Maritime Regelungs- und Sensorsysteme

Nach einer Definition des Begriffs der „Maritimen Regelungs- und Sensorsysteme“ wird die Grundstruktur maritimer Regelungssysteme in Form eines allgemeingültigen Regelkreises mit seinen Komponenten konzipiert. Die Erläuterung des technischen Standes und der Klassifizierung maritimer Regelungs- und Sensorsysteme wird anhand der Operationsmodi der maritimen Regelungs- und Sensorsysteme in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgenommen. Es folgt die Darstellung der Prozesseigenschaften und Besonderheiten maritimer Regelungs- und Sensorsysteme. Abschliessend wird ein Überblick zur Stoffdarstellung im Buch gegeben.

Im Abschn. 2.1 wird als praktisches Beispiel für maritime Regelungs- und Sensorsysteme auf automatische Kursregelungssysteme eingegangen. Ausgehend von ihrer langen historischen Entwicklung als eines der ersten maritimen Regelungssysteme sollen die Aufgaben der Kursregelung sowie ihr Wirkungsprinzip dargestellt werden. Es soll die detaillierte Darstellung des PID-Kursreglers mit Gierfilter und die praktische Einstellung seiner Parameter folgen. Die Rolle des Menschen sowie Besonderheiten und Zielstellungen des Kursregelungssystems runden die Erläuterungen ab. Das Abschn. 2.2 widmet sich dem hierarchischen Aufbau maritimer Regelungssysteme.

Komplexe, physikalisch orientierte Bewegungsmodelle (Bilanzgleichungen) werden im Kap. 3 behandelt. Eingangs erfolgt die Darstellung der zur Beschreibung der Fahrzeugbewegung erforderlichen physikalischen Größen sowie der Bezugs- und Koordinatensysteme (Abschn. 3.2). Darauf aufbauend werden Algorithmen für die Größentransformation zwischen den Bezugssystemen angegeben (Abschn. 3.3). Auf der Grundlage von physikalisch-mathematischen Gesetzmäßigkeiten, insbesondere Gesetzen der Mechanik und Schiffshydrodynamik, wird ein komplexes physikalisch-mathematisches Bewegungsmodell für die allgemeine Bewegung maritimer Fahrzeuge in allen sechs möglichen Freiheitsgraden (Schnellen/Surge, Versetzen/Sway, Tauchen/Heave, Rollen/Roll, Stampfen/Pitch, Gieren/Yaw) abgeleitet (Abschn. 3.4). Für die Ableitung von Bewegungsmodellen für die gesteuerte Bewegung von maritimen Fahrzeugen, die sich an der Wasseroberfläche (Oberflächenfahrzeuge) bzw. in einem bestimmten Wassertiefenhorizont (Unterwasser-Fahrzeuge) bewegen, kann die Zahl der Freiheitsgrade von sechs auf drei reduziert werden. Es wird die translatorische Bewegung des Fahrzeugs in der Ebene der ungestörten, glatten Wasseroberfläche mit den zwei Freiheitsgraden Schnellen/Surge und Versetzen/Sway sowie die rotatorische Bewegung Gieren/Yaw um die Vertikalachse betrachtet (Abschn. 3.5). Die Einflüsse von Rollen, Stampfen und Tauchen auf die gesteuerte Bewegung werden vernachlässigt. Kräfte und Momente an den Aktoren, wie Propeller, Ruder und Manövriersysteme, erfordern eine gesonderte Behandlung (Abschn. 3.6). Die Generierung linearer Bewegungsmodelle erfolgt ausgehend von linearen Kraft- und Momentansätzen aus Modellversuchsergebnissen und der Näherungstheorie des schlanken Körpers (Abschn. 3.7). Abschließend erfolgt die Darstellung der Wirkung der verschiedenen behandelten hydrodynamischen Kräfte und Momente bei einem Drehkreismanöver (Abschn. 3.8).

Im Kap. 4 werden linearisierte, regelungstechnische Modellformen entwickelt, die für den Entwurf und die Parametereinstellung maritimer Regler geeignet sind. Eingangs werden für das im Kap. 3 entwickelte lineare Richtungssteuerungsmodell die Verläufe wichtiger Zustandsgrößen beim Anschwenken eines Drehkreises mittels Simulation anschaulich dargestellt und eine Regelstreckenhierarchie entwickelt. Mit PT1-Blöcken können Richtungssteuerungsmodelle für Fahrzeuge mit beliebig vielen Steuer- und Manövriereinrichtungen erstellt werden (Abschn. 4.1). Als grundlegende mathematische Modellform des Bewegungsverhaltens werden lineare, explizite Differenzialgleichungen für Kurswinkelgeschwindigkeit, Gierwinkel und Kurs abgeleitet, mit denen das Eigenstabilitätsverhalten des Systems „Maritimes Fahrzeug“ untersucht wird (Abschn. 4.2). Der Zusammenhang der Gleichungskoeffizienten mit den hydrodynamischen Größen in Kap. 3 wird hergestellt, damit der physikalische Bezug gewährleistet ist. Es werden sowohl Modellbeschreibungen der klassischen Regelungstechnik als auch der modernen Zustandsbeschreibung behandelt. Ausgehend von den Differentialgleichungen werden als klassische Modelltypen die verschiedenen Formen (Polynomform, Pol-Nullstellenform, Zeitkonstantenform) der Übertragungsfunktionen für Kurswinkelgeschwindigkeit, Kurs und Gierwinkel abgeleitet, ihre Pol-Nullstellenverteilung wird mit MATLAB^® berechnet und grafisch dargestellt, Modellreduktionen werden vorgenommen sowie typische Systemantworten (Sprungtest, harmonische Erregung) berechnet (Abschn. 4.3). Modelle für die Bahnabstand-Regelstrecke werden wegen ihrer Spezifik (Allpassverhalten) gesondert behandelt (Abschn. 4.4). Die im Zeitbereich arbeitenden Zustandsdifferentialgleichungen werden eingeführt und auf typische maritime Regelstrecken angewendet (Abschn. 4.5). Für dynamisch gierinstabile Fahrzeuge muss ein spezielles Kurs-Modell abgeleitet werden (Abschn. 4.6). Als Voraussetzung für den Entwurf digitaler Regler erfolgt die Darstellung von zeitdiskreten Modellen als z-Übertragungsfunktion und Differenzengleichung (Abschn. 4.7). Die Behandlung neuartiger parametervariabler Modelle für Manöverfahrt erfolgt als Grundlage für den späteren Entwurf von Regelungssystemen für manövrierende Fahrzeuge (Abschn. 4.8).

Eingangs wird das Wirkungsprinzip von Ruder-Regelungssystemen erläutert, die von hoher Relevanz für die Gewährleistung der Schiffsicherheit sind. Die unterschiedlichen Betriebsarten von Ruder-Regelungssystemen in Verbindung mit dem Handsteuer einerseits und dem Kursregler andererseits werden dargestellt. Als wichtiges Stellglied werden elektrohydraulische Rudermaschinen umfassend behandelt. Ausgehend von einem gerätetechnischen Blockbild eines Folge-Ruder-Regelungssystems wird ein mathematisches Modell des Folge-Übertragungsverhaltens entwickelt, das praktischen Ansprüchen genügt.

Nach einer Darstellung der Grundschritte und -struktur der experimentellen Systemidentifikation (Abschn. 6.2 und 6.3) erfolgt eine Klassifikation von Identifikationsverfahren in Abhängigkeit der verwendeten Testsignale (Abschn. 6.3). Es wird ein Identifikationsalgorithmus für die Ermittlung der Steuerparameter des IT1-Kursmodells aus den determinierten Sprungantworttests des Kurses und der Gier-Drehrate beim Anschwenken eines Drehkreises abgeleitet (Abschn. 6.4), der auf eine größere Zahl von seegehenden Fahrzeugen angewendet wird (Kap. 6.5). Tendenzen der Veränderung der Steuerparameter in Abhängigkeit von Fahrzeuggröße, Geschwindigkeit und Ruderwinkel werden abgeleitet. Statistische Parameterschätzverfahren haben sich zu einem sehr ausgedehnten Fach- und Forschungsgebiet für die Identifikation stochastisch gestörter Prozesses entwickelt, sodass hier für maritime Prozesse die Fokussierung auf die Grundlagen und die Anwendung einiger wichtiger Parameterschätzmethoden erfolgt (Abschn. 6.6). An synthetischen, gestörten Daten und Borddaten des Ausbildungsschiffs „Störtebeker“ werden die Erwartungstreue und Störanfälligkeit der RLS-, RELS- und RIV-Parameterschätzverfahren getestet (Abschn. 6.7 und 6.8). Das IT1-Kursmodell des USV Messdelphin (MESSIN) wird mittels der PEM-Schätzmethode identifiziert (Abschn. 6.9). Für Containerschiffe des Typs Warnow CS 1400 erfolgt auf der Grundlage von Borddaten die Identifizierung von Kurs- und Bahnabstandmodellen mittels des Maximum-Likelihood-Verfahrens (Kap. 6.10) und des RLS-Verfahrens (Kap. 6.11). Im Zusammenhang mit der Manöverregelung wird auf notwendige Testmanöver zur Parametrierung des parametervariablen Modells für die Manöverfahrt (Abschn. 12) und auf die Bedatung des parametervariablen Modells (Abschn. 13) eingegangen.

Nach einem Überblick zu Kurssensoren und einer Einführung in die verschiedenen Kursbegriffe als Messgröße, erfolgt die Behandlung des Kreiselkompasses als Hauptkompass auf maritimen Fahrzeugen, insbesondere Seeschiffen. Eingeleitet von der Darstellung der historischen Entwicklung von Kreiselkompassen, wird die Wirkungsweise des Kreiselkompasses als meridiansuchendes Kreiselsystem auf der Basis des Verhaltens des freien Kreisels auf der Erde schrittweise entwickelt. Die mathematischen Modelle des ungedämpften und des gedämpften Kreiselkompasses werden am Beispiel des elektronischen Kreiselkompasses abgeleitet. Die Behandlung der Kreiselkompassfehlweisungen ist bedeutsam für ihre Nutzung als Kursmesssystem in Verbindung mit maritimen Regelungssystemen. Eine Einführung in Satellitenkompasse, Faseroptik-Kreisel und Mehrkompasssysteme schließt das Kapitel ab.

Nach einer Klassifikation der Geschwindigkeitssensoren entsprechend den Geschwindigkeitsgrößen maritimer Fahrzeuge werden das Messprinzip, die Messfehler und deren Korrektur elektromagnetischer Geschwindigkeitssensoren (Induktionslogs) behandelt. Es folgt die Darstellung von Doppler-Sonar-Geschwindigkeitssensoren (Dopplerlogs) bezüglich des Messprinzips, ihrer wesentlichen Parameter, der Systemvarianten sowie der Messfehler und ihrer Korrektur. Abschließend wird in Satelliten-Geschwindigkeitssensoren (Satellitenlogs) eingeführt.

Nach einer Klassifizierung von Strömungs- und Strömungsprofilsensoren wird das Wirkungsprinzip von Vertikal(V)-ADCP-Sensoren behandelt und Strömungsprofilmessungen mit einem V-ADCP, installiert auf dem Messkatamaran MESSIN I, mit weiterentwickelten Programmen der Datenauswertung auf MATLAB^®-Basis dargestellt. Als alternative Lösung für die Gewinnung von horizontalen, lokalen Strömungsfeldern in Hafenansteuerungen und -gebieten mit erheblich geringerem Aufwand als mit V-ADCP, erfolgt die Auswertung von Strömungsprofilmessungen mit einem Horizontal-ADCP-Sensor im Fährhafen Puttgarden.

Nach einem Überblick zu gegenwärtigen GNSS wird das militärische U.S.-amerikanische GPS umfassend mit besonderer Betonung des Fehlerbudgets behandelt. Es folgt die Darstellung der GPS-Modernisierung. Nach einem Überblick zum ebenfalls militärisch orientierten russischen GLONASS liegt der weitere Schwerpunkt auf dem zivilen europäischen GALILEO. Die Erhöhung der Positionsgenauigkeit und der Integrität mittels Differential-GNSS und Satellitenbasierter Erweiterungssysteme (SBAS), einbezüglich EGNOS, wird besonders beleuchtet. GNSS-Positionsmessungen zeigen die Nutzung von GNSS-Empfängern. Abschließend wird die bei DP-Systemen genutzte Relative GNSS-Positionierung (DARPS) einbezogen.

Eingangs wird das Signalflussbild des Kursregelkreises mit seinen einzelnen Übertragungsblöcken dargestellt. Im simulierten Kursregelkreis werden die Wirkungen der einzelnen Regleranteile des PID-Kursreglers bei der Störgrößenausregelung und Folgekursregelung untersucht. Die analytische Behandlung des Kursregelkreises fokussiert sich auf die Reglersynthese mit dem Polvorgabeverfahren zur Gewährleistung einer vorgegebenen Regelgüte und den Nachweis der Vermeidung einer bleibenden Kursabweichung durch den I-Anteil. Es folgt der Entwurf des Kursreglers mit dem Wurzelortskurvenverfahren unter Anwendung entsprechender MATLAB^® -Programme.

Ausgehend von der Problemstellung des Filterentwurfs zur Eliminierung hochfrequenter, nicht ausregelbarer Störgrößen in maritimen Regelkreisen soll mittels Simulation der Nachweis der Notwendigkeit des Filtereinsatzes erbracht werden. Davon ausgehend sollen ein lineares Tiefpassfilter und ein nichtlineares Filtersystem mit Totzoneglied im simulierten Kursregelkreis für die Störunterdrückung angewendet werden. Die Auswirkungen der Filtereinstellung auf den Treibstoffverbrauch der Hauptmaschine werden gezeigt.

Eingangs wird das Grundprinzip des Bahnregelungssystems anhand des Bahnregelkreises mit seinen Subsystemen erläutert. Der einläufige Bahnregelkreis erfüllt nicht die Stabilitätsbedingung. Mittels des Wurzelortskurvenverfahrens erfolgt der Entwurf der Kaskaden-Bahnregelung. Das Verhalten der Kaskaden-Bahnregelung bei Führungs- und Störgrößeneinwirkung wird mittels SIMULINK^®-Simulation untersucht.

In diesem Kapitel erfolgt die Erarbeitung eines Regelungssystems für manövrierende Fahrzeuge. Die Manöverregelung berücksichtigt dabei das eingeführte parametervariable Modell (Kap. 4.8) implizit in einer prozessnahen Geschwindigkeitsvorsteuerung und einer dezentralen Mehrgrößenregelung. Aufbauend darauf wird eine Methode zur Bahn- und Lageregelung während der Manöverfahrt betrachtet. Zur Parametrierung der Regelungen wird anschließend ein robuster Ansatz beschrieben, um die Parameter für einen Parameterraum zu berechnen. Die Methoden werden an zwei Beispielszenarien mit einem USV im Realversuch und einem Kreuzfahrtschiff im Schiffsführungssimulator validiert.

In diesem Kapitel wird der Einsatz von Unterwasserfahrzeugen beleuchtet. Neben der grundlegenden Einordnung von Unterwasserfahrzeugen und der Beschreibung typischer Anwendungsszenarien soll anschließend gezeigt werden, wie die Umsetzung der bisher dargestellten Verfahren zur Modellierung und Regelung von maritimen Fahrzeugen anhand eines konkreten Beispiels mit einem autonomen Unterwasserfahrzeug erfolgen kann.

In diesem Kapitel werden Assistenz- und Beratungssysteme als wesentliche Ergänzung zu maritimen Regelsystemen behandelt. Ausgehend von der Motivation für den Einsatz von Assistenz- und Beratungssystemen aus der Sicht der Erhöhung der Schiffssicherheit wird beispielhaft auf das Manöver-Prädiktions-System MAPSYS, das Assistenzsystem für sichere Schiffsführung ASFOSS und das Assistenzsystem STRÖWAR mit ADCP-Strömungsmessungen vor der Hafeneinfahrt Rostock-Warnemünde eingegangen. Hinsichtlich der weiteren Automation der Schiffsführung wird die Manöverautomation in den Mittelpunkt gestellt. Lösungen für eine potenziell zukünftige autonome Schifffahrt werden anhand des MAL-Konzepts für Manöverautomation (Manöver Automations Level) entwickelt und an einem automatisierten Begegnungsszenario zweier USVs (Unmanned Surface Vehicles) mit einem Störfahrzeug demonstriert.