6.6 Experimentelle Tests
6.6.3 Feldmessungen
Ruderquer-(a) (b)
Abb. 6-29 Ruderanlage vor der Montage im Umlaufstr¨omungskanal (a). Inhomogener Wasserk¨orper (b) w¨ahrend der Anstr¨omung
gebenen Raum, in dem Fall den Str¨omungskanal, mit einer bestimmten Geschwindigkeit durchstr¨omt. So f¨ullte der Wasserk¨orper bei den Experimenten im hinteren Bereich der Ruderanlage nicht den gesamten Raum aus (siehe Abbildung 6-29 b). Dies f¨uhrt zu ei-ner Verkleiei-nerung des Str¨omungsquerschnitts im Vergleich zum CFD-Modell, was eine Erh¨ohung der Str¨omungsgeschwindigkeit zur Folge hat. H¨ohere Str¨ omungsgeschwindig-keiten verursachen gr¨oßere Str¨omungswiderst¨ande, Querkr¨afte und Rudermomente wie im Vergleich der gemessenen und berechneten Werte zu erkennen ist.
Mit den vorangegangenen Messungen l¨asst sich abschließend feststellen, dass Differen-zen zwischen den experimentellen und den CFD-basierenden Messwerten bestehen, die dennoch einen Vergleich zulassen. Mit den Messungen konnte die Wirksamkeit der Ru-deranlage nachgewiesen werden. Die Wirkungsweise entspricht hierbei dem analytischen Ansatz. Die CFD-Berechnungen zeigten weiterhin, dass der kritische Anstellwinkel eines Ruders, ab dem ein Abriss der Str¨omung erfolgt, gr¨oßer 30°istt [Ole09]. Folglich kann bei der gegebenen Einschr¨ankung des Ruderwinkels auf ± 30° kein Str¨omungsabriss an der Ruderanlage erfolgen.
die ¨ubergeordneten Regler zu parametrisieren und zu testen. Die durchgef¨uhrten Missio-nen beschr¨ankten sich zum gr¨oßten Teil auf einfache Rechteckmissionen (siehe Abbildung 6-30.
Wie zuvor erw¨ahnt, ist es nicht m¨oglich, dem Fahrzeug global referenzierte Missionspunkte vorzugeben, sondern nur einen Kompasskurs. Die Missionsparameter bestehen demnach aus Sollvorgaben f¨ur einen Kompasskurs, einer Tiefe sowie einem Stromsollwert f¨ur den Hauptantrieb. Die einzelnen Parameter wurden dann f¨ur eine vorgegebene Zeit von dem Fahrzeug versucht einzuhalten. Daher k¨onnen die Messungen nur einen groben Einblick in die reale Leistungsf¨ahigkeit der Ruderanlage in Verbindung mit der Versuchsplattform DNS Pegel liefern. Um eine umfassende ¨Ubersicht zu bekommen, m¨usste die Versuchs-plattform mit einer leistungsf¨ahigen Navigation ausgestattet werden, die es erlaubt, zu jedem Zeitpunkt die globale Position und Orientierung des Fahrzeugs zu bestimmen.
Der Mess-PC der Versuchsplattform ist in der Lage, alle zur Verf¨ugung stehenden Daten zu speichern, so dass sie auch sp¨ater f¨ur einen gezielte Auswertung zur Verf¨ugung stehen.
Im Verlauf der Seeerprobungen der Versuchsplattform DNS Pegel wurden ¨uber 20 Missio-nen in verschiedeMissio-nen Tiefen und Geschwindigkeiten bis 8 Knoten gefahren.
Die Parametrisierung der ¨ubergeordneten Regler wurde bei den Missionsfahrten f¨ur den Tiefen- und den Kursregler einzeln vorgenommen. Der Kursregler soll das Fahrzeug m¨oglichst schnell auf den vorgegeben Kurs bringen. Dabei ist es wichtig, dass das System m¨oglichst nicht schwingt, um den Energieverbrauch gering zu halten.
Drei ausgew¨ahlte Missionen zur Parametrisierung der Regelparameter f¨ur den Kursregler sind in Abbildung 6-30 dargestellt. Die in Abbildung 6-30 a dargestellte Mission zeigt das Kursverhalten mit den Grundeinstellungen der Regelparameter. Deutlich ist das Ein-schwingen des Kurses zu sehen. Weiterhin ist das Abweichen durch die fehlende globale Referenzierung der Fahrzeugposition von dem vorgegeben Kurs sichtbar. Das Fahrzeug nimmt zwar den vorgegeben Kurs ein, jedoch ist der Zeitpunkt der Kurs¨anderung nicht bestimmbar. Mission zwei zeigt das Verhalten mit optimierten Parametern (siehe Abbil-dung 6-30 b). Beide Missionen wurden mit einer konstanten Geschwindigkeiten sowie Tiefe gefahren. In der dritten Mission wurden nach der erfolgreichen Reglerparametrisierung die Geschwindigkeiten variiert, um eine Aussage ¨uber das Kursverhalten bei hohen Geschwin-digkeiten zu erhalten (siehe Abbildung 6-30 c). Dabei zeigte sich, dass das Fahrzeug bei Geschwindigkeiten ¨uber 6 Knoten instabil wird und sich nicht mehr zufriedenstellend regeln l¨asst. Die H¨ochstgeschwindigkeit der Versuchsplattform von 8 Knoten wurde auf dem Missionsabschnitt drei erzielt. Deutlich ist dort das Schwingen des Kurses zu erken-nen. Zus¨atzlich wurde zu dem Schwingen des Kursreglers ein gleichzeitiges Schwingen des Tiefenreglers festgestellt, was zu einem Trudeln des Fahrzeugs f¨uhrte. Das hohe Dreh-moment des Hauptantriebs bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten f¨uhrt zu einem Rollen des Fahrzeugs um die L¨angsachse. Sowohl der Kurs- als auch der Tiefenregler arbeiten in diesem Fall nicht mehr unabh¨angig voneinander, sondern beeinflussen sich gegenseitig.
(a)
-50 0 50 100 150 200
-20 0 20 40 60 80 100
Weg Ost-West [m]
Weg Nord-Süd [m]
(b)
-120 -1000 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 50
100 150 200 250 300 350
Weg Ost-West [m]
Weg Nord-Süd [m]
(c)
-100 -50 0 50 100 150 200 250
-100 -50 0 50 100 150 200 250
Weg Ost-West [m]
Weg Nord-Süd [m]
Abb. 6-30 Kursverhalten der Versuchsplattform DNS Pegel
(a)
0 20 40 60 80 100 120 140 160
160 180 200 220 240 260 280 300 320 340
Zeit [s]
Kurs [°]
Istwert Kurs Sollwert Kurs
(b)
0 20 40 60 80 100 120 140 160
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
Zeit [s]
Ruderwinkel [°]
Istwert Ruderwinkel Sollwert Ruderwinkel
Abb. 6-31 Kurs¨anderung des Fahrzeugs (a) sowie die Reaktion (b) des entsprechenden Ruderstellmoduls
Das Unverm¨ogen der optimierten Regler, das Fahrzeug bei hohen Geschwindigkeiten von mehr als 6 kn auf Kurs zu halten, l¨asst ebenfalls auf ein str¨omungstechnisches Problem schließen, welches allerdings schwierig nachzuweisen ist.
Weiteres Interesse bestand darin, wie das Ruderstellmoduls den Vorgaben des Kursreglers folgt. Die Parameter in der Leistungselektronik f¨ur das Ruderstellmodul wurden im La-bor der Firma Enitech auf einem Versuchsstand ermittelt und fest in den Mikrocontroller programmiert. Sie mussten somit nicht mehr w¨ahrend der Seeerprobung angepasst wer-den. Abbildung 6-31 zeigt das Stellverhalten des Ruderstellmoduls bei einem Kurswechsel um 90° von 210° auf 300°. Nach der Sprungvorgabe des Kurses liefert der dem Winkel-regler ¨ubergeordnete Kursregler eine Sollwertvorgabe von 30°. Das Ruderstellmodul stellt daraufhin das Ruder mit 28° an. Die Abweichung des Winkelistwertes resultiert durch eine fest programmierte Winkelbegrenzung, die verhindern soll, dass das Ruderstellmodul
(a)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
-4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5
Zeit [s]
Tiefe [m]
Istwert Tiefe Sollwert Tiefe
(b)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
Zeit [s]
Ruderwinkel, pitch-Winkel [°]
Istwert Rudewinkel Sollwert Ruderwinkel Istwert pitch-Winkel
Abb. 6-32 Tiefen¨anderung des Fahrzeugs (a) sowie die Reaktion (b) des entsprechenden Ruderstellmoduls
mechanisch in die Begrenzung von 30° gefahren wird. Somit wird verhindert, dass das Ruderstellmodul blockiert und nicht mehr auf Steuerbefehle reagiert.
Nach 15 Sekunden hat das Fahrzeug den vorgegebenen Kurssollwert erreicht. Der Kurs-regler versucht daraufhin den Kurs einzuregeln, was nach weiteren 45 Sekunden erfolgt ist. Zu erkennen ist ebenfalls, dass zwischen der Vorgabe eines Winkelsollwerts durch den Kursreglers und der Reaktion des Ruders weniger als eine Sekunde liegt (siehe Abbildung 6-31 b). Die Rudermodule und somit die Ruderstellmodule folgen den Sollwerten im Ver-gleich zu dem Tr¨agheitsmoment des Fahrzeug in einer ausreichenden Zeit.
W¨ahrend der Missionsfahrten wurden ebenfalls Einstellungen am Tiefenregler vorgenom-men. Bei dem Tiefenregler ist es außerordentlich wichtig, dass kein ¨Uberschwingen des Systems auftritt, damit das Fahrzeug nahe dem Meeresboden nicht den Grund ber¨uhrt.
Dieser Anforderung an den Tiefenregler wird durch die Integration eines zus¨atzlichen
Reg-lers f¨ur die Begrenzung des pitch-Winkels des Fahrzeugs Rechnung getragen. Dieser Regler verhindert, dass das Fahrzeug nur einen bestimmten pitch-Winkel bei dem Tauchvorgang einnimmt. Wird der maximale Winkel erreicht, so wird das H¨ohenruder wieder zur¨ uck-gestellt und eine ungewollte Grundber¨uhrung verhindert. Abbildung 6-32 b zeigt dieses Verhalten der Ruderstellmodule f¨ur das Tiefenruder. Zwar sind die beiden Tiefenruder unabh¨angig voneinander stellbar, jedoch wurde diese Option w¨ahrend der Seeerprobun-gen nicht Seeerprobun-genutzt.
Der Sollwertvorgabe f¨ur eine Wassertiefe von vier Metern folgt das Ruderstellmodul mit einem Anstellen des Tiefenruders auf -19°. Nach vier Sekunden und einem pitch-Winkel kleiner als -5° beginnt der Neigungsregler einzugreifen und stellt das H¨ohenruder zur¨uck, um den pitch-Winkel zu verringern (siehe Abbildung 6-32). Nach 20 s ist eine Wasser-tiefe von vier Metern erreicht. Auch bei dem Stellverhalten der Ruderstellmodule f¨ur die
-150
-100
-50
0
50
100
0 100 200 300 400
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Weg Ost-West [m]
Weg Nord-Süd [m]
Tiefe [m]
Abb. 6-33 3D-Darstellung der zweiten Missionsfahrt
H¨ohenruder ist zu erkennen, dass der Winkelsollwert innerhalb einer Sekunde erreicht wird.
Das Fahrverhalten der Erprobungsplattform DNS Pegel ist noch einmal in Abbildung 6-33 dreidimensional dargestellt. Der abgebildete Missionsverlauf entspricht der Mission zwei (vgl. Abbildung 6-30 b). Deutlich ist das Schwingen des Tiefenreglers zu erkennen. Die vorgegebene Tauchtiefe entspricht 4 m und die Fahrzeuggeschwindigkeit betr¨agt 5 kn.
Abschließend kann man sagen, dass die Versuchsplattform DNS Pegel ein hinreichend ge-naues Regelungsverhalten aufweist. Die auftretenden Schwingungen treten bei den Flach-wasserversuchen in der Ostsee sehr pr¨agnant zu Tage. Es kann nicht ausgeschlossen wer-den, dass sie auf die in vier Metern noch vorherrschenden Orbitalbewegungen der Wellen zur¨uckzuf¨uhren sind. F¨ur eine genauere Parametrisierung der Regler w¨aren Versuche in tieferen Gew¨assern n¨otig.