Impact of sea wave stochastic characteristics on ship propulsion control system design

A sea wave resistance to the ship motion is of stochastic nature. Therefore any design and optimization of ship propulsion control system requires a knowledge of wave resistance stochastic characteristics. Sea waving is usually considered as the most important disturbance affecting the dynamics of ship propulsion unit. In rough sea conditions it causes high amplitudes of torsional torques which lead to torsional vibrations of the elements of propulsion system. Limitation of tordional stresses is vitally important in order to avoid damage or even fracture of the propulsion system components. Torsional stresses involve the whole shaft system of the ship's propulsion engineering: engine crank shaft, intermediate shafts, propeller and propeller shaft, engine running gear, flywheel, and where appropriate reduction gearing, flexible couplings, clutches, and electric generator shaft. For a cost effective ship propulsion plant with the best counter measures against torsional stresses, it is important that torsional vibration aspects areconsidered at the earliest stage possible in the ship design process. In such circumstances the role of propulsion plant controller can be significant. With regard to sea wave stochastic characteristics a method of design and optimization of ship propulsion controller architecture and parameters has been discussed. Several simulations have been carried out based on sea wave stochastic characteristics. Some different sea areas in the world have been taken into account, and four seasons of year. The ship propulsion system bas been treated as a multidimensional control system of angular velocity od diesel engine. The dynamic processes of the propulsion system have been determined as a response to the disturbance caused by the ship propeller.

---

Siła oporu statku jest procesem stochastycznym. Z tego powodu projektowanie i ewentualna optymalizacja układu sterowania napędu statku wymaga znajomości charakterystyk statycznych fali morskiej. Oddziaływanie zakłócające fali morskiej wywołuje, między innymi, zmiany momentów skręcających w elementach zespołu napędowego statku. Jest niezbędne ograniczenie momentów skręcających i wywołanych nimi drgań skrętnych, w celu uniknięcia ewentualnych uszkodzeń w zespole napędowym. Naprężenia skrętne występują w całym zespole napędowym statku: w walw silnika, wałach pośrednich, w wale pędnika, w sprzęgłach, przekładni. W tych warunkach dobór parametrów regulatora napędu statku umoże okazać się istotny. Wskazano sposoby doboru transmisji regulatora w warunkach stochastycznych. Wybrano do rozważań 8 rejonów morskich w 4 porach roku. Określono w nich gęstość widmową amplitudy fali morskiej. Założono, regulator typu proporcjonalno-całkująco-różniczkujący. Dla wybranego typu statku wykonane badania symulacyjne odnoszą się do wybranych rejonów mórz i pór roku. Okazuje się, że dobierając zarówno współczynnik wzmocnienia regulatora jak i stałą całkowania, można minimalizować wartość wariancji, na przykład, momentów skręcających w wybranych przekrojach zespołu napędowego lub prędkości kątowych wału. Przedstawiono przykłady tego rodzaju optymalizacji regulatora ze wzgledu na współczynnik wzmocnienia.