Posicionamento Dinâmico - Parte 2

2 - Princípios Básicos de um Sistema DP

Posicionamento dinâmico pode ser descrito como uma integração de um número de sistemas de bordo para obter a capacidade de manobra precisas. DP pode ser definido como: Um processo envolvendo a ação de propulsores os quais, comandados por um controlador e opondo-se às forças do meio ambiente, mantém um navio ou qualquer outro dispositivo flutuante nas vizinhanças de um ponto de referência e ainda controlam o direcionamento de sua proa. A posição é conhecida a qualquer instante a partir dos dados transmitidos por um sistema de referência de posição.

A definição acima inclui a permanência em local fixo, também manobras de precisão, monitoramento e outras habilidades de posicionamento de especialistas.

Uma forma conveniente de se visualizar a inter-relação dos vários elementos de um sistema DP é dividir o sistema em seis partes, conforme o esboço abaixo.

ELEMENTOS DE UM SISTEMA DP

A função principal de um sistema DP é permitir que um navio mantenha a posição e o direcionamento da proa. Uma variedade de outras sub-funções podem estar disponíveis, mas o controle da posição e do direcionamento da proa é o principal.

Qualquer embarcação (ou outro objeto) têm seis movimentos livres; três rotações e três translações. Em um navio podem ser ilustrados com os parâmetros roll, pitch, yaw, surge, sway e heave.

Esboço das seis opções de movimento do navio

Ambos são controlados a partir dos valores desejados ou valores de entrada de “setpoint” feitos pelo operador, i.e. setpoint de posicionamento e setpoint de rumo. Posicionamento e rumo devem ser medidos para que se obtenha o erro a partir do valor requerido. O posicionamento é medido por um ou mais referências de posição, enquanto que a informação de rumo é medida por um ou mais bússolas giroscópicas (também conhecidos como agulha giroscópica e girocompasso). A diferença entre o setpoint e o feedback é um erro ou offset, e o sistema DP opera para minimizar estes erros.

O navio deve ser capaz de controlar a posição e o rumo dentro de limites aceitáveis frente a uma variedade de forças externas. Se estas forças forem medidas diretamente, os computadores de controle podem aplicar uma compensação imediata. Um bom exemplo deste tipo de compensação é a que é feita em face das forças do vento, onde uma medição contínua é disponibilizada a partir de sensores de vento (normalmente cataventos).

Além de manter a posição e o rumo, um sistema DP pode ser usado para alcançar mudança automática de posição e de rumo, ou ambas. O operador DP (DPO) pode escolher uma nova posição valendo-se as instalações do console de controle. O DPO pode também escolher a velocidade na qual ele deseja que o navio se mova. Similarmente, o operador pode entrar com um novo valor de rumo. O navio irá girar para o novo rumo dentro da taxa de giro selecionada, enquanto mantém-se na posição. Mudanças automática de posição e de rumo simultaneamente também são possíveis.

Algumas embarcações DP, tais como dragas, barcaças do tipo pipelay e cable lay têm necessidades de seguir uma rota pré-estabelecida. Outras precisam flutuar sobre um ponto pré-estabelecido. Este é modo utilizado por navios do tipo shuttle tank quando estão recebendo carga de um terminal offshore de carga. Outros navios seguem um alvo móvel, tal como um veículo submersível (ROV). Neste caso a posição de referência do navio é um veículo ao invés de um local fixo designado.

2.1 - Modelo DP

Diagrama en blocos de um sistema de controle

Todos navios estão sujeitos a forças do vento, ondas e movimentos de maré bem como a forças geradas a partir do sistema de propulsão e outros elementos externos (reação dos ejetores do sistema de combate a incêndio, tensores de cabos, etc). a resposta a estas forças é um movimento do navio, resultando em mudanças de posição e de direcionamento da proa. Estas são medidas pelo sistema de referência de posição e bússolas giroscópicas. O sistema de controle DP calcula os OFFSET’s entre os valores medidos de posicionamento e rumo, e os valores requeridos (ou setpoint), e calcula as forças que os thrusters devem gerar a fim de reduzirem os erros a zero. Além disso o sistema de controle DP calcula a força do vento que está agindo sobre o navio, e a força do thruster necessária para contra-agir, baseado no modelo do navio que está armazenado no computador.

A modelagem e a filtragem permitem que uma ‘NAVEGAÇÃO ESTIMADA’ ou modo ‘DR’ (Dead Reckoning) opere se todas referências de posição forem perdidas. O navio continuará a manter a posição automaticamente, embora a manutenção da posição se degrade com a extensão do aumento de tempo ocorrido desde o recebimento do último dado de posição. Em termos práticos, isto significa que o DPO não necessita  selecionar imediatamente o controle “manual” uma vez que perca todas posições de referência.

No início controladores PID foram utilizados e atualmente ainda encontram uso em sistems DP mais simples. Mas os controladores modernos utilizam modelos matemáticos do navio que é baseados na descrição hidrodinâmica e aerodinâmica com relação a algumas das características do navio tais como massa e araste. Claro que este modelo não é inteiramente correto. A posição do navio e o rumo são alimentados no sistema e comparados com a predição feita pelo modelo. Esta diferença é utilizada para atualizar o modelo usando a técnica de filtro Kalman. Por esta razão, o modelo também tem entrada a partir dos sensores de vento e reação dos propulsores. Este método permite ainda não ter entrada a partir de qualquer PRS durante algum tempo, dependendo da qualidade do modelo e do tempo. Este processo é conhecido como navegação estimada (dead reckonin – DR).

Continua no próximo blog...