściej wykorzystuje łącza szeregowe RS. Stąd, struktura układu pomiarowo kontrolnego opiera się na tych łączach. Ze względu na elastyczność, główny sterownik zbudowano na platformie PC, a to w dalszej kolejności implikowało zastosowanie bibliotek: początkowo xPC, a następnie Simulink Real-Time jako podstawowego Target’u czasu rzeczywistego. Cykl pracy podczas testowania i badanych układów obejmował trzy etapy:

  1. (a) symulację opracowanych algorytmów sterowania w czasie procesora, w środowisku Simulink, z modelem statku w standardzie MMG;
  2. (b) symulację w czasie rzeczywistym (HIL) na docelowym stertowniku PC z oprogramowaniem generowanym i kompilowanym na platformę SLRT. Sterownik spięty był z symulatorem dynamiki statku, wykorzystującym model w standardzie MMG i symulatory urządzeń nawigacyjnych, lecz uruchomionym pod kontrolą SLRT Target, na osobnej maszynie czasu rzeczywistego w trybie Stand-Alone;
  3. (c) pracę w czasie rzeczywistym, podczas której sterownik SLRT Target połączony został z urządzeniami na modelu izomorficznym.

Rys.3. Główny schemat Simulinka układu pomiarowo-kontrolnego na gazowcu LNG.

 

Jak łatwo zauważyć wszystkie etapy badań, obejmujące projektowanie i symulacje, jak również eksperymenty w czasie rzeczywistym oraz analizę uzyskanych wyników prowadzone były w jednolitym środowisku: MATLAB – Simulink. Umożliwiło to w decydującym stopniu osiągnięcie wartościowych rezultatów w stosunkowo krótkim czasie. Przy tym koszty eksperymentów były niewspółmiernie niższe od tych, które potencjalnie należałoby ponieść podczas badań na statkach morskich.

Podziękowania

Autorzy dziękują Fundacji Bezpieczeństwa Żeglugi i Ochrony Środowiska za długoletnią współpracę i udostępnianie modeli izomorficznych do badań.

 

Treść