Der Anteil an Öl und Gas, welcher auf dem offenen Meer gefördert wird, ist in den letzten Jahren stark angestiegen und es wird erwartet, dass sich dieser Trend weiter fortsetzt. Neben einem Anstieg der Anzahl an installierten Offshore"=Förderanlagen auf dem offenen Meer findet die Förderung der Rohstoffe zunehmend aus immer größeren Meerestiefen statt. Hierfür kommen vermehrt schwimmende Plattformen und Förderanlagen zum Einsatz, die teilweise oder sogar komplett auf dem Meeresgrund installiert sind. Allerdings spielen ständige Umwelteinflüsse wie wechselnde Wetterbedingungen, starker Seegang und Wind bei Arbeiten auf dem offenen Meer eine erhebliche Rolle. So werden beispielsweise Tiefseehübe, bei denen Lasten mit einem Kran von Schiffen oder Halbtauchern aus auf dem Meeresgrund abgesetzt werden, durch die seegangsbedingte Vertikalbewegung der Schiffe erheblich beeinflusst. Infolgedessen werden Tiefseehübe bei schlechten Wetterbedingungen verhindert, da ein sicheres Absetzen von Lasten auf dem Meeresgrund bei starkem Seegang nahezu unmöglich ist.

Damit sich in Zukunft Installationen auf dem Meeresgrund unabhängig von Wetterbedingungen durchführen lassen und die Zeitfenster für Tiefseehübe vergrößert werden, besteht eine enorme Nachfrage nach Systemen zur Seegangskompensation. Sie entkoppeln die Lastbewegung von der durch den Seegang verursachten Vertikalbewegung des Schiffs, wodurch der Kranfahrer die Schiffsbewegung beim Verfahren der Last nicht mehr explizit berücksichtigen muss. Eine große Herausforderung bei der Umsetzung solcher Systeme ist die Minimierung des Phasenverzugs zwischen der störenden Vertikalbewegung und der Kompensationsbewegung.

Um den Phasenverzug aufgrund von Trägheiten im System auszugleichen und Antriebsbeschränkungen explizit zu berücksichtigen, stellt die vorliegende Arbeit ein Konzept zur aktiven Seegangskompensation mittels beobachtergestützter Prognose der vertikalen Schiffsbewegung vor. Bei dem verfolgten Ansatz wird die Hubwinde des Krans direkt für die Kompensationsbewegung verwendet, wodurch keine zusätzlichen Zylinder notwendig sind. Des Weiteren beinhaltet das dargelegte Konzept zum Einen die Ansteuerung der Hubwinde des Krans und zum Anderen die komplette Erfassung der zu kompensierenden Vertikalbewegung. Als Messgrößen stehen translatorische Beschleunigungssignale und Drehraten zur Verfügung. Ausgehend von diesen Messgrößen erfolgt zunächst eine Schätzung der zu kompensierenden Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts. Da sich dieser üblicherweise nicht im Schwerpunkt des Schiffs befindet, setzt sich die Vertikalbewegung aus den translatorischen und den rotatorischen Bewegungen des Schiffs zusammen. Auf Basis der geschätzten Bewegungsverläufe erfolgt eine Prognose der zu kompensierenden Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts. Hierfür werden die periodischen Anteile der Vertikalbewegung online identifiziert und zur Formulierung eines Beobachtermodells verwendet. Anhand der periodischen Schätzverläufe wird eine Vorwärtssimulation durchgeführt und die Vertikalbewegung prädiziert.

Die Ansteuerung der Hubwinde des Krans erfolgt durch eine Vorsteuerung und Stabilisierung in Form einer Zwei"=Freiheitsgrade"=Struktur. Die Trajektorien für die Folgeregelung werden auf Basis der vorhergesagten Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts geplant. Um schon bei der Planung gegebene Antriebsbeschränkungen explizit zu berücksichtigen, wird ein beschränktes Optimalsteuerungsproblem formuliert und zyklisch gelöst. Dadurch lassen sich die Referenztrajektorien für die Regelung so auslegen, dass der Regler die Schiffsbewegung so weit kompensiert, wie es aufgrund der Leistung des Antriebs möglich ist.

Die Funktionalität des vorgestellten Konzepts wird am Ende der Arbeit anhand von unterschiedlichen Simulationsszenarien unter Beweis gestellt. Um hierbei spezifische Seileigenschaften bei langen Seillängen abbilden zu können, werden die Simulationen mi einem verteiltparametrischen Seilmodell durchgeführt. Im Anschluss daran werden Messergebnisse von einem speziell für die Seegangskompensation konstruierten und aufgebauten Prüfstand vorgestellt. Sie zeigen, dass die dargelegte Methode zur aktiven Seegangskompensation mit beobachtergestützter Prognose der vertikalen Schiffsbewegung den Phasenverzug zwischen der störenden Vertikalbewegung und der Ausgleichsbewegung auch in der Praxis minimiert und ein Verfahren der Last unter Kompensation der Schiffsbewegung möglich ist.

Schlagwörter: aktive Seegangskompensation; Regelungstechnik; Inertialnavigation; Meerestechnik; Offshore-Krane; Prognose; Beobachter

Berichte aus dem Institut für Systemdynamik Universität Stuttgart