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Über dieses Buch

Das Buch beschreibt die erforderlichen Grundlagen für den Entwurf und die Anwendung maritimer Regelungssysteme. Unter Verwendung moderner Methoden der Modellbildung und der Regelungstheorie erfolgt die Behandlung von Navigationssystemen und Sensoren, Regelungsstrukturen und Assistenzsystemen bis hin zu einem neuentwickelten Manöverregelungssystem. Der methodisch dargestellte Stoff wird durch eine Vielzahl von mit MATLAB® und Simulink® erstellten Rechenbeispielen und Simulationen auf der Basis von Borddaten anschaulich interpretiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 2. Praktische Beispiele für maritime Regelungs- und Sensorsysteme

Zusammenfassung
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 3. Physikalisch-mathematischeBewegungsmodelle Physikalisch-mathematisches BewegungsmodelleBewegungsmodell maritimer Fahrzeuge als Regelungsobjekt

Zusammenfassung
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).
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 4. Regelungstechnischemodell Regelungstechnisches Modelle maritimer Fahrzeuge

Zusammenfassung
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).
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 5. Ruder-Regelungssysteme

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 6. Experimentelle SystemidentifikationExperimentelle Systemidentifikation von Bewegungsmodellen maritimer Fahrzeuge

Zusammenfassung
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 7. Störgrößenmodelle

Zusammenfassung
Als Störquellen für maritime Regelungssysteme werden sowohl bordexterne, wie Wellen, Wind und Meereströmung, als auch fahrzeuginterne Einflüsse behandelt. Ausgehend von den physikalischen Grundlagen des windbedingen Seegangs und einer Darstellung von Seegangsspektren sollen insbesondere solche Modellansätze für seegangsbedingte Störgrößen entwickelt werden, die für die Simulation von maritimen Regelkreisen und den Entwurf von Reglern und Gierfiltern geeignet sind. In diesem Zusammenhang werden auch Ergebnisse von Bordtests der automatischen Kursregelung bei Seegang auf dem Forschungsschiff „Alexander von Humboldt“, die im Rahmen der Dissertationsarbeit von Markert (Markert 1981) gewonnen wurden, genutzt. Beim Wind wird der Schwerpunkt auf die Berechnung der Windkräfte bei stationärem Windeinfluss gelegt, woraus ebenfalls Störmodelle für den Reglerentwurf abgeleitet werden. Ausgehend von den Ergebnissen der Strömungsprofilmessungen mit hydroakustischen Doppler-Strömungsprofilsensoren (Acoustic Doppler Current Profiler/ADCP) in Kap. 9 werden kleinskalige Strömungsmodellansätze formuliert, die für die Simulation in Regelkreisen geeignet sind.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 8. KurssensorenKurssensor (KompasseKompass)

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 9. GeschwindigkeitssensorGeschwindigkeitssensoren (Logs)

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 10. Hydroakustische Doppler-Strömungsprofilsensoren (Acoustic Doppler Current Profiler/ADCP)

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 11. Globale Satellitennavigations und -ortungssysteme (GNSS)Globale Satellitennavigations und -ortungssysteme (GNSS)

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 12. Automatische Kursregelungssysteme (Heading Control Systems)

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 13. FiltersystemeFiltersysteme in maritimen Regelungssystemen zur Eliminierung hochfrequenter Störgrößen

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 14. Automatische BahnregelungssystemBahnregelungssysteme (Track Control Systems)

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 15. Regelungssystem für manövrierende FahrzeugeRegelungssystem für manövrierende Fahrzeuge

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 16. Modellbildung und Regelung unbemannter, autonomer Oberflächenfahrzeuge (Unmanned Surface Vehicles/USV)

Abstract
Kleinere unbemannte, autonom agierende Überwasserfahrzeuge (Unmanned Surface Vehicles/USV) mit Abmessungen im Bereich einiger Meter werden zunehmend zur Erfassung ozeanografischer Daten, für Rettungsaufgaben, zur Ausführung von Suchaufgaben auf dem Meeresboden und als Kommunikationssystem zu Unterwasserstationen und -fahrzeugen benötigt. Ein wesentlicher Einsatzbereich stellt der Meeresraum im Tiefenbereich zwischen der Küstenlinie und 10 m Wassertiefe dar, der durch größere Forschungs- und Vermessungsschiffe nicht erfasst werden kann. Nach einer Darstellung der Entwicklung von USV seit der Mitte der 90er Jahre, wird als Fallbeispiel auf den Prototyp Messdelphin (MESSIN) näher eingegangen, der im Rahmen eines an der Universität Rostock mit Kooperationspartnern bearbeiteten Forschungsprojekts entwickelt wurde. Die schiffbautechnisch/hydrodynamischen und elektrisch/elektronischen Komponenten sowie das hierarchische Steuerungssystem des MESSIN werden behandelt. Eine aktuelle, modernisierte Version des MESSIN wird vorgestellt. Umfangreiche Ergebnisse zur Modellbildung und Identifikation sowie zum automatischen Bahnführungssystem demonstrieren die guten Manövriereigenschaften und die Performance des MESSIN. Abschließend wird ein Überblick zu den vielfältigen Messkampagnen des MESSIN in einem Zeitraum von nahezu 20 Jahren gegeben.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 17. Regelung von unbemannten UnterwasserfahrzeugeUnterwasserfahrzeugen (Unmanned Underwater Vehicles/UUV)

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 18. Modellbildung und Simulation von Bodeneffektfahrzeugen

Abstract
In diesem Kapitel steht die Erarbeitung von Bewegungsmodellen für Bodeneffektfahrzeuge (BEF) zur Anwendung in Trainingssimulatoren im Mittelpunkt. Besondere Manöver von BEF bei hohen Geschwindigkeiten erfordern ein spezielles Training der Fahrzeugführer. Es soll in den Bodeneffekt und die unterschiedlichen Bewegungsarten von BEF eingeführt werden. Beispielhaft wird die geschlossene Modellbildung und Simulation für die entkoppelte Seitenbewegung und den Kurvenflug eines BEF im Flare Mode behandelt. Die Besonderheit dabei besteht darin, dass erstmalig die in der Hydromechanik entwickelte Theorie des schlanken Körpers (Streifentheorie) auf die Berechnung der Querkraft und des Giermoments bei der Steuerbewegung von BEF angewendet werden soll.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

Kapitel 19. Assistenzsysteme für sichere Schiffsführung und autonome Schiffsführung

Abstract
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.
Jürgen Majohr, Martin Kurowski

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