Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου 2012

Transcript

1 Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου 2012 Εισαγωγή Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών-ΕΜΠ Δρ. Γ. Παπαλάμπρου 20 Μαρτίου 2012

2 Πλαίσιο Μαθήματος Σκοπός του μαθήματος είναι να περιγράψει τα σύγχρονα συστήματα ελέγχου λειτουργίας των πλοίων Βαθμολογία: 5 Θέματα για το σπίτι 1 Εργαστηριακή άσκηση Δεν υπάρχει γραπτή εξέταση στο τέλος Iστοσελίδα μαθήματος

3 Πλαίσιο Μαθήματος Iστοσελίδα μαθήματος Υπό διαμόρφωση

4 Πλαίσιο Μαθήματος Πρόγραμμα μαθήματος

5 Πλαίσιο Μαθήματος Iστοσελίδα μαθήματος Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο» Σημειώσεις στον Αυτόματο Έλεγχο

6 Εργαστηριακή Διάταξη Ελέγχου Control of Air Heater (MATLAB/Simulink)

7 Περιεχόμενα Παρουσίασης Ιστορική Αναδρομή Συστήματα ελέγχου πλοίου-αυτοματισμός Συστήματα ελέγχου μηχανής Συστήματα ελέγχου μηχανής-έλικας Συστήματα παρακολούθησης λειτουργίας Προσομοίωση λειτουργίας εγκατ. πρόωσης/συστήματος ελέγχου στο MATLAB/Simulink

8 Ιστορική Αναδρομή Σχεδιασμός συστημάτων ελέγχου πορείας, σταθεροποίησης: αντικείμενο έρευνας από τις αρχές του 70 Βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων αυτών: οφείλεται στην πρόοδο της τεχνολογίας υλοποίησης των συστημάτων ελέγχου παρά στην αντίληψητου φυσικού προβλήματος

9 Ιστορική Αναδρομή Τρία ήταν τα βασικά στοιχεία που συνετέλεσαν στην εφαρμογή των συστημάτων ελέγχου πλοίων: Η εξέλιξη των γυροσκοπίων Η χρήση σύγχρονων θεωριών αυτομάτου ελέγχου Η εμφάνιση του ψηφιακού υπολογιστή

10 Ιστορική Αναδρομή Το πρώτο γυροσκόπιο με ηλεκτρική οδήγηση παρουσιάστηκε το 1890 από τον G. Hopkins Κίνητρο για την εξέλιξη: η ανάγκη για αξιόπιστη πλοήγηση μεταλλικών σκαφών επιφανείας και υποβρυχίων Την ίδια περίοδο, ο H. Anschultz (Γερμανία) και ο E. Sperry (ΗΠΑ), εργάζονταν επάνω στις πρακτικές εφαρμογές του γυροσκοπίου 1908: κατάθεση πατεντών σχετικές με τα γυροσκόπια

11 Ιστορική Αναδρομή Γυροσκόπια Anschütz Γυροσκοπική πυξίδα

12 Ιστορική Αναδρομή Γυροσκόπια Λειτουργία γυροσκοπίου The rotor will maintain its spin axis direction regardless of the orientation of the outer frame

13 Ιστορική Αναδρομή To 1911 o Sperry κατασκεύασε τον πρώτο μηχανισμό αυτόματης οδήγησης πλοίων Η συσκευή ονομάστηκε Metal Mike και παρουσίαζε την συμπεριφορά ενός έμπειρου χειριστή στον τιμόνι ενός πλοίου Λάμβανε υπόψη τις διάφορες καταστάσεις της θάλασσας χρησιμοποιώντας έλεγχο κλειστού βρόχου και αυτόματες ρυθμίσεις παραμέτρων του ελεγκτή Το 1922 o N. Minorsky παρουσίασε σύστημα ελέγχου θέσης, τύπου PID

14 Ιστορική Αναδρομή Συστήματα σταθεροποίησης με σταθερά πτερύγια (bilge keels) παρουσιάστηκαν το 1860 από τον W. Froude (Βρεταννία) Το 1874 τοποθετήθηκαν από τον ίδιο δεξαμενές νερού στο επάνω μέρος ενός πλοίου, με ασήμαντο όμως αποτέλεσμα Το 1911 ο Frahm παρουσίασε την εξέλιξη της δεξαμενής σχήματος U Παρόμοια συστήματα με δεξαμενές anti-roll χρήσιμοποιούνται μέχρι σήμερα

15 Ιστορική Αναδρομή Συστήματα σταθεροποίησης με σταθερά πτερύγια (bilge keels)

16 Ιστορική Αναδρομή Δεξαμενές νερού (σχήματος U) στο επάνω μέρος ενός πλοίου The Anti-Rolling System type MOCON Control system combines continuously measurement of dynamic tank Level and ships roll movement allows a proportional water flow control. The measurement results are basis for adaptation of tank water oscillation period by tank damping modulation. The dynamic control system ensures a harmonic tank water oscillation and lead so also to a more harmonic roll motion of the vessel.

17 Θεωρία Συστημάτων Ελέγχου Ανασκόπηση Συστημάτων Ελέγχου Μοντέλα μειωμένης πολυπλοκότητας για συστήματα ελέγχου Ελεγκτές PID, Βέλτιστος έλεγχος (Linear Quadratic Regulator-LQR) Προσαρμοζόμενος έλεγχος (Adaptive control) Κύρια χαρακτηριστικά των παραπάνω ελεγκτών PID: Proportional-Integral-Derivative

18 Θεωρία Συστημάτων Ελέγχου Ανασκόπηση Συστημάτων Ελέγχου Πηγή: Norwegian University of Science and Technology (NTNU)

19 Θεωρία Συστημάτων Ελέγχου Optimal Control Optimal set-point regulation Optimal trajectory tracking Πηγή: Norwegian University of Science and Technology (NTNU)

20 Θεωρία Συστημάτων Ελέγχου Εφαρμογές Συστημάτων Ελέγχου στην Ναυπηγική Πηγή: Norwegian University of Science and Technology (NTNU)

21 Περιεχόμενα Παρουσίασης Εισαγωγή-Ιστορική Αναδρομή Συστήματα ελέγχου πλοίου-αυτοματισμός Συστήματα ελέγχου μηχανής Συστήματα ελέγχου μηχανής-έλικας Συστήματα παρακολούθησης λειτουργίας Προσομοίωση λειτουργίας εγκατ. πρόωσης/συστήματος ελέγχου στο MATLAB/Simulink

22 Αυτοματισμός

23 Περιεχόμενα Παρουσίασης Εισαγωγή-Ιστορική Αναδρομή Συστήματα ελέγχου πλοίου Συστήματα ελέγχου μηχανής Συστήματα ελέγχου μηχανής-έλικας Συστήματα παρακολούθησης λειτουργίας Προσομοίωση λειτουργίας εγκατ. πρόωσης/συστήματος ελέγχου στο MATLAB/Simulink

24 Συστήματα Ελέγχου Πλοίου Συστήματα ελέγχου πλοίου: Αυτόματοι πιλότοι Πηγή: Norwegian University of Science and Technology (NTNU)

25 Συστήματα Ελέγχου Πλοίου Συστήματα ελέγχου πλοίου: Σταθεροποίηση με πτερύγια

26 Συστήματα Ελέγχου Πλοίου Συστήματα ελέγχου πλοίου: Αυτόματος πιλότος

27 Περιεχόμενα Παρουσίασης Εισαγωγή Συστήματα ελέγχου πλοίου Συστήματα ελέγχου μηχανής Συστήματα ελέγχου μηχανής-έλικας Συστήματα παρακολούθησης λειτουργίας Προσομοίωση λειτουργίας εγκατ. πρόωσης/συστήματος ελέγχου στο MATLAB/Simulink

28 Αντικείμενο Παρουσίασης Η εξέλιξη των συστημάτων ελέγχου σε μηχανές Diesel - Βασικές αρχές συστημάτων ελέγχου - Εφαρμογές - Απαιτήσεις σχεδιασμού: υψηλές επιδόσεις χαμηλή κατανάλωση μείωση ρύπων

29 Πλαίσιο Μαθήματος Παρουσιάζει προηγμένες τεχνικές ελέγχου με μελλοντική εφαρμογή σε εγκαταστάσεις πρόωσης Προηγμένες τεχνικές: απαραίτητες λόγω αυξανομένων απαιτήσεων από την επιβολή χαμηλοτέρων ορίων ρύπων Λειτουργούν ήδη πιλοτικά ή εργαστηριακά αλλά είναι δαπανηρές και πολύπλοκες για να τεθούν σε παραγωγή

30 Επιλογή Θεματολογίας Δυνατότητες εγκαταστάσεων πρόωσης πλοίων: κινητήρες Diesel, αεριοστρόβιλοι, προωθητήρες, ηλεκτρικοί κινητήρες Επιλογή για το μάθημα: - τεχνολογίες ελέγχου ναυτικών κινητήρων Diesel - Εφαρμογές: έλεγχος στροφών/ροπής (τυπική περίπτωση) έλεγχος λόγου αέρα καυσίμου, με έμφαση στη μείωση ρύπων, air injection έλεγχος πιέσης στην εξαγωγή, μεταβλητή γεωμετρία στροβίλου (VGT)

31 Θεωρία Συστημάτων Ελέγχου Σύστημα ελέγχου: σύνολο λειτουργιών που επιτυγχάνουν την επιθυμητή απόκριση σε μια διεργασία Τα συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου ανατροφοδοτούν την έξοδο και τη συγκρίνουν με την τιμή αναφοράς Επιθυμητή τιμή Σ - Ελεγκτής Εντολή Σύστημα Σήμα εξόδου Τυπικές εφαρμογές σε εγκαταστάσεις πρόωσης: έλεγχος στροφών κινητήρα έλεγχος άλλων παραμέτρων κινητήρα (πίεσης, παροχής, ρύπων) έλεγχος βήματος έλικας

32 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Ναυτικός κινητήρας Συμπιεστής Εισαγωγή Στρόβιλος Μεταβλητή γεωμετρία Εξαγωγή Ne: Ταχύτητα περιστροφής κινητήρα Ntc: Ταχύτητα περιστροφής υπερπληρωτή Xfuel: Εντολή καυσίμου Xvgt: Εντολή κλίσης πτερυγίων Αντικείμενο συστήματος ελέγχου: έλεγχος στροφών κινητήρα έλεγχος παραμέτρων κινητήρα: πίεση εξαγωγής, λόγος αέρα καυσίμου (φ)

33 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Αναλογικός-Ολοκληρωτικός (PI) έλεγχος u*: επιθυμητή ταχύτητα πλοίου Set-Point Map Plan t u* Ne* Xfuel Ne Σ PI φ Τυπική περίπτωση Governor Ρύθμιση για γρήγορη αποκριση ταχύτητας Χάρτης επιθυμητών τιμών Προκύπτει απο βελτιστοποίηση παραμέτρων στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας [Stefanopoulou, A., Smith, R.], Control Engineering Practice 8, 2000

34 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Αναλογικός-Ολοκληρωτικός (PI) έλεγχος με περιοριστή (limiter) u*: επιθυμητή ταχύτητα πλοίου Set-Point Map u* Ne* Xfuel Ne Σ PI Plant φ Χάρτης επιθυμητών τιμών Προκύπτει απο βελτιστοποίηση παραμέτρων στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας Fuel Limiter Χρήση περιοριστή, όταν ο φ βρίσκεται κάτω από όριο εμφάνισης καπνού Προυποθέτει μέτρηση του φ

35 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Βέλτιστος Έλεγχος πολλών εισόδων/εξόδων u*: επιθυμητή ταχύτητα πλοίου Set-Point Map u* Ne* Xfuel Ne MIMO φ* Xvgt Plant φ Βέλτιστος ελεγκτής (LQ) Επιτρέπει τον έλεγχο Ν, φ Προυποθέτει μέτρηση του φ

36 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Αποτελέσματα: αξιολόγηση συστημάτων ελέγχου Απόκριση εξόδων Εντολές ελέγχου [Stefanopoulou, A., Smith, R.], Control Engineering Practice 8, 2000 ΡΙ: Δίνει την ταχύτερη απόκριση ταχύτητας, με γρήγορη μεταβολή εντολής ελέγχου Εκτός ορίου το φ (εμφάνιση καπνού) ΡΙ & περιοριστής: Πετυχαίνει την τήρηση του ορίου του φ Αργή απόκριση ταχύτητας ΜΙΜΟ: Δίνει ικανοποιητική απόκριση ταχύτητας, με γρήγορη μεταβολή εντολής ελέγχου Πετυχαίνει την τήρηση του ορίου του φ

37 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Προσαρμοζόμενος Έλεγχος (Adaptive/Self-tuning Control) Χαρακτηριστικά: Λαμβάνονται υπόψη οι Synthesis Estimator αλλαγές στις παραμέτρους του μοντέλου (συστήματος) Προσαρμόζεται κατάλληλα ο ελεγκτής u y Σ - Controller System Χαρακτηριστικά εφαρμογής ελέγχου: Είσοδος ελέγχου: παροχή Estimator: υπολογισμός παραμέτρων μοντέλου Synthesis: υπολογισμός παραμέτρων ελεγκτή u: εντολή ελεγκτή, y: έξοδος συστήματος καυσίμου Ελεγχόμενη μεταβλητή: ταχύτητα κινητήρα

38 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) Αποτελέσματα Απόκριση εξόδων Εντολές ελέγχου Αναγνώριση παραμέτρων μοντέλου Βηματική μεταβολή στην ταχύτητα Ικανοποιητική απόκριση Αποφυγή κορεσμού στην εντολή ελέγχου Στην πρώτη περίοδο (tuning transient), γίνεται η πρώτη εκτίμηση παραμέτρων Στη δεύτερη περίοδο, γίνεται επανεκτίμηση των παραμέτρων

39 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Σύστημα ελέγχου με μοντέλο πρόβλεψης (MPC) Μετρήσεις και εντολές κινητήρα MAN 5L Σύστημα ελέγχου Χαρακτηριστικά συστήματος ελέγχου: Είσοδος ελέγχου: εξωτερική παροχή αέρα Ελεγχόμενες μεταβλητές: αδιαφάνεια καπνού, πίεση στη εισαγωγή του κινητήρα Στόχος: μείωση αδιαφάνειας καπνού

40 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Governor Μηχανικό σύστημα ελέγχου στροφών Η ρύθμιση γίνεται με τον φυγοκεντρικό μηχανισμό

41 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Governor Σύστημα ελέγχου καυσίμου σε κανονική ταχύτητα και σε υπερτάχυνση

42 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Governor UG-8 Μηχανικό-υδραυλικό σύστημα ελέγχου στροφών Οι ρυθμίσεις γίνονται μέσω περιστρεφ. διακοπτών Governor UG Μηχανικό-ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου στροφών Οι ρυθμίσεις γίνονται μέσω συστήματος ψηφιακού ελεγκτή/ηυ Επενεργητής (Actuator) ProAct Σερβοκινητήρας συστήματος ελέγχου στροφών Οι ρυθμίσεις γίνονται μέσω συστήματος ψηφιακού ελεγκτή/ηυ Περιέχει ελεγκτή θέσης περιστροφής

43 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Common Rail

44 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Common Rail Χρησιμοποιεί ηλεκτρονικά ελεγχόμενο σύστημα καυσίμου (common-rail) Αντικαθιστά μηχανικό σύστημα εκκεντροφόρου-συστήματος οδήγησηςαντλίας ψεκασμού καυσίμου και μηχανικού σύστηματος ελέγχου Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχει: - την ποσότητα καυσίμου - το χρονισμό

45 Περιεχόμενα Παρουσίασης Εισαγωγή Συστήματα ελέγχου μηχανής Συστήματα ελέγχου μηχανής-έλικας Συστήματα παρακολούθησης λειτουργίας Προσομοίωση λειτουργίας εγκατ. πρόωσης/συστήματος ελέγχου στο MATLAB/Simulink

46 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής - Έλικας Έλικα μεταβλητού βήματος (CPP) Τα πτερύγια της έλικας μπορούν να περιστραφούν, μεταβάλοντας το βήμα Κοίλος άξονας, περιλάμβάνει το υδραυλικό σύστημα κίνησης των πτερυγίων Αλλάζοντας το βήμα, αλλάζει η ώση της έλικας Πλεονέκτημα: μεταβάλεται η ταχύτητα του πλοίου, ενώ η ταχύτητα μηχανής μένει σταθερή Μειονέκτημα: πολυπλοκότητα μηχανικών μερών και ελεγκτή

47 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής - Έλικας Έλικα μεταβλητού βήματος (CPP) Υδραυλικό κύκλωμα Ελεγκτής [Bakker, J., Grimmelius, H., Wesselink, A.], ICMES 2006

48 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής - Έλικας Σύστημα ελέγχου μηχανής-έλικας μεταβλητού βήματος (combinator) [Bakker, J., Grimmelius, H., Wesselink, A.], ICMES 2006

49 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής - Έλικας Συστήματα ελέγχου μηχανής-έλικας μεταβλητού βήματος Ελεγκτής Ελεγκτής (α) Χωρίς έλεγχο (β) Ελεγκτής καυσίμου (γ) Πολυμεταβλητός ελεγκτής [Bakker, J., Grimmelius, H., Wesselink, A.], ICMES 2006

51 Παρακολούθηση Λειτουργίας (Monitoring) Αρχιτεκτονική συστήματος ελέγχου και παρακολούθησης ναυτικού κινητήρα Wartsila 32 Παράσταση οθόνης Η/Υ μηχανής MAN τοπικός σταθμός ελέγχου κύρια μονάδα ελέγχου κατανεμημένες μονάδες ελέγχου

52 Παρακολούθηση Λειτουργίας (Monitoring) Παράσταση οθόνης Η/Υ μηχανής MAN Στα πλαίσια του μαθήματος παρουσιάζεται εφαρμογή παρακολούθησης λειτουργίας κινητήρα σε πλατφόρμα National Instruments/LabView, σε ΗΥ

53 Παρακολούθηση Λειτουργίας (Monitoring) Σχεδιάγραμμα οργάνων μηχανής Wartsila 32 Αισθητήρια και μεταδότες

54 Παρακολούθηση Λειτουργίας (Alarms) Αισθητήρια συστήματος παρακολούθησης

56 Προσομοίωση Λειτουργίας Προσομοίωση λειτουργίας εγκατ. πρόωσης/συστήματος ελέγχου στο MATLAB/Simulink Πηγή: Norwegian University of Science and Technology (NTNU)

57 Ενδεικτική Βιβλιογραφία Δημοσιεύσεις σε περιοδικά και συνέδρια: Stefanopoulou, A., Smith, R., Maneuverability and smoke emission constraints in marine diesel propulsion, Control Engineering Practice 8, 2000 Woud, H. K., Stapersma, D., Propulsion and Electric Power Generation Systems, IMAREST, 2003 Bakker, J., Grimmelius, H., Wesselink, A., The use of non linear models in the analysis of CPP actuator, ICMES 2006 Βιβλία: Wellstead, P., Zanker, P., Application of self-tuning to engine control, Billings, R., Harris, R., (eds), Selft Tuning and Adaptive Control, Peter Peregrinus, 1989 Εγχειρίδια ναυτικών μηχανών (Project Guides): Wartsila 32 Project Guide, Wartsila, 1/2004 MAN K98MC-C Project Guide, MAN B&W, 4th edition, 12/2005

58 Υπολογιστική Πλατφόρμα Ανασκόπηση MATLAB/Simulink Διαθέσιμο φυλλάδιο στην ιστοσελίδα με πίνακες εντολών, παραδείγματα γραφικών και παραδείγματα Simulink