JP5006228B2 - Linear structure position control system, linear structure position control method, and moving structure control system - Google Patents
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Description
本発明は、船舶等の水面に浮かぶ移動体と、この移動体に固定され水中に延びる弾性変形可能な線状構造体、例えばライザー管と、を備える移動構造体に用いられ、線状構造体の下端の位置が目標位置に速やかに到達するように制御する線状構造***置制御システム及びこの位置制御方法、さらには、移動構造体制御システムに関する。 The present invention is used in a moving structure including a moving body that floats on the water surface of a ship or the like, and an elastically deformable linear structure that is fixed to the moving body and extends in water, for example, a riser pipe. The present invention relates to a linear structure position control system and a position control method for controlling the position of the lower end of the robot so as to quickly reach a target position, and further to a moving structure control system.
近年、海洋における資源開発のために海底掘削が盛んに行われている。掘削船は、海底を掘削するドリルパイプや、泥水を上昇させるライザー管が掘削船から海底に延びている。ライザー管は、掘削用ドリルパイプを管内に設け、掘削のために必要な高比重の泥水を、海底と船上間で循環させるために用いられる。
海底掘削の作業は、海象条件によっては一時中止する。このとき、ドリルパイプを管内に設けたライザー管を、海底の掘削部分に設けられた装置であるＢＯＰ（ブローアウトプリベンダー:Blow Out Preventer）から離脱させて、掘削船を安全な場所に待機させる。一方、掘削作業の再開に際しては、掘削船から海中に延びるライザー管を上記ＢＯＰに再接続させるリエントリ作業を行う。
In recent years, seabed excavation has been actively performed for resource development in the ocean. In the drilling ship, a drill pipe for drilling the seabed and a riser pipe for raising muddy water extend from the drilling ship to the seabed. The riser pipe is used to provide a drill pipe for excavation in the pipe and circulate high specific gravity mud required for excavation between the sea floor and the ship.
Undersea drilling work will be temporarily suspended depending on sea conditions. At this time, the riser pipe provided with the drill pipe in the pipe is separated from the BOP (Blow Out Preventer) which is a device provided in the drilling portion of the seabed, and the drilling ship is kept in a safe place. . On the other hand, when the excavation work is resumed, a reentry work for reconnecting the riser pipe extending from the excavation ship to the sea to the BOP is performed.
現在、上記ライザー管のリエントリ作業は、オペレータがマニュアル操作で長時間かけて行う。しかし、ライザー管は、海底に延びる極めて長い管であるため、長時間かけて作業を行っても、掘削船の移動に伴って弾性変形による振動を引き起こす。このため、ライザー管の下端がＢＯＰと衝突することなく、ライザー管下端の位置がＢＯＰの位置に到達するように、振動が収まるのを待ちながら掘削船の移動と停止を繰り返しながらリエントリ作業を行う。このときの掘削船の移動は、オペレータが掘削船の移動のための目標位置を指定することによって行われる。 Currently, the re-entry work of the riser pipe is performed manually by an operator over a long period of time. However, since the riser pipe is an extremely long pipe extending to the seabed, even if the work is performed over a long period of time, vibration due to elastic deformation is caused as the excavation ship moves. For this reason, the reentry work is repeated while moving and stopping the excavating ship while waiting for the vibration to settle so that the lower end of the riser pipe reaches the BOP position without the lower end of the riser pipe colliding with the BOP. Do. The excavation ship moves at this time when the operator designates a target position for the excavation ship movement.
このリエントリ作業は、上述したライザー管の振動の減衰を待ちながら作業を行うため、専門的な訓練を受けたオペレータでさえ、長時間を要し、リエントリ作業は極めて効率の悪い作業となっている。これに対して、下記非特許文献１では、ライザー管上端の角度とライザー管の下端位置のみを観測し、掘削船に加えるべきスラスト力を制御対象として操作することが提案されている。 This reentry work is performed while waiting for the above-described riser pipe vibration to be attenuated, so even a specialized trained operator takes a long time, and the reentry work is extremely inefficient. ing. On the other hand, the following Non-Patent Document 1 proposes that only the angle of the upper end of the riser pipe and the lower end position of the riser pipe are observed, and the thrust force to be applied to the drilling ship is operated as a control target.
しかし、このスラスト力の操作は、実際のオペレータが行う掘削船の移動位置の指定とは異なるため、現実の作業において適用することは難しい。しかも、掘削船に搭載されている移動位置の指定に基づいて掘削船にスラスト力を発生させる位置制御装置であるＤＰＳ（ダイナミックポジショニングシステム）を有効に用いることもできない。 However, since this thrust force operation is different from the designation of the moving position of the drilling ship performed by an actual operator, it is difficult to apply it in actual work. In addition, it is not possible to effectively use a DPS (Dynamic Positioning System) that is a position control device that generates a thrust force on the excavation ship based on the designation of the movement position mounted on the excavation ship.
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、掘削船等の移動体に備えられる位置制御装置を活用して、ライザー管等の線状構造体の下端位置が短時間に目標位置に到達するように、制御することのできる線状構造***置制御システム及び線状構造体の位置制御方法、ならびに移動構造体制御システムを提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention utilizes a position control device provided in a moving body such as an excavation ship, so that the lower end position of a linear structure such as a riser pipe can be brought to the target position in a short time. It is an object of the present invention to provide a linear structure position control system, a linear structure position control method, and a moving structure control system that can be controlled so as to arrive.
上記目的を達成するために、本発明は、水面に浮かぶ移動体と、この移動体に設けられ、指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動***置制御装置と、前記移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に用いられ、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する線状構造***置制御システムであって、前記線状構造体の前記上端の前記移動体に対する傾斜角度を計測する角度センサと、前記線状構造体の前記下端の位置を計測する第１の位置センサと、前記移動体の現在の位置を求める第２の位置センサと、前記線状構造体の下端の位置が、前記目標位置に到達するように、前記角度センサから得られた前記傾斜角度の情報と、前記第１の位置センサから得られた前記下端の位置の情報と、前記第２の位置センサから得られた前記移動体の現在の位置の情報と、に基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、前記移動***置制御装置に供給する線状構造体制御装置と、を有することを特徴とする線状構造***置制御システムを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention controls a position of the moving body using a command signal at a designated position so that the movable body floats on the water surface and the movable body is provided at the designated position so as to be movable to the designated position. A movable body position control device and a linear structure that is supported by the movable body and has an elastically deformable linear structure that extends underwater with a lower end supported as a free end. A linear structure position control system for controlling a position of a lower end to reach a set target position, an angle sensor for measuring an inclination angle of the upper end of the linear structure with respect to the moving body; A first position sensor for measuring a position of the lower end of the linear structure, a second position sensor for obtaining a current position of the movable body, and a position of the lower end of the linear structure is the target position. The angle sensor to reach Information on the obtained tilt angle, information on the position of the lower end obtained from the first position sensor, and information on the current position of the moving body obtained from the second position sensor, And a linear structure control device that generates a feedback control signal for the command signal at the designated position and supplies the feedback control signal to the movable body position control device. A body position control system is provided.
ここで、前記線状構造体制御装置は、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインを変更することが好ましい。その際、前記フィードバックゲインは、前記移動構造体の数学モデルと前記移動***置制御装置の応答特性の情報とを用い作成され、前記数学モデル中の観測変数を状態変数の一部として表した制御対象モデルに対して、前記制御対象モデルの前記状態変数の各成分と前記指定位置の値の二乗和で表した評価関数を最小とする最適制御を適用することにより設定されたゲインであることが好ましい。
さらに、前記移動構造体の数学モデルは、前記移動体の数学モデルと前記線状構造体の数学モデルとを用いて構成されたモデルであり、前記線状構造体の数学モデルとして、前記線状構造体の空間上の弾性変形の変位を所定の関数系でモード展開したときの係数を変数とするモデルを用いることが好ましい。
また、前記線状構造体制御装置は、前記傾斜角度の情報と、前記下端の位置の情報と、前記移動体の現在の位置の情報とから、前記移動構造体の数学モデルの自由度に対応する前記移動構造体の情報を推定する観測器を備え、この観測器で推定された情報と、前記フィードバックゲインとを用いて前記フィードバック制御信号を生成することが好ましい。
Here, it is preferable that the linear structure control device changes a feedback gain used for generating the feedback control signal according to a moving speed of the moving body. At this time, the feedback gain is created using a mathematical model of the moving structure and information on response characteristics of the moving body position control device, and the control represents the observed variable in the mathematical model as a part of the state variable. The gain is set by applying optimal control that minimizes an evaluation function represented by a sum of squares of each component of the state variable of the control target model and the value of the designated position to the target model. preferable.
Further, the mathematical model of the moving structure is a model configured using the mathematical model of the moving body and the mathematical model of the linear structure, and the linear model is the mathematical model of the linear structure. It is preferable to use a model whose variable is a coefficient when the displacement of the elastic deformation in the space of the structure is mode-expanded by a predetermined function system.
Further, the linear structure control device corresponds to the degree of freedom of the mathematical model of the moving structure from the information of the inclination angle, the information of the position of the lower end, and the information of the current position of the moving body. It is preferable that an observation device for estimating information on the moving structure is provided, and the feedback control signal is generated using the information estimated by the observation device and the feedback gain.
さらに、本発明は、水面に浮かぶ移動体と、この移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に用いられ、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する移動構造体制御システムであって、指定される指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動***置制御装置と、前記線状構造体の前記移動体に対する傾斜角度を計測する角度センサと、前記線状構造体の下端の位置を計測する第１の位置センサと、前記移動体の現在の位置を求める第２の位置センサと、前記線状構造体の下端の位置が、前記目標位置に到達するように、前記角度センサから得られた前記傾斜角度の情報と、前記第１の位置センサから得られた前記下端の位置の情報と、前記第２の位置センサから得られた移動体の現在の位置の情報と、に基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を前記移動***置制御装置に供給する線状構造体制御装置と、を有することを特徴とする移動構造体制御システムを提供する。 Furthermore, the present invention is used for a moving structure including a moving body that floats on a water surface, and an elastically deformable linear structure that is supported by the moving body and has an upper end supported at the lower end and extending into water. A moving structure control system for controlling the position of the lower end of the linear structure so as to reach a set target position, using a command signal at a designated position so as to be movable to a designated position. A moving body position control device that controls the position of the moving body, an angle sensor that measures an inclination angle of the linear structure with respect to the moving body, and a first position that measures the position of the lower end of the linear structure. The tilt angle obtained from the angle sensor so that the position sensor, the second position sensor for determining the current position of the moving body, and the position of the lower end of the linear structure reach the target position Information and the first position set. A feedback control signal for the command signal for the designated position is generated based on the information on the position of the lower end obtained from the second position sensor and the information on the current position of the moving body obtained from the second position sensor. And a linear structure control device that supplies the feedback control signal to the moving body position control device.
その際、前記フィードバック制御信号を生成するとき、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインが変更されることが好ましい。 At this time, when generating the feedback control signal, it is preferable that a feedback gain used for generating the feedback control signal is changed according to a moving speed of the moving body.
さらに、本発明は、水面に浮かぶ移動体と、この移動体に設けられ、指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動***置制御装置と、前記移動体に上端が支持され下端が自由端となって水中に延びる弾性変形可能な線状構造体と、を備える移動構造体に対して、前記線状構造体の下端の位置が、設定された目標位置に到達するように制御する線状構造体の位置制御方法であって、前記移動体の現在の位置と、前記線状構造体の前記移動体に対する傾斜角度と、前記線状構造体の下端の位置を計測するステップと、得られた前記傾斜角度の情報と、前記下端の位置の情報と、前記移動体の現在の位置の情報とに基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、前記移動***置制御装置に供給するステップと、を有することを特徴とする線状構造体の位置制御方法を提供する。 Furthermore, the present invention provides a movable body that floats on the water surface, and a movable body position control device that is provided on the movable body and that controls the position of the movable body using a command signal for a designated position so that the movable body can move to a designated position. A position of the lower end of the linear structure is set with respect to the movable structure including an elastically deformable linear structure that is supported by the moving body and has an upper end supported in the lower end and a lower end as a free end. A method for controlling the position of a linear structure that is controlled so as to reach a set target position, wherein the current position of the moving body, an inclination angle of the linear structure with respect to the moving body, and the linear structure Based on the step of measuring the position of the lower end of the body, the information on the obtained tilt angle, the information on the position of the lower end, and the information on the current position of the moving body, the command signal for the designated position Generate a feedback control signal and The readback control signal to provide a position control method for one-dimensional structure characterized by having a step of supplying to the mobile position control device.
その際、前記フィードバック制御信号を生成するとき、前記移動体の移動速度に応じて、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインが変更されることが好ましい。 At this time, when generating the feedback control signal, it is preferable that a feedback gain used for generating the feedback control signal is changed according to a moving speed of the moving body.
本発明では、各センサから得られた線状構造体の上端の傾斜角度の情報と、線状構造体の下端の位置の情報と、移動体の現在の位置の情報とに基づいて、指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、位置制御装置に供給する。このため、従来より移動体に備える移動***置制御装置を用いて、短時間に線状構造体の下端の位置を目標位置に到達させることができる。
特に、移動体の移動速度に応じて、例えば、移動速度の平均値を非０として値を設定することにより、前記フィードバック制御信号の生成に用いるフィードバックゲインを変更するので、より短時間に線状構造体の下端の位置を目標位置に到達させることができる。
また、フィードバックゲインは、移動構造体の数学モデルと移動***置制御装置の応答特性の情報とを用いて作成される制御対象モデルから求められる。この制御対象モデルは、ライザー管を備える掘削船等の現実の移動構造体の挙動を再現したモデルとなるので、フィードバックゲインを用いて、現実の移動構造体の挙動に適応した形で短時間に正確に制御することができる。
さらに、観測器は、移動構造体の数学モデルの変数に対応する移動構造体全体の状態変数を推定することができるので、計測された情報に基づいて正確な制御が可能となる。
In the present invention, based on the information on the inclination angle of the upper end of the linear structure obtained from each sensor, the information on the position of the lower end of the linear structure, and the information on the current position of the moving body, the specified position A feedback control signal for the command signal is generated, and this feedback control signal is supplied to the position control device. For this reason, the position of the lower end of a linear structure can be reached to a target position in a short time using the moving body position control apparatus with which a moving body is provided conventionally.
In particular, according to the moving speed of the moving body, for example, by setting a value with the average value of the moving speed being non-zero, the feedback gain used for generating the feedback control signal is changed. The position of the lower end of the structure can be reached at the target position.
The feedback gain is obtained from a control target model created using a mathematical model of the moving structure and information on response characteristics of the moving body position control device. This control target model is a model that reproduces the behavior of an actual moving structure such as a drilling vessel equipped with a riser pipe, so it uses a feedback gain to adapt to the behavior of the actual moving structure in a short time. It can be controlled accurately.
Furthermore, since the observer can estimate the state variable of the entire moving structure corresponding to the variable of the mathematical model of the moving structure, accurate control can be performed based on the measured information.
以下、本発明の線状構造***置制御システム、線状構造体の位置制御方法及び移動構造体制御システムについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。 Hereinafter, the linear structure position control system, the linear structure position control method, and the moving structure control system of the present invention will be described in detail based on the preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
図１は、本発明の線状構造***置制御システム、線状構造体の位置制御方法及び移動構造体制御システムが好適に用いられるライザー管のリエントリ作業を説明する図である。
ライザー管（線状構造体）１０は、海面に浮かぶ掘削船１２に支持されて海底に向かって延びている弾性変形可能な線状構造を成している。掘削船（移動体）１２は、後述するように、指定される指定位置に移動可能なように移動を制御する位置制御装置であるＤＰＳ（ダイナミックポジショニングシステム）を搭載している。ライザー管１０の上端は掘削船１２に支持され、下端は海中に延びて自由端を成している。ライザー管１０を備える掘削船１２が、掘削地点に到達するように指定位置が指定されて移動するとき、ライザー管１０の下端の位置が掘削地点のＢＯＰ１３の位置（目標位置）に速やかに到達するように、指定位置の指令信号に対するフィードバック御信号をＤＰＳに与える。これにより、掘削船１２の位置が制御される。
以下、本実施形態では、指定位置に掘削船が移動するために指定位置の指令信号を受けたＤＰＳに対して、ライザー管１０の下端の位置が掘削地点のＢＯＰ１３の位置（目標位置）に速やかに到達するように、指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を供給するライザー管位置制御装置を中心に説明する。
FIG. 1 is a diagram for explaining a reentry operation of a riser pipe in which the linear structure position control system, the linear structure position control method, and the moving structure control system of the present invention are preferably used.
The riser pipe (linear structure) 10 has an elastically deformable linear structure that is supported by an excavation ship 12 floating on the sea surface and extends toward the seabed. As will be described later, the excavation ship (moving body) 12 is equipped with a DPS (Dynamic Positioning System) which is a position control device that controls movement so as to be movable to a designated position. The upper end of the riser pipe 10 is supported by the excavation ship 12, and the lower end extends into the sea to form a free end. When the designated position is designated so that the drilling vessel 12 including the riser pipe 10 reaches the excavation point, the position of the lower end of the riser pipe 10 quickly reaches the position (target position) of the BOP 13 at the excavation point. Thus, a feedback control signal for the command signal at the designated position is given to the DPS. Thereby, the position of the excavation ship 12 is controlled.
Hereinafter, in the present embodiment, the position of the lower end of the riser pipe 10 promptly reaches the position (target position) of the BOP 13 at the excavation point with respect to the DPS that has received the command signal of the designated position for the excavation ship to move to the specified position. The riser pipe position control device that supplies a feedback control signal for the command signal at the designated position so as to reach the position will be mainly described.
図２は、ライザー管１０を有する掘削船１２の制御システムを示す図である。この制御システムは、本発明における移動構造体制御システムに相当する。
掘削船１２は、ライザー管１０と、掘削船１２を移動させるためにスラスト力（推力）を出す複数のスラスタ１４と、各スラスタ１４に、スラスタ１４の向きとスラスト力の大きさを表す信号を与えるＤＰＳ１６と、掘削船１２の現在の位置ｘ0、ｙ0を取得する船***置センサ１８と、掘削船１２の本体と接続するライザー管１０の上端の傾斜角度θx，θyを計測するライザー管角度センサ２０と、掘削船１２の本体に対して自在に海中を移動し、ライザー管１０の下端を撮影してこの下端の位置ｘle、ｙleを計測するＲＯＶ（Remotely Operated Vehicle）２２と、掘削船１２の現在の位置ｘ0、ｙ0、傾斜角度θx，θy、及びライザー管１０の下端の位置ｘle、ｙleに基づいて、指定位置ｘc、ｙcの信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号をＤＰＳ１６に供給するライザー管制御装置２４と、を主に有する。
上記船***置センサ１８と、ライザー管角度センサ２０と、ＲＯＶ２２と、ライザー管制御装置２４と、で構成されるシステムが、本発明における線状構造***置制御システムに相当する。
FIG. 2 is a diagram showing a control system of the drilling ship 12 having the riser pipe 10. This control system corresponds to the moving structure control system in the present invention.
The excavation ship 12 includes a riser pipe 10, a plurality of thrusters 14 that generate thrust force (thrust) to move the excavation ship 12, and signals indicating the direction of the thruster 14 and the magnitude of the thrust force to each thruster 14. A DPS 16 to be provided, a hull position sensor 18 for acquiring the current positions x 0 and y 0 of the drilling ship 12, and a riser for measuring the inclination angles θ x and θ y of the upper end of the riser pipe 10 connected to the main body of the drilling ship 12. A tube angle sensor 20 and a ROV (Remotely Operated Vehicle) 22 that moves freely in the sea with respect to the main body of the excavation ship 12 and photographs the lower end of the riser pipe 10 and measures the positions x le and y le of the lower end. Based on the current position x 0 , y 0 of the drilling vessel 12, the inclination angles θ x , θ y , and the position x le , y le at the lower end of the riser pipe 10, feedback on the signals at the designated positions x c , y c Generate control signal And, with this feedback control signal and the riser pipe controller 24 supplies the DPS16, to the main.
A system constituted by the hull position sensor 18, the riser pipe angle sensor 20, the ROV 22, and the riser pipe control device 24 corresponds to the linear structure position control system in the present invention.
スラスタ１４は、例えば、アジマススラスタやサイドスラスタが用いられる。スラスタ１４は、例えば、掘削船１２の後方の、左右両側の船底と、掘削船１２の前方の、船体の左右中心線上の船底に、合計３箇所設けられる。アジマススラスタは、推力を発するプロペラの回転軸が所望の方向に回動する推力発進装置であり、サイドスラスタは、船体の横方向（スウェイ方向）にのみ推力を発する推力発進装置である。 As the thruster 14, for example, an azimuth thruster or a side thruster is used. The thrusters 14 are provided at a total of three locations, for example, on the left and right ship bottoms behind the excavation ship 12 and on the ship bottom on the left and right center line in front of the excavation ship 12. The azimuth thruster is a thrust starting device in which the rotation shaft of a propeller that generates thrust rotates in a desired direction, and the side thruster is a thrust starting device that generates thrust only in the lateral direction (sway direction) of the hull.
ＤＰＳ１６は、オペレータが入力した指定位置ｘc、ｙc、ψcに対してスラスタ１４に供給するスラスト力の方向とスラスト力の大きさを表す信号を生成する。このとき、船***置センサ１８から出力される現在の位置ｘ0、ｙ0、ψ0が供給されて、生成された信号を制御するように構成されている。 The DPS 16 generates a signal representing the direction of the thrust force supplied to the thruster 14 and the magnitude of the thrust force for the designated positions x c , y c , and ψ c input by the operator. At this time, the current position x 0 , y 0 , ψ 0 output from the hull position sensor 18 is supplied, and the generated signal is controlled.
船***置センサ１８は、ＧＰＳ(Global Positioning System)及び方位測定器を用いて掘削船１２の現在の位置ｘ0、ｙ0，ψ0を取得するセンサである。
ライザー管角度センサ２０は、弾性変形したライザー管１０の上端における傾斜角度を計測するセンサであり、傾斜角度計が好適に用いられる。傾斜角度は、具体的には、予め船体に設定されたｘ−ｙ直交座標系のｘ軸に対する傾斜角度θx、およびｙ軸に対する傾斜角度θyである。
ＲＯＶ２２は、カメラロボと呼ばれるテレビカメラの装備された海中移動可能な移動体であり、テレビカメラで撮影された画像から画像処理によってライザー管１０の下端の位置ｘle、ｙleを求める。
船***置センサ１８、ライザー管角度センサ２０及びＲＯＶ２２にて得られたデータであるｘ0、ｙ0，θx，θy，ｘle、ｙleは、ライザー管制御装置２４に供給される。
The hull position sensor 18 is a sensor that acquires a current position x 0 , y 0 , ψ 0 of the excavation ship 12 using a GPS (Global Positioning System) and a direction measuring device.
The riser tube angle sensor 20 is a sensor that measures an inclination angle at the upper end of the elastically deformed riser tube 10, and an inclination angle meter is preferably used. Specifically, the inclination angle is an inclination angle θ x with respect to the x axis of the xy orthogonal coordinate system set in advance on the hull, and an inclination angle θ y with respect to the y axis.
The ROV 22 is a mobile body that is equipped with a television camera called a camera robot and can move in the sea. The ROV 22 obtains positions x le and y le at the lower end of the riser tube 10 from an image captured by the television camera by image processing.
Data obtained by the hull position sensor 18, the riser pipe angle sensor 20 and the ROV 22 are supplied to the riser pipe control device 24 as x 0 , y 0 , θ x , θ y , x le and y le .
ライザー管制御装置２４は、各センサで観測されたｘ0、ｙ0，θx，θy，ｘle、ｙle
を観測データとして、後述するオブザーバ（観測器）２６に供給し、このオブザーバ２６から算出された、掘削船１２の推定位置を少なくとも含む推定状態変数x*と、ライザー管１０の下端の、現在の位置とその目標位置との誤差を制御開始時点から積分した値xIと、予め定められたフィードバック係数行列ＦとＦIとを用いてｕ＝−Ｆ・x*−ＦI・ｘIを求め、この信号のうち、掘削船１２の位置成分を取り出してＤＰＳ１６にフィードバック制御信号として供給する装置である。すなわち、指定位置ｘc、ｙcの指令信号に対するフィードバック信号ｕを生成し、この信号の位置成分をＤＰＳ１６に供給する。フィードバック係数行列ＦとＦIは、リエントリ作業において移動する掘削船１２の移動速度の平均値に応じて、図示されない記憶手段から呼び出されて変更される。
The riser pipe control device 24 detects x 0 , y 0 , θ x , θ y , x le , y le observed by each sensor.
As observation data to an observer (observer) 26, which will be described later, and the estimated state variable x * including at least the estimated position of the drilling vessel 12 calculated from the observer 26 and the current value of the lower end of the riser pipe 10 U = −F · x * −F I · x I is obtained using a value x I obtained by integrating the error between the position and the target position from the control start time and a predetermined feedback coefficient matrix F and F I. In this signal, the position component of the excavation ship 12 is extracted and supplied to the DPS 16 as a feedback control signal. That is, the feedback signal u for the command signals at the designated positions x c and y c is generated, and the position component of this signal is supplied to the DPS 16. The feedback coefficient matrices F and F I are called from storage means (not shown) and changed according to the average value of the moving speed of the excavating ship 12 moving in the reentry work.
観測データであるｘ0、ｙ0，θx，θy，ｘle、ｙleから推定状態変数x*を算出するオブザーバと、このオブザーバを用いた推定状態変数x*、及びフィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIは、ライザー管１０の弾性変形、掘削船１２の運動、およびＤＰＳ１６の応答特性を含んだ数学モデルを用いて表した制御対象モデルから得られるものである。この点は後述する。 X 0, y 0 is the observation data, θ x, θ y, x le, the observer for calculating from y le estimated state variable x *, the estimated state variables using the observer x *, and feedback gain matrix F, F I, the elastic deformation of the riser tube 10, movement of the drilling vessel 12, and is obtained from the controlled object model expressed using a mathematical model including the response characteristics of the DPS16. This point will be described later.
ライザー管１０のリエントリ作業では、まず、掘削地点近傍に到着した掘削船１２で、ライザー管が組み立てられる。この後、オペレータの指示入力により、ＤＰＳ１６に指定位置ｘc、ｙc，ψc（船体のヨー角）の信号が供給される。ＤＰＳ１６では、供給された信号に基づいて、各スラスタ１４にスラスタの大きさと向きを表す信号を各スラスタ１４に供給し、スラスタ１４を動作させる。さらに、ＢＯＰ１３の位置である目標位置が設定される。
掘削船１２は、指定位置ｘc、ｙcの指定により指定位置ｘc、ｙcに近づく移動を開始するが、掘削船１２に支持されるライザー管１０は、この移動によって、あるいは潮流等によって弾性変形を起こして振動し、ライザー管１０の下端は必ずしもＢＯＰ１３の位置（目標位置）に到達しない。
本発明の制御方法では、ライザー管角度センサ２０によって上端の傾斜角度θx，θyと、ＲＯＶ２２によってライザー管１０の下端位置ｘle、ｙleとが計測される。さらに、船***置センサ１８によって掘削船１２の現在の位置ｘ0、ｙ0が計測される。これらの計測されたθx，θy、ｘle、ｙle、ｘ0、ｙ0のデータがライザー管制御装置２４に供給される。
ライザー管制御装置２４では、供給されたｘ0、ｙ0，θx，θy，ｘle、ｙleのデータに基づいて、指定された指定位置ｘc、ｙcに対するフィードバック制御信号、すなわち、制御信号ｕ＝−Ｆ・x*−ＦI・ｘIの位置成分の信号が生成され、このフィードバック制御信号がＤＰＳ１６に供給される。
これにより、ＤＰＳ１６は、ライザー管１０の下端位置がＢＯＰ１３の位置（目標位置）に到達するように、指令信号に対して調整される。
In the reentry operation of the riser pipe 10, first, the riser pipe is assembled on the excavation ship 12 that has arrived near the excavation point. Thereafter, signals of designated positions x c , y c , ψ c (yaw angle of the hull) are supplied to the DPS 16 in response to an instruction input from the operator. In the DPS 16, based on the supplied signal, a signal indicating the size and direction of the thruster is supplied to each thruster 14 to operate the thruster 14. Further, a target position that is the position of the BOP 13 is set.
Drillship 12 is designated position x c, designated position x c by specified y c, but starts to move closer to y c, riser pipe 10 which is supported by the drillship 12, by this movement, or by tidal current, etc. The lower end of the riser pipe 10 does not necessarily reach the position (target position) of the BOP 13 due to elastic deformation.
In the control method of the present invention, the riser angle sensor 20 measures the inclination angles θ x and θ y at the upper end and the lower end positions x le and y le of the riser tube 10 by the ROV 22. Further, the current position x 0 , y 0 of the excavation ship 12 is measured by the hull position sensor 18. These measured data of θ x , θ y , x le , y le , x 0 , y 0 are supplied to the riser pipe control device 24.
In the riser pipe control device 24, based on the supplied data of x 0 , y 0 , θ x , θ y , x le , y le , feedback control signals for designated designated positions x c , y c , that is, A signal having a position component of the control signal u = −F · x * −F I · x I is generated, and this feedback control signal is supplied to the DPS 16.
Thereby, the DPS 16 is adjusted with respect to the command signal so that the lower end position of the riser pipe 10 reaches the position (target position) of the BOP 13.
次に、このようなライザー管制御装置２４の構成と、この構成を実現するために利用するモデルについて説明する。
本発明で用いる制御対象モデルは、ライザー管１０の弾性変形を再現する数学モデルと、掘削船１２の運動方程式モデルと、ＤＰＳ１６の動特性を表した特性モデルとを用いて１つのモデルに結合したものである。
これらのモデルを用いて作られる制御対象モデルに対して、ＬＱＩ（Linear Quadratic Optimum Control With Integral Action）制御を適用することで、フィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIが算出される。
一方、ライザー管制御装置２４には、目標位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を含む制御信号ｕ＝−Ｆ・x*−ＦI・ｘIを生成するために、観測データであるｘ0、ｙ0，θx，θy，ｘle、ｙleから推定状態変数x*を算出するオブザーバ（観測器ともいう）が設けられるが、このオブザーバは、上記制御対象モデルを用いて構築されたものである。
Next, the configuration of the riser pipe control device 24 and a model used for realizing the configuration will be described.
The controlled object model used in the present invention is combined into one model using a mathematical model that reproduces the elastic deformation of the riser pipe 10, an equation of motion model of the drilling ship 12, and a characteristic model that represents the dynamic characteristics of the DPS 16. Is.
Feedback gain matrices F and F I are calculated by applying LQI (Linear Quadratic Optimum Control With Integral Action) control to a control target model created using these models.
On the other hand, the riser pipe control device 24 generates observation signals x 0 and y in order to generate a control signal u = −F · x * −F I · x I including a feedback control signal for the target position command signal. An observer (also referred to as an observer) that calculates an estimated state variable x * from 0 , θ x , θ y , x le , and y le is provided. This observer is constructed using the above control target model. is there.
（ａ）ライザー管１０の弾性変形を再現する数学モデル
ライザー管１０は、図３に示すように、上端が（ｘ0，ｙ0，ｚ0）の位置に固定された梁モデルで表され、この梁モデルは、変位（ｗx、ｗy、ｗz）と回転軸周りの捩じれψの４自由度で表される。この梁モデルには、ライザー管が海中にあることを考慮して、加速度に比例する付加質量効果の力と、流体との相対速度の二乗に比例する流体抗力を流体力として含んでいる。また、梁モデルの上端には、掘削船１２から作用する力を再現した外力と軸周りのモーメントを含んでいる。
このような梁モデルは、時間と位置によって変位が定まるため、下記式（２）に示すように、時間と位置を分離し、しかも、位置による変位を表すために、この変位を，関数系を用いたモード展開で表している。具体的には、第１種０次ベッセル関数を用いてモード展開している。本発明においては、モード展開は、第１種０次ベッセル関数に限定されない。直交関数系を含む種々の関数系を用いることができる。
下記式（１）は、ηを自由度として表した梁モデルの変形挙動を表す方程式である。
下記式（２）は、第１種０次ベッセル関数によるモード展開の式である。
(A) Mathematical model that reproduces elastic deformation of the riser tube 10 The riser tube 10 is represented by a beam model whose upper end is fixed at a position of (x 0 , y 0 , z 0 ), as shown in FIG. This beam model is expressed by four degrees of freedom of displacement (w x , w y , w z ) and twist ψ around the rotation axis. In consideration of the fact that the riser tube is in the sea, the beam model includes a force of an additional mass effect proportional to the acceleration and a fluid drag force proportional to the square of the relative velocity with the fluid as the fluid force. The upper end of the beam model includes an external force that reproduces the force acting from the excavation ship 12 and a moment around the axis.
Since the displacement of such a beam model is determined by time and position, as shown in the following formula (2), time and position are separated, and in order to express displacement by position, this displacement is expressed as a function system. This is shown in the mode expansion used. Specifically, mode expansion is performed using a first type 0th-order Bessel function. In the present invention, the mode expansion is not limited to the first kind 0th-order Bessel function. Various function systems including orthogonal function systems can be used.
The following equation (1) is an equation representing the deformation behavior of the beam model in which η is expressed as a degree of freedom.
The following equation (2) is a mode expansion equation based on the first type 0th-order Bessel function.
上記式（１）中のηは、上記ｘ0，ｙ0，ｚ0，ψの他、第１種０次ベッセル関数でモード展開したときの、各係数ｑx，ｑy，ｑzが自由度（変数）として含まれる。 In addition to the above x 0 , y 0 , z 0 , and ψ, η in the above equation (1) is free to use the coefficients q x , q y , and q z when mode expansion is performed with the first kind 0th-order Bessel function. Included as a degree (variable).
ここで、梁モデルは振動の挙動を表すので、梁モデルの変位（ｗx、ｗy、ｗz）の分布は時間によって変化する。このため、上記式（２）に示すように、変位の分布を時間に依存する関数と空間に依存する関数に分離し、このとき、空間に依存する関数（変位）を第１種０次ベッセル関数Ｊ0を用いてモード展開している。したがって、第１種０次ベッセル関数Ｊ0を用いてモード展開したときの係数が上記係数ｑx，ｑy，ｑzである。これらの係数は時間に依存する関数となる。すなわち、空間上の変位の分布は第１種０次ベッセル関数Ｊ0で表し、モード展開したときの第１種０次ベッセル関数Ｊ0に係る係数が時間によって変化する関数となる。このときの上記係数はｑxi, ｑyi, ｑzi（ｉ＝１〜Ｎ：Ｎはモード展開する次数）で表されている。係数ｑx，ｑy，ｑzは、各ｑxi, ｑyi, ｑziを成分とするベクトルである。このｑxi, ｑyi, ｑziが、上記式（１）で用いられる。図４（ａ）〜（ｄ）は、第１種０次ベッセル関数の1次〜４次の変位ａi(z)を表している。図４（ａ）〜（ｄ）では、横軸を、ライザー管１０の長さｌで規格化している。本発明においては、モード展開の次数はＮ＝８程度であることが好ましい。Ｎ＝８より小さいと、高次のモードの振動が再現されず、Ｎ＝８より大きいと、計算処理時間が長くなるためである。
以上が、ライザー管１０の弾性変形を再現する数学モデルである。
Here, since the beam model represents the behavior of vibration, the distribution of the displacement (w x , w y , w z ) of the beam model changes with time. Therefore, as shown in the above formula (2), the distribution of displacement is separated into a function that depends on time and a function that depends on space, and at this time, the function (displacement) that depends on space is classified into the first kind 0th order Bessel. Mode expansion is performed using the function J 0 . Therefore, the coefficients q x , q y , and q z are the coefficients when the mode expansion is performed using the first type 0th-order Bessel function J 0 . These coefficients are time dependent functions. That is, the distribution of displacement in space is represented by a first kind zero-order Bessel function J 0, the function coefficients according to one zero-order Bessel function J 0 when the mode expansion varies with time. The coefficients at this time are represented by q xi , q yi , and q zi (i = 1 to N: N is the order of mode expansion). The coefficients q x , q y , and q z are vectors whose components are q xi , q yi , and q zi . The q xi , q yi , and q zi are used in the above equation (1). FIGS. 4A to 4D show first-order to fourth-order displacements a i (z) of the first kind zero-order Bessel function. 4A to 4D, the horizontal axis is normalized by the length l of the riser pipe 10. In the present invention, the order of mode expansion is preferably about N = 8. This is because when N is less than 8, high-order mode vibration is not reproduced, and when N is greater than 8, the calculation processing time becomes long.
The mathematical model that reproduces the elastic deformation of the riser tube 10 has been described above.
（ｂ）掘削船１２の運動方程式モデル
掘削船１２の運動方程式は、図５に示すように、ｘi−ｙiの直交座標系において、掘削船１２の船首方向の速度成分ｕsとこの方向と直交する方向の速度成分ｖsと重心回りの回転角速度ｒsとを用いて下記式（３）に示すように表される。Ｆx, Ｆy, Ｎzは、ライザー管１０から受ける外力及びモーメントであり、上記式（１）中の外力Ｆx，Ｆy，Ｎzを成分とするベクトルｆと作用反作用の関係にある。
(B) motion equation of the motion equation model drillship 12 drillship 12, as shown in FIG. 5 orthogonal, in the orthogonal coordinate system xi-yi, a bow direction of the velocity component u s drilling vessel 12 and the direction This is expressed as shown in the following formula (3) using the velocity component v s in the direction of rotation and the rotational angular velocity r s around the center of gravity. F x , F y , and N z are external forces and moments received from the riser tube 10, and have a relationship of action and reaction with the vector f including the external forces F x , F y , and N z in the above equation (1). .
こうして作成されたライザー管１０の弾性変形を再現する数学モデルと掘削船１２の運動方程式モデルとは、Ｆx, Ｆy, Ｎzを消去することによって、下記式（４）に示すような、ライザー管１０を備えた掘削船１０の数学モデルが得られる。このとき、ライザー管１０の式（１）中のηの成分ｚ0は無視して省いている。さらに、下記式（４）は、解析が可能なように非線形方程式を、移動速度Ｖに関して線形化したものである。式（４）では、移動速度Ｖが制御によって変動するときの移動速度の平均値が移動速度Ｖの代用として用いられる。したがって、この平均値が変化すると、式（４）も変化するため、ライザー管１０を備えた掘削船１０の数学モデル自体が変更される。これによって、後述するフィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIも変化する。なお、移動速度を０とした場合、ライザー管１０の下端の位置と、上端の位置とが略同相の振動を起こす。このため位相ずれが生じず、実際のライザー管１０の挙動と一致しない。このため、移動速度として用いる平均値は非０に設定することが好ましい。 The mathematical model that reproduces the elastic deformation of the riser pipe 10 thus created and the equation of motion model of the drilling vessel 12 are obtained by eliminating F x , F y , and N z as shown in the following formula (4): A mathematical model of the drilling vessel 10 with the riser pipe 10 is obtained. At this time, the component z 0 of η in the expression (1) of the riser pipe 10 is ignored and omitted. Further, the following equation (4) is a nonlinear equation linearized with respect to the moving speed V so that analysis is possible. In the equation (4), the average value of the moving speed when the moving speed V fluctuates by the control is used as a substitute for the moving speed V. Therefore, when this average value changes, equation (4) also changes, so that the mathematical model itself of the drilling vessel 10 provided with the riser pipe 10 is changed. As a result, feedback gain matrices F and F I described later also change. When the moving speed is 0, the position of the lower end of the riser pipe 10 and the position of the upper end cause substantially in-phase vibrations. For this reason, a phase shift does not occur, and the actual behavior of the riser pipe 10 does not match. For this reason, the average value used as the moving speed is preferably set to non-zero.
（ｃ）ＤＰＳ１６の応答特性を表した特性モデル
ＤＰＳ１６は、図２に示されるように船***置センサ１８から現在の位置ｘ0,ｙ0，ψ0を用いて、指定位置ｘc、ｙc、ψcの指令信号に対してフィードバック制御を行うが、このときのフィードバック制御の応答特性を同定する必要がある。具体的には、下記式（５）に示すＰＩＤ制御におけるゲインＫP,ＫI，ＫDが求められる。実際のＤＰＳ１６を搭載した掘削船１０を平水中で前後方向に正弦波の指令信号を与えて船体を移動させることにより、そのとき計測されたライザー管１０の下端の位置の応答が計算結果と一致するように、ゲインＫP,ＫI，ＫDの算出が行われる。さらに、スラスタ１４にスラスト力とスラストの向きの指令が与えられてから、この指令を実現するまでの遅れを考慮して、下記式（６）に示す式を導入している。式（６）中の時定数ＴTは、実測により同定される。
こうしてＤＰＳ１６の応答特性を導入した掘削船１０の数学モデルは、下記式（７）に示すように、ｘを状態変数とし、ｙを観測出力とする制御対象モデルとして表される。状態変数ｘは、ライザー管１０を備えた掘削船１０の数学モデルの状態変数ηを少なくとも含んだ変数である。ここでは、ヨー角ψは十分に制御されているものとして制御対象外としている。掘削船１０の数学モデルの状態変数ηには、後述する観測データｘ0、ｙ0，θx，θy，ｘle、ｙleに対応する観測変数も含まれている。
Characteristic model DPS16 representing the response characteristic of (c) DPS16 the current position from the hull position sensor 18 x 0, y 0 as shown in FIG. 2, with [psi 0, designated position x c, y c, performing feedback control with respect to a command signal [psi c, but there is a need to identify the response characteristics of the feedback control at this time. Specifically, gains K P , K I and K D in the PID control shown in the following formula (5) are obtained. The response of the position of the lower end of the riser pipe 10 measured at that time coincides with the calculation result by moving the hull of the excavation ship 10 equipped with the actual DPS 16 in plain water by giving a sine wave command signal in the front-rear direction. Thus, the gains K P , K I , and K D are calculated. Further, the following equation (6) is introduced in consideration of a delay from when the thrust force and the thrust direction command are given to the thruster 14 until the command is realized. The time constant T T in equation (6) is identified by actual measurement.
Thus, the mathematical model of the drilling vessel 10 into which the response characteristic of the DPS 16 is introduced is represented as a controlled object model in which x is a state variable and y is an observation output, as shown in the following equation (7). The state variable x is a variable including at least the state variable η of the mathematical model of the drilling ship 10 including the riser pipe 10. Here, the yaw angle ψ is not controlled because it is sufficiently controlled. The state variable η of the mathematical model of the excavation ship 10 includes observation variables corresponding to observation data x 0 , y 0 , θ x , θ y , x le , and y le described later.
こうして得られた制御対象モデルに対して、ＬＱＩ（Linear Quadratic Optimum Control With Integral Action）制御を適用することで、フィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIが算出される。フィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIは、上述したように移動速度Ｖに応じて変化する数学モデルを用いて算出されるので、フィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIは、上述したように移動速度Ｖに応じて変化する。
ＬＱＩ制御の設計は、具体的に以下のように行われる。
下記式（８）に示すように、ライザー管１０の下端の現在の位置とライザー管１０の下端の、設定された目標位置ηdとの誤差の制御開始時点からの累積積分値ｘIを定め、この累積積分値ｘIを、下記式（９）に示すように制御対象モデルの状態変数に加えた拡大システムモデルを作る。
Thus the obtained controlled object model, by applying the LQI (Linear Quadratic Optimum Control With Integral Action) control, the feedback gain matrix F, F I is calculated. Since the feedback gain matrices F and F I are calculated using a mathematical model that changes according to the moving speed V as described above, the feedback gain matrices F and F I correspond to the moving speed V as described above. Change.
Specifically, the LQI control is designed as follows.
As shown in the following equation (8), a cumulative integrated value x I is determined from the control start time of the error between the current position of the lower end of the riser pipe 10 and the set target position η d of the lower end of the riser pipe 10. Then, an expanded system model is created by adding this cumulative integral value x I to the state variable of the controlled object model as shown in the following equation (9).
上記式（９）で表される拡大システムモデルにおいて、下記式（１０）で示す評価関数Ｊを最小にするために、下記式（１１）に示すフィードバック制御信号を含む制御信号ｕを定める、システムを安定させるフィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIを算出する。フィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIは、システムが安定するような固有値を設定することにより、算出される。ここで、上記評価関数Ｊは、上記式（９）中の拡大システムモデルの状態変数ｘの各成分と指定位置ｘc，ｙcの値の二乗和、より細かく言うと重み付け二乗和を用いて表した評価関数である。下記式（１０）中のｘ1,x2，・・・,xnxは、式（９）中の状態変数ｘの各成分であり、nxは、状態変数ｘの個数を表す。なお、本発明において、評価関数は、制御システムで用いる二次形式評価関数であれば特に制限されない。 In the expanded system model represented by the above formula (9), a system that defines a control signal u including a feedback control signal represented by the following formula (11) in order to minimize the evaluation function J represented by the following formula (10) Feedback gain matrices F and F I are calculated. The feedback gain matrices F and F I are calculated by setting eigenvalues that stabilize the system. Here, the evaluation function J uses the sum of squares of the components of the state variable x of the expanded system model and the values of the designated positions x c and y c in the above formula (9), more specifically, the weighted sum of squares. The evaluation function expressed. In the following equation (10), x 1 , x 2 ,..., X nx are each component of the state variable x in equation (9), and nx represents the number of state variables x. In the present invention, the evaluation function is not particularly limited as long as it is a quadratic evaluation function used in the control system.
このようにして算出されるフィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIは、予め移動速度Ｖの代用とされる上述の平均値に応じて算出し、ライザー管制御装置２４の図示されない記憶手段に、平均値と関連付けて記憶しておくとよい。なお、本実施形態では、ＬＱＩ制御を用いたが、本発明ではこれに限定されず、２次形式の評価関数を最小にする状態フィードバックの制御信号を求める最適レギュレータを適用して、フィードバックゲイン行列を求めることもできる。
リエントリ作業時には、平均値に応じて設定されたフィードバックゲイン行列Ｆ、ＦIを呼び出して、フィードバック制御信号を含む制御信号ｕが以下のように生成される。
The feedback gain matrices F and F I calculated in this way are calculated in advance according to the above-mentioned average value that is used as a substitute for the moving speed V, and the average value is stored in the storage means (not shown) of the riser pipe control device 24. It is good to associate and memorize. In the present embodiment, LQI control is used. However, the present invention is not limited to this. The feedback gain matrix is applied by applying an optimum regulator that obtains a state feedback control signal that minimizes a quadratic evaluation function. Can also be requested.
During reentry operations, feedback gain matrix F that is set according to the average value, call the F I, the control signal u which includes a feedback control signal is generated as follows.
ここで、制御信号ｕは、上記式（１１）に示すように、状態変数ｘを用いる。しかし、この状態変数ｘの成分は、実際の掘削船１０及びライザー管１２では全て計測できるものではない。このため、計測可能な観測データ、すなわち、式（７）のｙの成分ｘ0、ｙ0，θx，θy，ｘle、ｙleを用いて、以下に示すようなオブザーバを構築して推定状態量ｘ*を算出し、状態変数ｘに替えて算出した推定状態量ｘ*を用いる。すなわち、ライザー管制御装置２４は、以下に示すオブサーバ２６を備える。 Here, as the control signal u, the state variable x is used as shown in the above equation (11). However, not all components of the state variable x can be measured by the actual excavation ship 10 and the riser pipe 12. For this reason, an observer as shown below is constructed using the observation data that can be measured, that is, the y components x 0 , y 0 , θ x , θ y , x le , and y le in Equation (7). It calculates the estimated state quantities x *, using the estimated state quantity calculated in place of the state variable x x *. That is, the riser pipe control device 24 includes an observer 26 shown below.
図６は、船***置センサ１８、ライザー管角度センサ２０およびＲＯＶ２２で計測された観測データｘ0、ｙ0，θx，θy，ｘle、ｙleを用いて、式（９）で表される状態変数ｘを推定する装置の構成を示す図である。
ここで、行列Ａ、Ｂ、ＣMは、上記式（７）で表される制御対象モデルの行列である。すなわち、行列Ａ，Ｂ、ＣMは、式（８）で表される数学モデルにより定められた行列である。行列Ｈはオブザーバゲインであり、（ＣM,Ａ）が可観測である場合、オブザーバ２６における固有値を設定することにより、取得できる。
オブザーバ２６は、下記式（１２）で表される。
FIG. 6 is expressed by Expression (9) using observation data x 0 , y 0 , θ x , θ y , x le , and y le measured by the hull position sensor 18, the riser tube angle sensor 20, and the ROV 22. It is a figure which shows the structure of the apparatus which estimates the state variable x.
Here, the matrices A, B, and C M are matrices of the controlled object model expressed by the above equation (7). That is, the matrices A, B, and C M are matrices defined by the mathematical model represented by Expression (8). The matrix H is an observer gain, and when (C M , A) is observable, it can be obtained by setting an eigenvalue in the observer 26.
The observer 26 is represented by the following formula (12).
このようにして、行列Ａ、Ｂ、ＣM、Ｈを用いて構成されたオブザーバ２６を用いて、推定状態量ｘ*を算出し、この推定状態量ｘ*と式（８）で算出されるｘIとを用いて、下記式（１３）に従って、制御信号ｕを生成する。この制御信号ｕのうち指定位置の指令信号に対する信号成分がフィードバック制御信号として、ライザー管制御装置２４から出力され、ＤＰＳ１６に供給される。 In this way, the estimated state quantity x * is calculated using the observer 26 configured using the matrices A, B, C M , and H, and is calculated using the estimated state quantity x * and Expression (8). by using the x I, according to the following equation (13), generates a control signal u. A signal component for the command signal at the designated position in the control signal u is output from the riser pipe control device 24 as a feedback control signal and supplied to the DPS 16.
このようなライザー管制御装置２４を用いて、本発明の制御方法の有効性を確かめた。
まず、掘削船及びライザー管は５５分の１のモデルとし、このモデルを再現した上述の制御対象モデルを用いて、リエントリ作業を再現する数値実験を行った。
Using such a riser pipe control device 24, the effectiveness of the control method of the present invention was confirmed.
First, the drilling vessel and the riser pipe were assumed to be 1/55 models, and a numerical experiment was performed to reproduce the reentry work using the above-described control target model that reproduced this model.
リエントリ作業の数値実験に用いた制御方法は、制御１〜制御３である。制御１は、ライザー管の下端位置とＢＯＰの目標位置とのずれをフィードバック制御するもので、これは、従来オペレータがＲＯＶ２２から送信される画像を見ながら、アニュアル操作で位置を調整する作業に相当する。
制御２は、掘削船の移動速度を代用して表す平均値を０としたときの制御方式である。制御３は、この平均値を非０としたときの制御方式である。制御２、３は、本発明の制御方法に相当する。
The control method used for the numerical experiment of the reentry work is control 1 to control 3. The control 1 is feedback control of the deviation between the lower end position of the riser pipe and the target position of the BOP. This is equivalent to the operation of adjusting the position by an annual operation while the operator is viewing an image transmitted from the ROV 22. To do.
Control 2 is a control method when the average value representing the moving speed of the drilling ship is set to zero. Control 3 is a control method when the average value is non-zero. Controls 2 and 3 correspond to the control method of the present invention.
図７（ａ），（ｂ）は、ライザー管の下端の位置を目標位置に到達するように、平水中に前方に向かって船体が移動することを再現した結果である。図中、制御１は符号１で、制御２は符号２で、制御３は符号３でそれぞれ示されている。制御１は、船体の位置及びライザー管の下端の位置が振動して大きく振れており、この振動が収束しないことがわかる。一方、制御２及び制御３は、振動することなく目標位置に速やかに到達していることがわかる。 FIGS. 7 (a) and 7 (b) are the results of reproducing the hull moving forward in plain water so that the position of the lower end of the riser pipe reaches the target position. In the figure, control 1 is indicated by reference numeral 1, control 2 is indicated by reference numeral 2, and control 3 is indicated by reference numeral 3. The control 1 shows that the position of the hull and the position of the lower end of the riser pipe vibrate greatly and this vibration does not converge. On the other hand, it can be seen that the control 2 and the control 3 quickly reach the target position without vibration.
図８（ａ），（ｂ）は、ライザー管の上半分に潮流が作用する条件のときの結果である。この条件下、ライザー管の下端の位置が目標位置に到達するように、前方に向かって船体が移動することを再現した。図７（ａ），（ｂ）と同様に、制御２，３では、ライザー管の下端の位置が速やかに目標位置に到達することがわかる。図９（ａ），（ｂ）は、図８（ａ）、（ｂ）を拡大してその差異を判り易く表したものである。図９（ａ），（ｂ）からわかるように、制御３は、制御２に比べてオーバーシュートすることなく、速やかに目標位置に到達していることがわかる。
以上より、本発明の制御方法である制御２，３の方式は、従来の制御方式に対して有効であることがわかる。特に、制御３のように移動速度を代用して表す平均値を非０とすることにより、短時間にライザー管１０の下端の位置をＢＯＰ１３の目標位置に到達させることができることがわかった。
FIGS. 8A and 8B show the results under conditions where a tidal current acts on the upper half of the riser pipe. Under this condition, we reproduced that the hull moves forward so that the position of the lower end of the riser pipe reaches the target position. Similar to FIGS. 7A and 7B, it can be seen that in the controls 2 and 3, the position of the lower end of the riser pipe quickly reaches the target position. 9 (a) and 9 (b) are enlarged views of FIGS. 8 (a) and 8 (b) and the difference is easily shown. As can be seen from FIGS. 9A and 9B, it can be seen that the control 3 reaches the target position quickly without overshooting as compared with the control 2.
From the above, it can be seen that the control methods 2 and 3 which are control methods of the present invention are more effective than conventional control methods. In particular, it has been found that the position of the lower end of the riser pipe 10 can reach the target position of the BOP 13 in a short time by setting the average value representing the moving speed as non-zero as in Control 3.
以上、本発明の線状構造***置制御システム、線状構造体の位置制御方法及び移動構造体制御システムについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 As described above, the linear structure position control system, the linear structure position control method, and the moving structure control system of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the gist of the present invention is described. Of course, various improvements and modifications may be made without departing from the scope.
１０ ライザー管
１２ 掘削船
１４ スラスタ
１５ ＢＯＰ
１６ ＤＰＳ
１８ 船***置センサ
２０ ライザー管角度センサ
２２ ＲＯＶ
２４ ライザー管制御装置
２６ オブザーバ
10 Riser tube 12 Drilling vessel 14 Thruster 15 BOP
16 DPS
18 Hull Position Sensor 20 Riser Tube Angle Sensor 22 ROV
24 Riser pipe control device 26 Observer
Claims (9)
前記線状構造体の前記上端の前記移動体に対する傾斜角度を計測する角度センサと、
前記線状構造体の前記下端の位置を計測する第１の位置センサと、
前記移動体の現在の位置を求める第２の位置センサと、
前記線状構造体の下端の位置が、前記目標位置に到達するように、前記角度センサから得られた前記傾斜角度の情報と、前記第１の位置センサから得られた前記下端の位置の情報と、前記第２の位置センサから得られた前記移動体の現在の位置の情報と、に基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、前記移動***置制御装置に供給する線状構造体制御装置と、を有することを特徴とする線状構造***置制御システム。 A movable body that floats on the water surface, a movable body position control device that is provided on the movable body and that controls the position of the movable body using a command signal of a designated position so that the movable body can move to a designated position; And a linear structure that is elastically deformable and has a lower end that extends into water with the lower end being a free end, and the position of the lower end of the linear structure reaches a set target position. A linear structure position control system for controlling
An angle sensor that measures an inclination angle of the upper end of the linear structure with respect to the moving body;
A first position sensor for measuring the position of the lower end of the linear structure;
A second position sensor for determining a current position of the moving body;
Information on the tilt angle obtained from the angle sensor and information on the position of the lower end obtained from the first position sensor so that the position of the lower end of the linear structure reaches the target position. And a current position information of the moving body obtained from the second position sensor, a feedback control signal for the command signal of the designated position is generated, and the feedback control signal is A linear structure position control system, comprising: a linear structure control apparatus that supplies the position control apparatus.
前記線状構造体の数学モデルとして、前記線状構造体の空間上の弾性変形の変位を所定の関数系でモード展開したときの係数を変数とするモデルを用いる請求項３に記載の線状構造***置制御システム。 The mathematical model of the moving structure is a model configured using the mathematical model of the moving body and the mathematical model of the linear structure,
The linear model according to claim 3, wherein a model having a coefficient as a variable when the displacement of elastic deformation in the space of the linear structure is mode-expanded in a predetermined function system is used as a mathematical model of the linear structure. Structure position control system.
指定される指定位置に移動可能なように指定位置の指令信号を用いて前記移動体の位置を制御する移動***置制御装置と、
前記線状構造体の前記移動体に対する傾斜角度を計測する角度センサと、
前記線状構造体の下端の位置を計測する第１の位置センサと、
前記移動体の現在の位置を求める第２の位置センサと、
前記線状構造体の下端の位置が、前記目標位置に到達するように、前記角度センサから得られた前記傾斜角度の情報と、前記第１の位置センサから得られた前記下端の位置の情報と、前記第２の位置センサから得られた移動体の現在の位置の情報と、に基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を前記移動***置制御装置に供給する線状構造体制御装置と、を有することを特徴とする移動構造体制御システム。 A movable body that floats on a water surface, and an elastically deformable linear structure that has an upper end supported by the movable body and has a lower end that is a free end and extends into water. A moving structure control system that controls a position of a lower end to reach a set target position,
A moving body position control device for controlling the position of the moving body using a command signal of a designated position so as to be movable to a designated position,
An angle sensor for measuring an inclination angle of the linear structure with respect to the moving body;
A first position sensor for measuring the position of the lower end of the linear structure;
A second position sensor for determining a current position of the moving body;
Information on the tilt angle obtained from the angle sensor and information on the position of the lower end obtained from the first position sensor so that the position of the lower end of the linear structure reaches the target position. And a current position information of the moving body obtained from the second position sensor, a feedback control signal for the command signal of the designated position is generated, and the feedback control signal is used as the moving body position control. A moving structure control system comprising: a linear structure control device supplied to the apparatus.
前記移動体の現在の位置と、前記線状構造体の前記移動体に対する傾斜角度と、前記線状構造体の下端の位置を計測するステップと、
得られた前記傾斜角度の情報と、前記下端の位置の情報と、前記移動体の現在の位置の情報とに基づいて、前記指定位置の指令信号に対するフィードバック制御信号を生成し、このフィードバック制御信号を、前記移動***置制御装置に供給するステップと、を有することを特徴とする線状構造体の位置制御方法。 A movable body that floats on the water surface, a movable body position control device that is provided on the movable body and that controls the position of the movable body using a command signal of a designated position so that the movable body can move to a designated position; The lower end of the linear structure reaches a set target position with respect to the movable structure including the elastically deformable linear structure extending in water with the lower end supported as a free end. A linear structure position control method for controlling
Measuring a current position of the moving body, an inclination angle of the linear structure with respect to the moving body, and a position of a lower end of the linear structure;
Based on the obtained information on the tilt angle, the information on the position of the lower end, and the information on the current position of the moving body, a feedback control signal for the command signal of the designated position is generated, and this feedback control signal Supplying to the movable body position control apparatus. A method for controlling the position of a linear structure, comprising:
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