Managing the process of tanker towing by regulating the cable tension

Abstract

Automatic control of the towing process is carried out through the impact of a controlled parameter on it – the cable tension which varies depending on the kinematic parameters of the vessel's motion. As a source of formation of the control signal, one can choose various kinematic characteristics of the towed vessel movement: the angle of deviation of the towing cable from the center line (DP); the drift angle; the angular speed of rotation of the vessel while towing. In the course of the study, an evidence-based choice of a specific control characteristic has been made. With the help of this characteristic (and its derivative if necessary), the control law is determined eliminating stable or developing self-oscillations under the action of initial perturbations. In accordance with this law, technically sound design solutions are selected from the existing patent base to help improve the methods of towing marine objects. Model solutions have been made for the project 214 RN tanker (in ballast) based on a previously calculated mathematical model. The primary problem is to solve a system of four first-order differential nonlinear equations; in this case the law of cable tension control is simply proportional. With the complication of the control law to the proportional-differential (PD), it was necessary to expand the system of differential equations to the seventh order; the initial system of the fourth order is supplemented by three equations for the derivatives of the kinematic variables of the problem. During the selection of methods for controlling the towline tension, the criterial characteristic of the control quality has been used and the mean square characteristic of the angular deviation of the towline from the PD of the towed tanker has been selected.

Автоматическое управление процессом буксировки осуществляется посредством воздействия на него управляемого параметра – натяжения троса, которое изменяется в зависимости от кинематических параметров движения судна. В качестве источника формирования управляющего сигнала можно выбрать различные кинематические характеристики движения буксируемого судна: угол отклонения буксирного троса от диаметральной плоскости (ДП); угол дрейфа; угловую скорость поворота судна при буксировке. В ходе исследования осуществлен доказательный выбор конкретной управляющей характеристики. С помощью указанной характеристики (при необходимости и ее производной) определяется закон управления, устраняющий устойчивые или развивающиеся автоколебания при действии начальных возмущений. В соответствии с этим законом выбираются из существующей патентной базы технически обоснованные конструктивные решения, способствующие совершенствованию способов буксировки морских объектов. Модельные решения выполнены для танкера проекта 214 RN (в балласте) на основе рассчитанной ранее математической модели. Основная задача состояла в решении системы четырех дифференциальных нелинейных уравнений первого порядка; в этом случае закон управления натяжением троса является просто пропорциональным. При усложнении закона управления до пропорционально-дифференциального (ПД) была расширена система дифференциальных уравнений до седьмого порядка; начальная система четвертого порядка дополнена тремя уравнениями для производных кинематических переменных задачи. В ходе отбора способов управления натяжением буксирного троса использована критериальная характеристика качества управления и выбрана средняя квадратическая характеристики углового отклонения буксирного троса от ДП буксируемого танкера.