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Tese de Livre Docencia
DOI
10.11606/T.3.2010.tde-31032010-170129
Documento
Autor
Nome completo
Eduardo Aoun Tannuri
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2009
Banca examinadora
Hsu, Liu (Presidente)
Arruda, José Roberto de França
Costa, Oswaldo Luiz do Valle
Miyagi, Paulo Eigi
Yoneyama, Takashi
Título em português
Sistemas de Posicionamento Dinâmico: projeto, análise e novos desenvolvimentos.
Palavras-chave em português
Controle não-linear
Controle robusto
Estimação
Experimentos
Simuladores numéricos
Sistema de Posicionamento Dinâmico
Resumo em português
Apresenta-se neste texto o trabalho de pesquisa realizado pelo autor na área de Sistemas de Posicionamento Dinâmico de embarcações (Sistema DP), destacando-se seis tópicos dentro deste tema, relacionados a controle, estimação, simulação, análise experimental, novas estratégias de posicionamento e metodologias de projeto. Algoritmos de controle avançado (não linear e adaptativo) foram aplicados ao problema, em alternativa ao clássico controlador proporcional-derivativo. Constataram-se vantagens em relação à robustez, desempenho em diversas condições ambientais e facilidade no ajuste de parâmetros, através de análise numérica e experimental. A estimativa das condições ambientais em tempo real é importante para a segurança de operações offshore e para melhorar o desempenho dos Sistemas DP. Desenvolveu-se um método para estimar o espectro de ondas incidentes baseado exclusivamente nos movimentos de primeira ordem da embarcação. Ensaios experimentais e medições em escala real demonstraram a efetividade do mesmo. Simuladores numéricos de embarcações dotadas de Sistemas DP foram desenvolvidos a partir do completo entendimento dos algoritmos de controle, filtragem e alocação empregados nos Sistemas DP comerciais. Estes simuladores foram validados por meio de monitoração de uma operação real e são utilizados para projeto e análise de operações e embarcações. Novos efeitos físicos estão sendo incorporados nos simuladores, relacionados à interação hidro/aerodinâmica entre navios operando próximos. Apresenta-se também o desenvolvimento de aparatos e metodologia experimental para ensaios de modelos em escala reduzida de navios dotados de Sistemas DP, o que inclui a construção mecânica dos propulsores, eletrônica de controle embarcada e programas computacionais de supervisão e comando. Este trabalho inclui também a construção de novos sensores e equipamentos utilizados nos tanque de provas nacionais. Entre as particularidades do cenário de exploração offshore nacional destacam-se a forte componente bimodal do campo de ondas das bacias nacionais e a utilização de plataformas amarradas com pouca liberdade de aproamento. Isto levou à necessidade de desenvolvimento de estratégias de controle e posicionamento diferenciadas, levando-se em conta múltiplos objetivos, e não apenas o alinhamento com a resultante ambiental. O ultimo tópico abordado refere-se ao desenvolvimento de metodologias avançadas de projeto e análise de Sistemas DP, utilizando-se simulações dinâmicas ou cálculos estáticos intensivos. Destacam-se procedimentos para avaliação de disponibilidade operacional e cálculo de gráficos de capacidade levando-se em conta efeitos dinâmicos.
Título em inglês
Dynamic Positioning System: design, analysis and new developments.
Palavras-chave em inglês
Dynamic Positioning System
Estimation
Experimental analysis
Nonlinear control
Numerical simulator
Robust control
Resumo em inglês
This document presents the author’s research work related to Dynamic Positioning Systems (DP Systems) of vessels, emphasizing six main topics concerning control design, estimation, numerical simulation, experimental facilities, positioning criteria and design methodology. The first topic is the application of advanced control theory (non linear and adaptive) to the design of DP System controller, instead of the classical proportional-derivative algorithm. Experimental and numerical analysis confirmed the simple tuning process and the good robustness and performance properties in several sea states. Real time estimation of environmental conditions is crucial for enhancing the safety of offshore operations and the performance of DP Systems. A method for wave spectrum estimation has been developed, based on the measurement of vessel first order motions. Experimental tests and real scale monitoring campaigns demonstrated the good accuracy of the method. Another important development is related to the implementation of numerical time-domain simulators of DP vessels, including the actual filtering, control and allocation algorithms used in the commercial DP Systems. The simulators were validated by means of a real offshore operation, and they have been extensively applied in the design and analysis of DP vessels and operations. Complex hydro/aerodynamical multi-vessel interaction effects are now being incorporated in the simulation codes. An experimental capability for DP experiments is also developed, what includes the mechanical manufacturing of the small scale propellers, implementation of embedded control and communication electronics and commanding software. This topic also comprehends the developments of new sensors and mechatronic equipments for national oceanic and towing basins. Two important particularities of Brazilian offshore exploration oil fields are the bimodality of sea state and the utilization of moored platforms with small weathervane ability. Those facts make the application of conventional positioning and control modes not adequate in the case of free heading operations. A novel methodology based on multi-objective criteria, other than the single minimum control thrust criterion, has been developed and successfully applied. The last research topic is related to the new methodologies for design and analysis of DP Systems, based on fully time domain simulations. Such methodologies include the evaluation of operational downtime and capability plots considering dynamic effects.
 
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Data de Publicação
2010-04-01
 
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