浮体構造物の定点保持に関する研究

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Kyushu University Institutional Repository

浮体構造物の定点保持に関する研究

古川, 芳孝

九州大学工学研究科造船学専攻

https://doi.org/10.11501/3070045

浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 に 関 す る 研 究

平 成 5 年 2 月

古 川 芳 孝

第 1章 緒 ^壬a^A冊

目 次

1 

第 2章 浮 体 構 造 物 の 運 動 9 

2 . 1

緒 言 .• • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ••

9  2 . 2

外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流7風 お よ び 波 浪 の 影 響 .• • • • . • • • • •• 10 

2 . 2 . 1  

潮 流 の 影 響 .• • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • . • • . • ••

1 1   2 . 2 . 2  

風 の 影 響 .. . • • • • • . • • • • • . • • . • • • . • • • • • • • • ••

1 3   2 . 2 . 3  

波 浪 の 影 響 . . • • • • • . • • . • • • • • • • • . • • • • • . • • • ••

1 5   2 . 3

浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 .• . • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • •• 18 

2

.4結言 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ••

2 0  

第 3章 最 適 レ ギ ュ レ ー タ を 適 用 し た 定 点 保 持 の た め の 制 御 系

2 1   3 . 1

緒 言 .• • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ••

2 1   3 . 2

運 動 方 程 式 の 線 形 化 な ら び に 離 散 化 • • • • • . • • • • • . • • • • ••

2 3   3 . 3

最 適 レ ギ ュ レ ー タ 問 題 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • ••

2 9   3

. 4 浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 計 算 例 お よ び 考 察 ..•

3 1   3 . 5

結 言 .. . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ••

3 9  

第 4章 ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 の 推 定 40 

4.1 緒言 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 40  4.2  ス ラ ス タ ー が 噴 出 す る 噴 流 の 径 路 の 推 定 .• • • • • • • • • • • • • •• 42  4.3  Jetを 有 す る 流 場 に お い て 浮 体 構 造 物 の ロ ワ ー ハ ル に 作 用 す る 流

体 力 .• • • • • • • • • • • • . • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 45 

4

.4  ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 の 数 値 計 算 例 お よ び 考 察 . . • • • ••

5 1  

4.5 結 言 .• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 61 

第 5章 制 御 性 能 に 影 響 を 与 え る 要 素

5 . 1

緒 言

62  62 

5 . 2  

ス ラ ス タ ー の 形 式 お よ び そ の 配 置 が 制 御 性 能 に 与 え る 影 響 .• ••

6 4  

5 . 3

非 定 常 な 外 乱 が 制 御 性 能 iこ 与 え る 影 響 .• • • • • • • • • • • • • • ••

7 3   5 . 3 . 1  

変 動 風 の 影 響 下 に お け る 浮 体 構 造 物 の 運 動 の シ ミ ュ レ ー

シ ョ ン 計 算 例 お よ び 考 察

7 3  

5 . 3 . 2  

潮 流 の 流 速 が 変 化 す る 場 合 の 浮 体 構 造 物 の 運 動 の シ ミ ユ

レ ー シ ョ ン 計 算 例 お よ び 考 察 .• • • • • • • . • • • • • • • • ••

7 8  

5.4  ス ラ ス タ ー の 応 答 の 遅 れ が 制 御 性 能 に 与 え る 影 響 .• . • • • • • •• 82  5.4.1  応 答 の 遅 れ を 考 慮 す る た め の ス ラ ス タ ー の モ デ ル 化 .• •• 82  5.4.2  ス ラ ス タ ー の 応 答 の 遅 れ を 考 慮 し た 場 合 の 浮 体 構 造 物 の 運

動 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 計 算 例 お よ び 考 察

5 . 5

前 進 速 度 影 響 に よ る ス ラ ス タ ー の 制 御 力 減 少 が 制 御 性 能 に 与 え る 影 響

84 

5.6 結 言

92 

9 6  

第 6章 結 ^壬，d、面開

9 8  

t守WJ

司諸問

辞 102 

世見 ロ可

コ い

1 0 3  

参 考 文 献 110 

第 1章 緒 ^壬ム己問

海 洋 空 間 の 育 効 利 用 を は か る た め に7海 上 空 港 や 洋 上 原 油 備 蓄 タ ン ク 等 の 様 々 な 海 洋 構 造 物 の 計 画 ? 建 設 が 行 な わ れ て い る 。ま た，1970年 代 の オ イ ル シ ョ y

ク 以 降j エ ネ ル ギ ‑ 源 と し て 重 要 な 地 位 を 占 め る 石油 資 源 を 確 保 す る た め に 海 底 油 田 の 掘 削 の 重 要 性 が 高 ま り 1海 底 油 田 掘 削 の た め に 多 く の 海 洋 構 造 物 が 建 造 さ れ1稼 働 し て い る 。

海 底 油 田 掘 削 の た め の 海 洋 構 造 物 は1そ の 構 造 に よ っ て Fig.1‑1(a)に 示 す よ う な 固 定 プ ラ ソ ト フ ォ ー ム 型 と Fig.1‑1(b) ~ (d)に 示 す よ う な 移 動 型 の 二 つ に 大 き く 分 類 さ れ る

[ 1

J。 固 定 プ ラ ッ ト フ ォ ー ム 型 は1海 底 に 打 ち 込 ん だ パ イ ル の 上 に プ ラ ッ ト フ ォ ー ム を 設 置 し て 海 底 油 田 の 掘 削 を 行 な う 形 式 の 構 造 物 で あ り1比 較 的 水 深 の 浅 い 海 域 を 対 象 と し て 稼 働 す る 。 こ れ に 対 し て 移 動 型 の 海 洋 構 造 物 は 掘 削 装 置 を 搭 載 し7作 業 海 域 ま で 曳 航 さ れ 】 ま た は 自 航 し て 移 動 し た 後1海 底 油 田 の 掘 削 を 行 な う も の で あ り 7海 底 着 底 型1甲 板 昇 降 型7船 舶 型1半 潜 水 型 等 の 種 類 が あ る [2J⁰  Fig.l‑1 (b)，(c)に 示 し た 海 底 着 底 型 と 甲 板 昇 降 型 は そ の 構 造 上 適 用 可 能 な 水 深 に 限 度 が あ る た め ? 固 定 プ ラ ッ ト フ ォ ー ム 型 と 同 様

(b) Submersible type  (c) Self‑elevati時 type

(a) Fixed type 

(d) Ship typc  (c) Semi‑s山mcrsihlctypc  Fig.1‑1 Types of

。

^{πshoreplatfonn} 

に 比 較 的 水 深 の 浅 い 海 域 に お い て 使 用 さ れ る 。Fig.1‑1(d)に 示 し た 船舶 型 は 先 の二つ の型 よ りも 水 深 の 深 い 海 域 に お け る 稼 働 に 適 し て い るが1潮 流 や 風?波 浪 等 の 外 乱 の 影 響 を受 け や す い た め ; 作 業 海 域 の 海 象 ‑気象 条 件 に よ り そ の 稼 働 率 が大 き く 左 右 さ れ る 。従って1船 舶 型 よ り も 動 揺 が 小 さ く ?さ らに深水 域 にお い て も 稼 働 可 能 な 海 洋 構 造 物 と し て，Fig .1‑1 

( e )

^{に示 し た よ う な 半 潜 水 型}

の 浮 体 構 造 物 が 考 案 さ れ た 。 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 は 1962年 に 初 め て 建造 さ れ?我 が 国 で は 1965年 に Sedco135型 が 初 め て 実 用 化 さ れ た 。そ の 後7浮 体 構造 物 の 構 造 は Fig.1‑2に 示 す よ う な 変 遷 を た どって い る 。即 ち 7浮 体 構 造 物 が 最 初

に 考 案 さ れ て か ら Fig.1‑2(a)の よ う な 複 数 の フ ー テ イ ン グ を 組 み 合 わ せ た 型? Fig.1‑2 (b)の よ う な 四 つ の ロ ワ ー ハ ル を 組 み 合 わ せ た 型，Fig.1‑2 (c)の よ う な 2

ロ ワ ー ハ ル 型 と 呼 ば、れ る 二 つ の ロ ワ ー ハ ル を 組 み 合 わ せ た 型 等 が 建 造 さ れ た が 、 次 第 に 推 進 抵 抗 が 小 さ い

2

ロ ワ ー ハ ル 型 の 浮 体 構 造 物 が 多 く 建 造 さ れ る よ

う に な った。

浮 体 構 造 物 は 特 定 の 海 域 に お い て 長 期 間 に わ たって 稼 働 し 7船 舶 の よ う に 荒 天 避 航 が で き な い た め 7そ の 設 計 段 階 に お い て 稼 働 海 域 の 海 象 ・ 気 象 条 件 か ら 設 定 さ れ る 設 計 条 件 を 十 分 に 考 慮 し な け れ ば な ら な し1。近 年7浮 体 構 造 物 の 稼 働 範 囲 は メ キ シ コ 湾 等 に お い て は 水 深 の 深 い 海 域 へ と 広 がって お り }ま た 北 海 や ア ラ ス カ 湾 等 で は 一年 を 通 し て の 掘 削 が 行 な わ れ る よ う に な って い る 。そ れ に 伴 い7そ の 設 計 条 件 は か な り 厳 し い も の と な っ て い る 。こ れ ま で に 建 造 さ れ た 浮 体 構 造 物 に 対 し て 設 定 さ れ た 設 計 条 件 に つ い て3高 橋 ・佐 尾

[ 3 J

は 例 を 挙 げ て 具 体 的 に 示 し て お り ? 北 海 を 稼 働 海 域 と す る 全 長 100m前 後 の 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 の 場 合7そ の 掘 削 作 業 時 に お け る 設 計 条 件 は 風 速 が 30， .̲.. 100  kt，潮 流 が 2̲ ，... 3 kt， 波 浪 に つ い て は 波 高 が 3，̲... 15 m程 度7波 周 期 が 6， .̲.. 20秒 と なって い る 。ま た7瀬戸 内 海 や 日 本 沿 海 を 稼 働 海 域 と す る 場 合 に は1潮 流 の 条 件 は 4"‑'  8 ktと 極 め て 大 き く な る 。

さ ま ざ ま な 海 象 ‑ 気 象 条 件 の 下 で 浮 体 構 造 物 を 定 め ら れ た 作 業 条 件 を 満 足 す る よ う に 稼 働 さ せ る た め に ? 浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 外 力 の 推 定】特 に 波 浪 中 に お け る 運 動 特 性 に つ い て 多 く の 実 験 的 】 理 論 的 研 究 が 行 な わ れ て い る 。回 才 ら

[ 4 J

は 双 胴 型 半 没 水 作 業 船 の 規 則 波 中 に お け る 運 動 に つ い て1水 槽 実験 と

top vlew 

急

^deck

急 島

出品封~ br甘~c山 抽 出

top ¥'Ie¥¥' 

side view 

(a) Footing type 

Jo¥ver huJJ  (b) 4 10we巾 111type 

top Vlew 

国

監

^side view 

lower hull  (c) 2 10werhull type 

Fig.1‑2 Historical transformations of the structure of offshore platforrn 

物 を 球 ・円 柱 等 の 付 加 質 量 お よ び 減 衰 係 数 が 既 知 で あ る 要 素 に 分 割 し て⁷半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 の 運 動 を 推 定 す る 方 法 を 示 し て い る が1各 要 素 閣 の 干 渉 に つ い て は 考 慮 さ れ て い な い 。大 楠 [

6 J

，大 楠 ‑ 高 木

[ 7 J

は 浮 体 構 造 物 の 二 つ の ロ ワーハル 聞 に 作 用 す る 干渉 力 を 考 慮 に 入 れ た 運 動 の 推 定 法 に つ い て 検 討 を 行 なって い る 。さらに 大 楠

[ 8 J

は 多 数 の 浮 体 で 支 持 さ れ た 浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 波 に よ る 流 体 力 の 推 定 法 も 示 し て い る 。ま た¹ロ ワ ー ハ ル や コ ラ ム⁷さ らに そ れ ら を つ な ぐ ブ レ ー シ ン グ 等 の 浮 体 構 造 物 を 構 成 す る 部 材 聞 の 3次元的 な 流 体 力 学 的 な 干 渉 を 考 慮 し た 浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 流 体 力 の 計 算 法 と し て は1

杉 浦

[ 9 J

，高木ら

[ 1 0 J

に よ る 方 法 が あ る 。

以 上 の 研 究 は 主 と し て 浮 体 構 造 物 の 動 揺 問 題 に つ い て 検 討 が な さ れ て い る が⁷海 底 油 田 の 掘 削 作 業 時 に は 浮 体 構 造 物 の 水 平 面 内 の 運 動 が 重 要 と な る 。海 底 油 田 の 掘 削 は 浮 体 構 造 物 の 下 方 に 伸 ば し た 掘 削 用 の パ イ プ を 通 し て 行 な わ れ る が⁷外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流 や 風 の 影 響 に よ って 浮 体 構 造 物 が 作 業 位 置 か ら 流 さ れ る と ⁷掘 削 用 ノマイ プ に 曲 げ モ ー メ ン ト が 作 用 す る こ と に な る 。従っ て?水 平 面 内 の 運 動 を 抑 制 し て 浮 体 構 造 物 の 位 置 を 定 め ら れ た 範 囲 内 に 保 持 す る こ と が 必 要 と な る 。 こ の よ う な 問 題 に 対 す る 対 策 と し て7水 深 が 浅 い 場 合 に は 係 留 索 あ る い は 錨 鎖 に よ って 係 留 す る 方 法 が 適 用 さ れ る 。係 留 索 に よ る 張 力 の 影 響 を 受 け る 浮 体 構 造 物 の 運 動 に つ い て は 多 く の 研 究 が 行 な わ れ て お り?高木ら

[ 1 1

Jは 非 定 常 な 力 あ る い は 波 漂 流 力 に よ って 浮 体 構 造 物 が 平 衡 点 か ら 大 き く は ず れ た 場 合 に は1係 留 索 の 張 力 の 非 線 形 影 響 が 非 常 に 大 き い こ と を 示 し て い る 。経 塚 ら

[ 1 2 J

は 係 留 索 の 固 有 周 期 と 入 射 波 の 周 期 の 組 み 合 わ せ によ って は⁷係 留 さ れ た 浮 体 の 左 右 揺 れ に 不 安 定 現 象 が 生 じ る こ と を 示 し て お り1ま た1新 井 ら

[ 1 3 J

は 不 規 則 波 中 に お い て 係 留 さ れ た 浮 体 構 造 物 の 運 動 に つ い て 検 討 を 行 な って い る 。 さ ら に⁷外 乱 と し て 潮 流 や 風¹波 浪 等 の 影 響 を 受 け る 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 の 運 動 の 模 型 実 験 お よ び 計 算 方 法 に つ い て は¹松 浦 ら

[ 1 4 J

，竹沢ら

[ 1 5 J

，

[ 1 6 J

の 研 究 が あ る 。

し か し な が ら ¹近 年¹海 底 油 田 の 掘 削 の 対 象 と な る 海 域 は ま す ま す 深 海 へ と 及 ん で お り 1最 近 で は 稼 働 水 深 が

1 0 0 0 " ‑ '   3 0 0 0  

m程 度 の 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 が 建 造 さ れ る よ う に な っ て い る

[ 1 7 J [ 1 8 J  

0 と こ ろ が 水 深 が

5 0 0

m程 度 よ り 深 く

に よ っ て 係 留 す る 方 法 は 技 術 的3経 済 的 に 困 難 と な る 。従って7こ の よ う な 深 水 域 に お い て は1浮 体 構 造 物 の 位 置 を 作 業 海 域 の 定 め ら れ た 場 所 に 保 持 す る 定 点 保 持 の た め の 新 し い 手 段 と し て ， Dynamic Positioning System (DPS)が 採 用 さ れ る こ と が 多 く な っ て い る 。 DPSと は 外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流3風 お よ び 波 浪 等 の 影 響 に よ っ て 引 き 起 こ さ れ る 浮 体 構 造 物 の 設 定 位 置 と 設 定 方 位 か ら の 変 位 を 計 測 し ? 浮 体 構 造 物 に 取 り 付 け ら れ た ス ラ ス タ ー 等 の 推 進 器 を 制 御 す る こ と に よ っ て 7所 定 の 位 置 に 浮 体 構 造 物 を 保 持 さ せ る た め の シ ス テ ム で あ る 。 DPSは 制 御 に 必 要 な 情 報 を 得 る た め の 位 置 検 出 装 置7位 置 保 持 の た め の 制 御 力 を 発 生 す る 推 進 装 置1お よ び 推 進 装 置 の 制 御 を 行 な う 制 御 装 置 の 三 つ の 要 素 よ り 構 成 さ れ る 。 浮 体 構 造 物 の 稼 働 時 の 設 定 位 置 か ら の 変 位 の 許 容 限 界 は 通 常 水 深 の 5%程 度 と さ れ ， DPSの た め の 位 置 検 出 装 置 は 高 い 精 度 が 要 求 さ れ る 。 現 在 用 い ら れ て い る 装 置 と し て は7定 め ら れ た 位 置 と の 相 対 的 な 位 置 を 精 度 良 く 検 出 す る 超 音 波 式 の 位 置 検 出 装 置 で あ る ビ ー コ ン 発 信 機 あ る い は ト ラ ン ス ポ ン ダ が あ る [19]^{。 ま た7}超 音 波 式 の 位 置 検 出 装 置 に 対 す る パ ッ ク ア ッ プ 用 の 装 置 と し て 1機 械 式 の ト ー ト ワ イ ヤ の 角 度 か ら 位 置 を 知 る 方 法 も 用 い

ら れ て い る [20]^。

浮 体 構 造 物 の DPSに 関 す る 研 究 は ? 浮 体 構 造 物 の 係 留 に 関 す る 研 究 と 比 較 す る と こ れ ま で そ れ ほ ど 数 多 く は 行 な わ れ て は い な い が1松 井 ・ 杉 浦 [21]は任 意 の 数 の フ ー テ イ ン グ を 同 一 円 周 上 に 等 間 隔 に 配 置 し た 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 に 対 し て7推 力 の 方 向 を 任 意 の 方 向 に 向 け る こ と が 可 能 な 首 振 り 型 の ス ラ

ス タ ー を 装 備 し た 場 合 に つ い て7単 純 な 数 学 モ デ ル を 設 定 す る こ と に よ り そ の 位 置 制 御 に つ い て 検 討 を 行 な っ て い る 。 Tamehiro・Kasai[22]，葛西ら [19]は 模 型 実 験 に よ っ て 浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 流 体 力 の 特 性 を 調 査 し7こ れ ら の 特 性 を 考 慮 し て1外 乱 と し て 潮 流7風 お よ び 波 浪 が 作 用 し て い る 場 合 の 浮 体 構 造 物 の 運 動 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 計 算 な ら び に 模 型 実 験 を 行 な っ て い る 。 ま た } 末 光 ・ 松 本

[ 2 3 ]

は 拘 束 模 型 試 験 で 計 測 し た 流 体 力 を 用 い て1水 平 面 内 の 運 動 を 予 測 す る 方 法 を 提 案 し 7ス ラ ス タ ー の 操 作 に 対 す る 閉 ル ー プ 系 周 波 数 応 答 特 性 の 予 測 結 果 と 模 型 実 験 の 結 果 と の 比 較 よ り ， DPSに よ る 定 点 保 持 運 動 の 予 測 に 有 効 で あ る こ と を 示 し て お り 7さ ら に ? 松 本 ら [24]は DPSの 基 本 設 計 の た め の 設 計 法 を 提 案 し て い る 。 以 上 の 研 究 に お い て は7浮 体 構 造 物 の 運 動 を 制 御 す る た

め の 制 御 力 を 求 め る 方 法 と し て1い ず れ も 古 典 制 御理 論 の ProportionalIntegral  Deriva，tive (PID)制 御 を 用 い て い る 。 し か し な が ら1浮 体 構 造 物 の 運 動 は 6自 由 度 で あ り，これ らの 運 動 は 互 い に 連 成 し て い る 。そ の 中 で も サ ー ジ ング， スウ ェ

イ ン グ7ヨ ー イ ン グ の 水 平 面 内 の 運 動 に よ って 生 じ る 設 定 位 置 や 方 位 か ら の 変 位 を 小 さ く す る こ と が 定 点 保 持 を 行 な う 上 で 重 要 で あ る と 考 え られ る。 従 っ て7サ ー ジ ン グ1ス ウ ェ イ ン グ?ヨ ー イ ン グ の 運 動 の 連 成 に よ る 影 響 を 考 慮 す る た め に ? 多 入 力 多 出 力 系 と し て 取 り 扱 う こ と が 必 要 に な る と 考 え ら れ る。

ま た，DPS に お い て 制 御 力 を 発 生 す る ス ラ ス タ ー の 出 力 の 設 定 に 対 し て は 横 町

[ 2 5 ]

が 外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流 と 風 の 影 響 下 に お い て 7調 査 船 の 定点 保 持 を 行 な う た め に 必 要 な サ イ ド ス ラ ス タ ー の 所 用 出 力 を 簡 便 な チ ャ ー ト と し て 示 し て い る 。 し か し な が ら ? ス ラ ス タ ー か ら 噴 出 さ れ る 噴 流 と 浮 体 構 造 物 の ロ ワ ー ハ ル と の 間 に 流 体 力 学 的 な 干 渉 が 生 じ ? 浮 体 構 造 物 に 装 備 さ れ た ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 は そ の 影 響 を 受 け る こ と が 考 え ら れ る 。定 点 保 持 の た め の 制 御 系 の 設 計 段 階 に お い て は】こ の よ う な ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 に 対 し て 浮 体 構 造 物 の 運 動 が 与 え る 影 響 を 考 慮 し て 1十 分 な 制 御 力 が 常 に 得 ら れ る よ う に ス ラ ス タ ー の 出 力 を 決 定 す る こ と が 重 要 で あ る 。従 って1ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 に 対 す る 浮 体 構 造 物 の 運 動 の 影 響 に つ い て 検 討 を 行 な う こ と が 極 め て 必 要 と な る 。

ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 に 対 す る 動 的 な 影 響 に つ い て は7通 常 の 排 水 量型 の 船 舶 に 対 し て は い くつ か 研 究 が な さ れ て い る が7浮 体 構 造 物 を 対 象 と し た 検 討 は ほ と ん ど な い 。浮 体 構 造 物 に 装 備 さ れ た ス ラ ス タ ー に 関 し て は3

ienhuis [26Jが ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 流 れ と 浮 体 と の 干 渉 に つ い て 研 究 を 行 なって い る が1前 進 速 度 の 影 響 に つ い て は 考 慮 さ れ て い な い 。船 舶 に 装 備 さ れ た ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 に つ い て は ? 岡 本 玉 井

[ 2 7

，]貴 島 ・ 井 上

[ 2 8 ]

が 船 舶 の 前 進 速 度 が 増 加 す る に 伴 っ て そ の 制 御 力 が 減 少 す る こ と を 模 型 実 験 に よって 示 し て い る 。従 って，DPSに お け る ス ラ ス タ ー の 出 力 の 決 定 に 際 し て1こ の よ う な ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 に 対 す る 動 的 な 影 響 を 考 慮 す る 必要 が あ る と 考 え ら れ る 。ま た7ス ラ ス タ ー の 形 式 や そ の 配 置7あ る い は ス ラ ス タ ー が 作 動 し 始 め て か ら 実 際 に 制 御 力 を 発 生 す る ま で に 生 じ る 応 答 の 遅 れ も1制

front view  side view 

Fig.1‑3 Geometry of the offshore platform for investigation 

Table 1‑1 Principal particulars of the offshore platform for investigation  Length  115.0  m 

Breadth  75.0  m  Draft  20.0  m  Height ( main deck )  38.0  ロ1

Displacement  35000.0  ton  Column number  4 

よ う な 影 響 を 検 討 し た 研 究 は ほ と ん ど み ら れ な い 。

そ こ で1本 論 文 に お い て は Fig.1‑.3お よ び Table1‑1に 示 す 石 油 掘 削 用 の 2ロ ワ ー ハ ル 型 の 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 を 対 象 と し て⁷浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 を 行 な う た め は 使 用 さ れ る DPSの 制 御 系 に つ い て 検 討 を 行 な う。Fig.1‑3に 示 す よ う に}検 討 の 対 象 と す る 浮 体 構 造 物 は そ の ロ ワ ー ハ ル の 下 部 に 推 力 の 方 向 を 固 定 し た 方 向 固 定 型 の ス ラ ス タ ー を 6基1あ る い は ス ラ ス タ ー の 方 向 を 360⁰ 旋 回 す る こ と が 可 能 で あ り ₁任 意 の 方 向 に 推 力 を 発 生 で き る 首 振 り 型 の ス ラ

ス タ ー を 4基 装 備 し て し て い る も の と す る 。 こ の よ う な 浮 体 構 造 物 を 対 象 と して1制 御 方 法7制 御 力 を 発 生 す る ス ラ ス タ ー の 形 式 や そ の 配 置;ス ラ ス タ ー の 性 能 に 影 響 を 与 え る 浮 体 構 造 物 の 前 進 速 度:ス ラ ス ター の 応 答 の 遅 れ 等 の 彫

響 を 考 慮 し て1浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 を 効 率 良 く 行 な う た め の

DPS

^{の 制 御 系}

を 提 案 し 7浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 の た め の 制 御 系 の 設 計 に 際 し て 一 つ の 指 針 を 与 え る こ と を 目 的 と す る 。

本 論 文 は 次 の 六 つ の 章 か ら 構 成 さ れ て い る 。

第 1章 は 緒 論 で あ り 1本 研 究 の 背 景 ? 概 要 ? 目 的 お よ び 構 成 に つ い て 述 べ て いる。

第 2章 で は1外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流 ? 風 お よ び 波 浪 が 浮 体 構 造 物 の 運 動 に 及 ぼ す 影 響 を 明 ら か に し 1さらに，

DPS

の 制 御 系 を 設 計 す る 上 で 基 礎 と な る 外 乱 下 に お け る 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 を 示 し て い る 。

第

3

章 で は7従 来 主 と し て 用 い ら れ て い る

P I D

制 御 に 代 え て ? 最 適 レ ギ ュ レ ー タ を 適 用 し た

DPS

の た め の 制 御 系 を 示 し て い る 。 ま た1浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 運 動 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 計 算 を 行 な う こ と に よ り ，

P I D

制 御 と 最 適 レ ギ ュ レ ー

タ 制 御 を 適 用 し た 場 合 の 定 点 保 持 性 能 の 比 較 を 行 な っ て い る 。

第

4

章では，

DPS

の 制 御 系 の 定 点 保 持 性 能 lこ 対 し て 影 響 を 与 え る と 考 え ら れ る ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 を 理 論 的 lこ 推 定 す る 方 法 を 示 し 7浮 体 構 造 物 の 運 動 が ス ラ ス タ ー の 発 生 す る 制 御 力 へ 及 ぼ す 影 響 に つ い て 検 討 を 行 な っ て いる。

第 5章 で は 1制 御 力 を 発 生 す る ス ラ ス タ ー の 形 式 や 配 置 ? 非 定 常 な 外 乱7スラ ス タ ー の 応 答 の 遅 れ ? ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 へ の 前 進 速 度 影 響 等 が 制 御 系 の 定 点 保 持 性 能 に 与 え る 影 響 に つ い て 検 討 を 行 な し り 効 率 良 く 定 点 保 持 を 行 な う た め の 方 法 を 提 案 し て い る 。

第

6

章 は 本 研 究 で 得 ら れ た 結 果 の ま と め と 結 論 を 示 し て い る 。

第 2章 浮 体 構 造 物 の 運 動

2 . 1  

緒 言

洋 上 に 浮 か ん で 石 油 掘 削 作 業 等 を 行 な う 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 は 7外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流 や 風 お よ び 波 浪 の 影 響 を 受 け1サ ー ジ ン グ¥ス ウ ェ イ ン グ1 ヒ ー ビ ン グ7ロ ー リ ン グ1 ピ ッ チ ン グ ? ヨ ー イ ン グ の 6自 由 度 の 運 動 を 行 な う。そ の 結 果1作 業 海 域 と し て 定 め ら れ た 位 置 や 設 定 方 位 か ら の 変 位 を 生 じ る 。従って?

定 点 保 持 を 行 な う た め の

DPS

の 制 御 系 を 設 計 す る に 際 し て は7ま ず 浮 体 構 造 物 lこ 作 用 し て 以 上 の よ う な 運 動 を 誘 起 す る 原 因 と な る 外 乱 の 特 性 を 正 確 に 知

る 必 要 が あ る 。

本 章 に お い て は Fig.1‑3に 示 し た 石 油 掘 削 用 の 2ロ ワ ー ハ ル 型 の 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 を 対 象 と し て ? 浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 外 乱 の 特 性 に つ い て 検 討 を 行 な し ¥ 浮 体 構 造 物 の 運 動 へ 与 え る 影 響 を 明 ら か に す る 。ま た 1定 点 保 持 の た め の

DPS

の 制 御 系 設 計 の 基 礎 と な る 7外 乱 下 に お け る 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 を 示 し て い る 。

第 2節 に お い て は¹外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流⁷風 お よ び 波 浪 が 浮 体 構 造 物 の 運 動 に 与 え る 影 響 を 示 し て い る 。

第 3節 に お い て は7第 2節 で 明 ら か に し た 外 乱 の 影 響 を 踏 ま え て } 定 点 保 持 の た め の

DPS

の 制 御 系 設 計 の た め の 基 礎 と な る 7外 乱 下 に お け る 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 を 示 し て い る 。

第 4節 は 本 章 で 得 ら れ た 結 果 を ま と め て い る 。

2 . 2  

外 吉 し と し て 作 用 す る 潮 流 . 風 お よ び 波 浪 の 影 響

F i g . 2 ‑ 1

に 示 す 座 標 系 に お い て1外 乱 の 影 響 下 に お け る 浮 体 構 造 物 の 運 動 を 考 え る 。

F i g . 2 ‑ 1

に お い て . 点 線 で 示 し た 四 角 形 は 浮 体 構 造 物 の デ yキ1そ の 左 右 の 実 線 で 囲 ん だ 部 分 が ロ ワ ー ハ ル を 表 わ す も の と す る 。 定 点 保 持 を 行 な う 際 に 制 御 力 を 発 生 す る ス ラ ス タ ー は，

F i g . l ‑

: 3 に 示 し た よ う に ロ ワ ー ハ ル の 下 部 に 取 り 付 け ら れ て い る も の と す る 。 こ こ で，00 ‑ xoYozoは 空 間 固 定 座 標 系，o‑xy::

は 浮 体 構 造 物 の 重 心 位 置 に 固 定 し た 座 標 系 で あ り

，

x軸 は 浮 体 構 造 物 の 前 進 方 向 を 正

，

y軸 は 浮 体 構 造 物 の 右 舷 方 向 を 正 と し

，

^Zo軸

，

^Z軸 は そ れ ぞ れ 鉛 直 下 向 き と し て 右 手 系 と す る 。 浮 体 構 造 物 の 速 度 は V と し 7そ の x

， y

軸 方 向 成 分 を

U

， 

V

，

回 頭 角 速 度 を h目 頭 角 を や と す る 。 ま た ; 外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流 の 絶 対 流 速 を

V

_c

，

潮 流 が Xo軸 と な す 角 度 を 絶 対 流 向 α}浮 体 構 造 物 に 対 す る 流 入 角 を μcと す る 。 風 に つ い て は 絶 対 風 速 を Vw

，

^{風 が} Xo軸 と な す 角 度 を 絶 対 風 向 νと す る 。 波 浪 に つ い て は7浮 体 構 造 物 に 対 す る 入 射 波 の 方 向 を μ と す る 。

浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 に お い て は1水 平 面 内 に お け る 設 定 位 置 と 設 定 方 位 を 保 持 す る こ と が 重 要 で あ る 。 こ れ ら の 変 位 は 主 と し て サ ー ジ ン グ ¥ ス ウ ェ イ

χ

。

院院 ^v _{ラグ :}

中

ν，Y  μC 

。

。

_Yo 

ング7ヨ ー イ ン グ と い っ た 浮 体 構 造 物 の 水 平 面 内 の 運 動 に よ っ て 生 じ 7 ヒ ー ビ ン グ ; ピ ッ チ ン グ7ロ ー リ ン グ の 各 運 動 に よ っ て 生 じ る 水 平 面 内 の 変 位 は 比 較 的 小 さ い も の と 考 え ら れ る 。 従 っ て7外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流7風 お よ び 波 浪 が 浮 体 構 造 物 の 水 平 面 内 の 運 動 に 対 し て 与 え る 影 響 に つ い て 検 討 を 行 な う 。

2.2.1  潮 流 の 影 響

潮 流 は 海 域 lこ よ り そ の 流 速 お よ び 流 向 が 大 き く 異 な る た め ? 浮 体 構 造 物 の 設 計 段 階 に お い て は7稼 働j対 象 と な る 海 域 に お け る 潮 流 の 状 態 を 知 る こ と が重 要 で あ る 。 潮 流 の 影 響 下 に お い て 浮 体 構 造 物 が 稼 働 す る 場 合 に は3浮体 構 造 物 に は 潮 流 の 方 向 に 流 さ れ る よ う な 漂 流 力 が 定 常 的 に 作 用 し 1作 業 海 域 と し て 定 め ら れ た 位 置 か ら の 変 位 お よ び 設 定 方 位 か ら の ず れ を 生 じ る こ と に な る 。 北 海 や ア ラ ス カ 湾 等 を 稼 働 海 域 と す る 浮 体 構 造 物 の 場 合7設 計 段 階 に お い て 設 定 さ れ る 潮 流 の 流 速 は 最 大 3kt程 度 と 大 き い た め?定点 保 持 を 考 え る 上 で 外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流 に よ る 漂 流 力 の 影 響 は か な り 大 き い も の と 考 え ら れ る 。 従 っ て7外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流 の 影 響 を 正 確 に 推 定 す る こ と が 重 要 と な る 。 潮 流 の 影 響 に よ る 定 常 的 な 漂 流 力 の x

，

y軸 方 向 成 分 XC

， Y

Cお よ び z軸 ま わ り の モ ー メ ン ト N

c

^は1通 常1漂 流 力 係 数

Ccx ， CC Y

な ら び に モ ー メ ン ト 係 数

CCN

を 用 い て1次 の よ う な 式 で 近 似 的 に 表 わ さ れ る 。

こ こ で₇

X c 

^~pAVê~Cc₂  ^x

Y _c 

_{一 EPAVJ} Ccy 

N

c 

^一1 ρ

ALoAVd

^{A  T  T r*2 Ll}

C CN

2 

ρ : 海 水 の 密 度

A 

: 水 面 下 の 正 面 の 投 影 面 積

L

_{O A}  : 浮 体 構 造 物 の 全 長

(2.1) 

V e ( u ち ， v e )

^{は 対 水 速 度1}♂ は 対 水 偏 角 で あ り ? そ れ ぞ れ 次 式 の よ う に 表 わ せ る 。

η J

^U

^e

² 

+ υ 5 2  

u

ち =

u 

+ 

Vc cos 

( ゆ 一

α)

(2.2)  υ

ち

=υ‑

V _c 

sin 

( ゆ 一

α)

♂ =  tan‑¹ 

( 三 )

CCX

，

^CCy

，

^CCNを 求 め る 方 法 と し て は7浮 体 構 造 物 を 構 成 す る 部 材 を 抗 力 係 数 が 既 知 で あ る 要 素 に 分 割 し て 近 似 的 に 計 算 す る 方 法 が あ る が7そ の 場 合 に は 浮 体 構 造 物 を 構 成 す る 部 材 聞 の 3次 元 的 な 干 渉 力 を 考 慮 す る こ と は 極 め て 困 難 で あ る 。 ま た? 浮 体 構 造物 は 稼 働 対 象 と な る 海 域 の 海 象 ‑気 象 条 件 } あ る い は そ の 作 業 の 目 的 に 対 し て 最 適 に な る よ う に 設 計 さ れ7そ の 構 造 お よ び 形 状 は 各 浮 体 構 造 物 ご と に 異 な る た め1潮 流 の 影 響 に よ っ て 浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 流 体

C

c x  

!?1~ ^ム\

; ; ド ^{/15ohJ 。} :

: 1

  ^{ノ ー}

:。ト)ーパ ^{8 o} rJ 

力 の 特 性 も そ の 構 造 物 特 有 な も の に な る と 考 え ら れ る 。以 上 よ り 1浮 体 構 造 物 lこ 作 用 す る 潮 流 に よ る 漂 流 力 を 正 確 に 推 定 す る に はj水 槽 に お い て 浮 体 構 造 物 の 模 型 を 任 意 の 角 度 に 設 置 し て 曳 航 し 7そ の 抵 抗 を 計 測 し て

C c x ， C C y ，  C

C 

を 求 め る 方 法 が 有 用 で あ る 。 従 っ て7本 論 文 に お い て は ? 文 献

[ 2 9 J

に お い て 本 論 文 で 制 御 系 の 設 計 対 象 と し て い る

2

ロ ワ ー ハ ル 型 の 半 潜 水 型 浮 体 構 造 物 の 模 型 に 対 し て 行 な わ れ た 水 槽 に お け る 曳 航 実 験 か ら 得 ら れ た

C C X ， C C y ， C C N

を 用 い る も の と し た 。 ま た ? そ の 値 を

F i g . 2 ‑ 2

，こ示す。

2 . 2 . 2  

風 の 影 響

石 油 掘 削 用 の 浮 体 構 造 物 は ロ ワ ー ハ ル と デ ッ キ を つ な ぐ コ ラ ム が 水 面 上 に 露 出 し て お り ? さ ら に デ ッ キ 上 に は 石 油 掘 削 の た め の 設 備 を 装 備 し て い る た め ? そ の 風 圧 面 積 は か な り 大 き くな る 。 風 圧 力 は そ の 風 圧 面 積 に 比 例 し て 大 き く な る た め1外 乱 と し て 作 用 す る 風 圧 力 に よ る 影 響 も 潮 流 に よ る 漂 流 力 と 同 様 に1定 点 保 持 を 考 え る 上 で 無 視 で き な い も の と 思 わ れ る 。

風 圧 力 に 関 し て は1各 国 船 級 協 会 や 政 府 機 関 が そ の 推 定 計 算 法 を 示 し て い る が ? 浮 体 構 造 物 の 模 型 を 使 用 し た 風 洞 実 験 に よ る 結 果 と や や 異 な る 結 果 と な る と い う 報 告 が い く つ か 発 表 さ れ て い る

[ 3 0 J ， [ 3 1 J ，  [ 3 2 J  

⁰ こ の 原 因 と し て は7

浮 体 構 造 物 の デ ッ キ 上 lこ 設 置 さ れ た 石 油 掘 削 の た め の 設 備 の 形 状 や そ の 配 置 が 複 雑 で あ る た め1そ の 流 体 力 学 的 な 干 渉 に よ っ て 推 定 結 果 と の 聞 に 差 を 生 じ て い る も の と 考 え ら れ る 。 従 っ て ? 風 圧 力 を 正 確 に 推 定 す る た め に は ; 浮 体 構 造 物 の 水 面 上 の 構 造 の 模 型 を 使 用 し て 風 洞 試 験 を 行 な い1風 圧 力 を 測 定 す る 方 法 が 有 用 で あ る と 思 わ れ る 。 そ こ で1本 論 文 に お い て は1文 献

[ 2 9 J

^{に お い て 本}

論 文 で 制 御 系 の 設 計 対 象 と し て い る 2ロ ワ ー ハ ル 型 の 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 の 模 型 に 対 し て 行 な わ れ た 風 洞 試 験 よ り 得 ら れ た 風 圧 力 係 数

Cwx ， CWY ，  CWN 

を 用 い て₁浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 風 圧 力 の

x ， y

軸 方 向 成 分 X W

， Y

W な ら び に Z

軸 ま わ り の 風 圧 モ ー メ ン ト

N

_wを 次 の よ う に 表 わ す 。

Xw 

EPaAaV

ル ^Cwx

Y

W 

~PaAa ~長 ^CWY 2 

( 2 . 3 )  

N

w  2 P aA

^α

L

O A  

V ; 長 CWN

1 3  

こ こ で1

C

wx 

:01 o t = 7 r 7~ <   _1~0

^==-r-

_{~ O}

C_WY 

J ~ ^ヘ\

001~80)

、、‑ーー戸ーーーー‑， 、ーーー叶

360  ν* (deg) 

Fig.2‑3 FOIce and moment coe伍cientsfOI wind 

ρα :_{空 気 の 密 度}

Aα :水 面 上 の 正 面 の 投 影 面 積

V~シ ^(u

w

^，

v w )

は 相 対 風 速7〆 は 相 対 風 向 で あ り 1そ れ ぞ れ 次 式 の よ う に 表 わ せ る 。

V

キ = J u ル

²⁺

^ゆ

²

u

ル ^{= u}  +  ^{V w} 

^cos 

^{ゆ ( ‑ v )}  

( 2 . 4 )  

υ

ル

^{=υ ‑}

^V

^w sin 

ゆ ‑ ⁽ v )  

〆

^tan‑1

( な )

2.2.3  波 浪 の 影 響

波 浪 外 力 は 周 期 的 な 強 制 力 の 成 分 } い わ ゆ る 波 強 制 力 と 定 常 的 に 作 用 す る 漂 流 力 の 成 分 に 分 け ら れ る 。従って ? こ こ で は 波 浪 外 力 に つ い て は7こ の 二 つ の 成 分 に 対 し て そ れ ぞ れ 浮 体 構 造 物 の 運 動 に 与 え る 影 響 に つ い て 検 討 を 行 な う。 ま ず?波 強 制 力 が 浮 体 構 造 物 の 運 動 に 与 え る 影 響 に つ い て 検 討 を 行 な う。波 強 制 力 が 浮 体 構 造 物jに 作 用 す る と 7浮 体 構 造 物 は 入 射 波 の 周 期 に 対 応 し た 周 期 的 な 運 動 を 誘 起 さ れ る 。比 較 的 厳 し い 稼 働 条 件 が 要 求 さ れ る 北 海等 を 稼 働 海 域 と す る 浮 体 構 造 物 の 設 計 時 に 想 定 さ れ る 波 の 周 期 は 最 大 約 20秒 程 度 で あ る が7一般 の 船 舶 と 違って 浮 体 構 造 物 の 運 動 の 固 有 周 期 は 長 く 通 常 20秒 以 上 で あ る た め7波 の 周 期 と 同 調 す る こ と は ほ と ん ど な く 7そ の 影 響 に よ る 運 動 も 小 さ い も の と 考 え ら れ る 。ま た 】 波 強 制 力 に よ っ て 誘 起 さ れ る 運 動 は 主 と し て 平 衡 点 を 中 心 と し た 動 揺 運 動 で あ る の で1掘 削 作 業 時 に お い て 波 強 制 力 に よって 生 じ る 設 定 位 置 か ら の 変 位 が 定 点 保 持 に 与 え る 影 響 は さ ほ ど 大 き く な い も の と 考 え ら れ る 。従 っ て ? 定 点 保 持 の た め の DPSの 制 御 系 の 設 計 に 際 し て は7波 強 制 力 は 考 慮 し な い も の と す る 。

次 に1波 に よ る 漂 流 力 が 浮 体 構 造 物 の 運 動 lこ 与 え る 影 響 に つ い て 検 討 を 行 なう。波 に よ る 漂 流 力 は 】 波 浪 中 に お い て 運 動 す る 浮 体 構 造 物 の 表 面 の 圧 力 を 積 分 し1時 間 平 均 を と っ て 得 ら れ る 定 常 的 な 力 と し て 求 め ら れ る 。波 に よ る 漂 流 力 に つ い て は7そ の 推 定 方 法 に つ い て 理 論 的7実 験 的 研 究 が 多 く な さ れ て お

り [33]，[34]， そ の 大 き さ は 浮 体 構 造 物 に 入 射 し た 波 が 浮 体 構 造 物 に よ って 反 射 さ れ て 生 じ る 波 の 波 高 の 2乗 に 比 例 す る こ と が 知 ら れ て い る 。ま た】同一浮 体 構 造 物 で あ っ て もj漂 流 力 は 入 射 波 の 波 長 に よ っ て 変 化 す る こ と が 知 られ て お り 】 波 長 が 短 い ほ ど 漂 流 力 は 大 き く な る 。 し か し な が ら，. 3 次 元 の 物 体 に つ い

Table 2‑1 Principal pa.rticulars of the offshore platform inぱ erence[3.5] 

Length  113.0  m  Breadth  68. 5. m  Draft  22.0  m  Displacement  26104.0 ton  Column number  4 

て 波 に よ る 漂 流 力 を 理 論 的 に 実 用 的 な 精 度 で 推 定 す る こ と は 困 慌 で あ る ，こ の よ う な 背 景 の 下 で 朝 長 畠中[:3.5]は Table2‑1に 示 す 半 潜 水 型 の J字 体 問 i宣 物 の 模 型 に つ い て 波 に よ る 漂 流 力 の 計 測 を 行 な い ， 実 機 ; こ 換 算 し た 源 流 力 の 値 を 示 し . 同 時 に 潮 流 に よ る 漂 流 力 も 示 し て い る 。

f

ig. _~--l (λ) (b)に 浮 体 間 造 物 に 対 し て 真 横 (μ =90⁰ ) お よ び 正 面 (μ = 180⁰ ) か ら 波 高 : 3rnの 波 が 入 射 し て い る 場 合 の 漂 流 力 Fwaveを示す。 こ の 図 に よ る と 7横 波 に つ い て は 波 長 入 が 浮 体 構 造 物 の 全 長 と ほ ぼ 等 し く な る 入 = 100 rnと 全 長 の 約 半 分 の 入 =5.0 m 付 迂 で 漂 流 力 は 最 大 と な り 約 20tonと な っ て い る 。 ま た1正 面 か ら の 波 に つ い て は 入

= 5.0 m付 近 で 漂 流 力 は 最 大 10ton程 度 と な っ て い る 。 こ れ に 対 し て ， fi色.']‑.jに は7次 式 で 定 義 され る 潮 流 に よ る 漂 流 力 係 数 Ccurrentを 示 し て い る 。

一内

︐

M﹃ノM一

v u t

e‑内J

U一マ/

九

一 バ

一l一2

C 

一 一

( 2 .

.5) 

Fwaνe (ton) 

)~三

100  200  300 

wave length A 

( m )  

(a)μ= 90 (deg) 

Fwa同 (ton) 30寸

20 1  10 1 

o  。

^‑+ 

^{\~一一一一}

300  wave length 

A 

(m)  (b)μ= 180 (dcg) 

Fig.2‑4 Wave drifting force 

[ 3 .

5] 

た だ ' し

F c

^{川 Teηt}

マ

潮 流 に よ る 漂 流 力 排 水豆

横 軸 は 浮 体 構 造 物 に 対 す る 潮 流 の 流 入 角 μcを 示 し て い る 。 こ の 係 数 を 用 t¥ 

て 潮 流 に よ る 漂 流 力 を 計 算 す る と 7潮 流 の 流 速 が 2m/sec (約 4kt ) の 場 合7漂 流 力 が も っ と も 小 さ く な る 正 面 か ら の 潮 流 の 場 合 に つ い て)約 180ton程 度 と な る 。 こ れ に 対 し て¹波 に よ る 漂 流 力 に つ い て は⁷波 長 が 浮 体 構 造 物 の 全 長 と 同 程 度 で そ の 値 が 最 大 と な る 状 態 に お い て7横 波 の 場 合 は 約 20ton程 度 . 向 か い 波 の 場 合 に は 約 10ton程 度 で あ る 。 入 射 波 の 波 長 が 浮 体 構 造 物 の 全 長 よ り も 長 い 場 合 に つ い て は 1漂 流 力 は さ ら に 小 さ な 値 と な っ て い る 。 従 っ て1波 に よ る 漂 流 力 は 潮 流 に よ る 漂 流 力 と 比 較 し で か な り 小 さ な 値 で あ る 。 以 上 の 結 果 は Table2‑1に 示 し た 半 潜 水 型 の 浮 体 構 造 物 に 対 す る 計 測 結 果 で あ る が . 本 論 文 で 制 御 系 の 設 計 の 対 象 と し て い る Fig.1‑.3および Table1‑1に 示 し た 浮 体 情 造 物 と 同 様 な 構 造 形 式 で あ り ] ま た そ の 主 要 目 も 同 程 度 で あ る 。従 っ て1潮 流 に よ る 漂 流 力 と 波 に よ る 漂 流 力 の オ ー ダ ー は1本 論 文 で 検 討 の 対 象 と し て い る 浮 体 構 造 物 に 対 し て も ほ ぼ 同 程 度 で あ る と 考 え ら れ1潮 流 に よ る 漂 流 力 に 比 べ て 波 に よ る 漂 流 力 は か な り 小 さ い も の で あ る と 考 え ら れ る 。 以 上 よ り 1本 論 文

に お い て は7波 に よ る 漂 流 力 に つ い て も 波 強 制 力 と 同 様 に 影 響 が 極 め て 小 さ い も の と 考 え ら れ る た め 1制 御 系 の 設 計 に 際 し て は 考 慮 し な い も の と す る 。

CC/l，.，.enl 

。 ⁹⁰  一~一

¹⁸⁰ 

μc 

(dcg) 

Fig.2‑.) D此 ing force coe fficIe n t [01'  c ^{1I 川 .}r

2 . 3  

浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式

前 節 で 示 し た よ うに⁷定 点 保 持 を 考 え る 上 で 考 慮 す べ き 外 乱 と し て 潮 流 と 風 に よ る 影 響 を 考 え1波 浪 に よ る 影 響 は 無 視 で き る も の と仮 定 す る 。 また?浮 体構 造 物 の定 点 保 持 に お い て は1サ ー ジ ン グ?ス ウ ェイ ン グ7 ヨ ー イ ン グ の 水 平 面 内 の 運動 に よ っ て 生 じ る 設 定 位 置 と 設 定 方 位 か らの 変 位 を 修 正 し7設 定 さ れ た 位 置 と 方 位 を 保 持 す る こ と が重 要 で あ る 。こ の 時7浮 体 構 造 物 の ヒ ー ビ ン グ1 ピyチ ン グ?ロ ー リ ン グ の 各 運 動 に よ って 生 じ る 水 平 面 内 の 変 位 は7サ ー ジ ン グ7ス ウ ェ イ ン グ?ヨ ー イ ン グ と いった 水 平 面 内 の 運 動 に よ って 生 じ る 変 位 と 比 較 し て 小 さ い も の と 考 え ら れ る 。従って7浮 体 構 造 物 は 00‑ XoYo平 面 内 を 運 動 す る も の と し ?浮 体 構 造 物 の 運 動 と し て サ ー ジ ン グ1ス ウ ェ イ ン グ¥ヨ ー イ ン グの 水 平面 内 の 運 動 の み を 考 え，2次 元 的 に 取 り 扱 う。以 上 の 仮 定 の 下 で7船 舶 の 操 縦 運 動 に お い て 通 常 使 用 さ れ る 運 動 方 程 式 に 基 づ い て】浮 体 構 造 物 の 重 心 回 り の 運 動 方 程 式 を 次 式 の よ う に 表 わ す。

こ こ で¹

(m

十

mx ) u  ‑ (m  +  ^{my)  v r  ‑(m} x  ‑my) 

V

c

^ア

s i n ( ゆ ‑α )

=  X 

1  (m  +  ^my)

心+

(m  +  ^m x )  ur ‑(my ‑m x ) 

Vc^ァ

c o s ( ゆ 一 α ) = 

Y _~

( 1 z z 

+ 

i z z) 7~

= 

N 

J 

( 2 . 6 )  

u

，

υ

，

r 浮 体 構 造 物 の 速 度 の x

，

y軸 方 向 成 分 お よ び重 心 ま わ りの 回 頭 角 速 度 ゆ : 浮 体 構 造 物jの 回 頭 角

m ， mx . ， my

浮 体 構 造 物 の 質 量 お よ び

x ， y

軸 方 向 の 付 加 質量

ι z

^パzz 浮 体 構 造 物 の z軸 ま わ り の 慣 性 モ ー メ ン ト お よ び 付 加 慣 性 モ ー メ ン ト

X

，

Y

，

N  浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 流 体 力 の x

，

y軸 方 向 成 分 お よ び

z軸 ま わ りの モ ー メ ン ト

( 2 . 6 )

式 の 右 辺 に お け る 流 体 力 に つ い て は⁷浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 外 力 と ス ラ ス タ ー が 発 生 す る 制 御 力 に 分 け て 次 の よ う に 表 わ す。

X 

= 

X +  I 

こ こ で1

X E ， Y E ， N E 

'ix

， 

^'iy

， 

^'iz 

x

， y

軸方 向 の 外 力 お よ び z軸 ま わ り の 外 力 に よ る モ ー メ ン ト ムU軸 方 向 の 制 御 力 お よ び z軸 ま わ り の 制 御 力 モ ー メ ン ト

さらに

，

x

， 

y軸 方 向 の 外 力 お よ び z軸 ま わ り の 外 力 に よ る モ ー メ ン ト

X E ^， Y E ^， 

^JV

E 

につ い て は?潮 流 に よ る 漂 流 力 と 風 圧 力 の 聞 に お け る 流 体 力 学 的 な 干渉 力 は 小 さ い と 考 え ら れ る の で1潮 流 に よ る 漂 流 力 と 風 圧 力 の 各 成 分 に 分 け て 次 式

の よ う に 表 わ す。

XE

^二

X c +X

W 1 

Y

E  = 

Y c  +  Yw 

> 

( 2 . 8 )  

N

_E 

N c + N

w J 

こ こ で1添 字 の C

，

W は 潮 流7風 の 項 を 表 わす。ま た7そ の 表 現 は そ れ ぞ れ

( 2 . 1 )

式，

( 2 . 3 )

式 に 示 し た よ う に7潮 流 の 流 速 と 流 向 お よ び 風 の 風 速 お よ び 風 向 の 関 数 と し て表 わ し 1運 動 の 変 化 に 対 応 し た 任 意 の 状 態 に お け る 外 力 を 考 慮 で き

る よ う に す る 。

2

.4  結 言

本 章 に お い て は1浮 体 構 造 物 に 作 用 す る 外 乱 の 特 性 に つ い て 検 討 を 行 な い 浮 体 構 造 物 の 運 動 へ 与 え る 影 響 に つ い て 検 討 を 行 な っ た 。 そ の 結 果 ? 浮 体 構 造 物 が 実 際 に 稼 働 す る 場 合 に 作 用 す る 外 乱 と し て は⁷潮 流⁷風 お よ び 波 浪 が 考 え ら れ る が ? 潮 流 に よ る 漂 流 力 の 影 響 が 大 き く ⁷ま た 浮 体 構 造 物 は 複 雑 な 形 状 の 上 部 構 造 を 有 し 風 圧 面 積 が 大 き い た め7風 に よ る 風 圧 力 も 考 慮 す る 必 要 が あ る こ と を 明 ら か に し た 。 こ れ に 対 し て⁷波 浪 の 影 響 に よ っ て 生 じ る 波 強 制 力 に つ い て は7そ の 影 響 に よ っ て 誘 起 さ れ る 浮 体 構 造 物 の 運 動 に よ っ て 生 じ る 設 定 位 置 か ら の 水 平 面 内 の 変 位 は 小 さ い も の と 考 え ら れ1ま た 定 常 力 と し て 作 用 す る 波 に よ る 漂 流 力 は 潮 流 に よ る 漂 流 力 に 比 べ て 小 さ い た めj浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 を 考 え る 上 で 影 響 が 小 さ い も の と し て 無 視 で き る こ と を 示 し た 。

さ ら に7以 上 の 外 乱 が 浮 体 構 造 物 の 運 動 に 与 え る 影 響 を 踏 ま え て1制 御 系 設 計 に 際 し て 基 礎 と な る 外 乱 下 に お け る 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 を 示 し た 。

第 3章 最 適 レ ギ ュ レ ー タ を 適 用 し た 定 点 保 持 の た め の 制 御 系

3 . 1  

緒 言

DPS

を 使 用 し て 定 点 保 持 を 行 な う た め の 制 御 系 と し て】現 在 は 浮 体 構 造 物 の サ ー ジ ン グ7ス ウ ェ イ ン グ?ヨ ー イ ン グ の 水 平 面 内 の 運 動 を そ れ ぞ れ独 立 し た

1

入 力

1

出 力 系 と し て 取 り 扱 う 古 典 制 御 理 論 の

PID

制 御 が 主 と し て適 用 さ れ て い る 。

DPS

に

PID

制 御 を 適 用 し た 例 と し て は⁷松 本 ら

[ 2 4 ]

，佐 伯 松 井 [ : 3

6 ]

の 研 究 が あ る 。 し か し な が ら?実 際 の 浮 体 構 造 物 の 運 動 は こ れ ら の三 つ の 運 動 が 連 成 し た 運 動 で あ る た め7互 い の 影 響 を 考 慮 し た 多 入 力 多 出 力 系 と し て 取 り 扱 う 必 要 が あ る 。こ の よ う な 観 点 か ら ，Tamehiroら [37]，赤 坂 ら [38]は 最 適 レ ギ ュ レ ー タ 理 論 を 使って 浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 の た め の

PID

型 の 制 御 系 の ゲ イ ン を 決 定 す る 方 法 を 示 し て い る 。ま た⁷作 業 船 や 特 殊 船 に 対 す る 針 路 保 持 や 定 点 保 持 の た め の 制 御 系 と し て 最 適 レ ギ ュ レ ー タ を 適 用 し た 研 究 もいく つ か 行 な わ れ て い る 。南 ・ 小 山 [39]は drillshipの 定 点 保 持 に 対 し て 最 適 レ ギ ュ

レ ー タ を 適 用 し】良 好 な 制 御 性 能 が 得 ら れ る こ と を 示 し て お り 1赤 坂 ら

[ 4 0 ]

，it花 崎 ら [41] は ケ ー ブ ル 敷 設 船 の 針 路 保 持 に 対 し て 最 適 レ ギ ュ レ ー タ を 適 用 し7そ の 有 効 性 を 示 し て い る 。 一 方?適 応 制 御 を 適 用 し た 研 究 が 飯 田

[ 4 2 ]

に よ って 行 な わ れ て い る 。飯 田 は

DPS

の 制 御 系 に 対 し て1オ ン ラ イ ン で 任 意 の 時 間 に お け る 数 学 モ デ ル の パ ラ メ ー タ を 決 定 す る 適 応 制 御 の セ ル フ ・ チ ュ ー ニ ン グ レ ギ ュ レ ー タ を 適 用 し た 方 法 を 示 し 】平水 中 に お い て は

PID

制 御 と 同 程 度 の 定点 保 持 性 能 が 期 待 で き る こ と を 示 し て い る が3外 乱 に よ る 影 響 は 考 慮 さ れ て い な い 。 ま た7適 応 制 御 の 場 合7各 時 間 に お け る ノマラ メ ー タ を 推 定 し 制 御 ゲ イ ン を 決 定 す る た め7外 乱 や 運 動 状 態 の 変 化 に 応 じ た 制 御 が で き j運 動 方 程 式 の 流 体 力 係 数 に 関 す る 知 識 が 不 要 と い う 利 点 、 が あ る 半 面¹ シ ス テ ム 自 体 が 複 雑 に な る と い う こ と が 考 え ら れ る 。こ の 他 lこ も 制 御 系 と し て ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク や フ ァ ジ ィ 制 御 等 の 適 用 が 考 え ら れ る が7ニ ュ ー ラ ル ネ ット ワ ー ク に つ いて は 学 習 の た め の ア ル ゴ リ ズ ム に よ って そ の 制 御 性 能 お よ び 学 習 速 度 が 大 き く 左 右 さ れ?ま た 入 出 力 の 関 係 が 複 雑 で あ りモ デ ル の 作 成 に 関 し て 自 由 度 が 大 き い た め3か え って 最 適 な 制 御 系 の 設 計 が 難 し く な る こ と が 考 え られ る 。ファジ ィ

制 御 系 に 関 し て は⁷ま ず 人 間 の 経 験 や 知 識 に 基 づ く 情 報 を 得 る こ と が 必 要 で あ り 1さ ら に こ の 情 報 を 推 論 の ア ル ゴ リ ズ ム に 組 み 込 む 過 程 に お い て 試 行 錯 誤 が 必 要 な た め?制 御 系 の 設 計 が 容 易 で は な い 。

従 っ て ? 本 章 に お い て は 前 章 に 示 し た 外 乱 と し て 作 用 す る 潮 流 と 風 の 影 響 下 に あ る 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 を 基 礎 と し て?浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 の た め の 制 御 系 に 連 成 運 動 の 影 響 を 考 慮 す る た め に 多 入 力 多 出 力 系 の 最 適 レ ギ ュ レ ー タ を 適 用 し た 制 御 系 を 提 案 す る 。ま た⁷従 来 主 と し て 用 い ら れ て い る

PID

制 御 と 比 較 す る こ と に よ っ て⁷そ の 定 点 保 持 性 能 に つ い て 検 討 を 行 な う 。 第 2節 に お い て は7最 適 レ ギ ュ レ ー タ を 浮 体 構 造 物 の 定 点 保 持 の た め の 制 御 系 に 適 用 す る た め の 準 備 と し て1第 2章 に お い て 示 し た 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 を 線 形 化 な ら び に 離 散 化 す る 方 法 を 示 し て い る 。

第 3節 に お い て は ? 線 形化 ? 離 散 化 を 行 な った 運 動 方 程 式 に 対 し て 最 適 レ ギ ュ レ ー タ 理 論 を 適 用 し 7最 適 な 制 御 力 を 求 め る 方 法 を 示 し て い る 。

第 4節 に お い て は7本 章 で 示 し た 制 御 系 を 適 用 し て 浮 体 構 造 物 の 定点 保 持 運 動 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 計 算 を 行 な し ¥， 従 来 主 と し て 適 用 さ れ て い る

PID

制 御 を 使 用 し た 場 合 の 浮 体 構 造 物 の 運 動 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 計 算 と の 比 較 に よ り 1制 御 系 の 定 点 保 持 性 能 に つ い て 検 討 を 行 な う 。

第 5節 は 本 章 で 得 ら れ た 結 果 を ま と め て い る 。

3 . 2  

運 動 方 程 式 の 線 形 化 な ら び に 離 散 化

第 2章 で 示 し た よ う に1外 乱 の 影 響 下 に あ る 浮 体 構 造 物 の 運 動 は 非 線 形 の 運 動 方 程 式 で 表 わ せ る が1制 御 系 の 設 計 に 際 し て は 運 動 方 程 式 を 線 形 化 す る と 同 時 に 離 散 化 す る 必 要 が あ る 。 定 点 保 持 を 行 な う 場 合 の 浮 体 構 造 物 の 運 動 は 設 定 さ れ た 位 置 と 方 位 の ま わ り に お け る 微 小 な 運 動 で あ る と 考 え ら れ る の で?本 節 に お い て は 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 の 線 形 化 を 行 な い?さ ら に 線 形 化

し た 運 動 方 程 式 の 離 散 化 を 行 な う。

( 2 . 6 )

式 で 表 わ さ れ る 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 を u

，

心3千 に つ い て 解 く と 次 式 の よ う に な る 。

u 

v 

γ 

̲ ，

1̲{ れ (m

川τ一

γ

^け

m 刊 η y 吋 ω 川

iyy)

川 ) げ V

♂川幻叩叫I け

m

十 行mxr ~

J

^作m刊

^JJL

^匂JJUj

^か

^J

^γ

⁽

⁽

^{ny一 げm叫ix}

^川

^r、'CO

^叫

^ωO

̲ 1  

‑ f N p   ⁺  L 1 

!zz 

+ 

ⁱzz 

l 

L J   .. ) 

さ ら に 土0，

Y o ， 

1/Jと 叫υ

， r ， 

1/Jの 聞 に は 次 の 関 係 が 成 り 立 つ 。 土。 uCOSψ‑V Sln ψ 1 

Y O

^二 υCOSψ+usin

ゆ 〉

ゆ = ア l

( 3 . 2 )  

以 上 の (3.1)式， (3.2)式 を あ わ せ て 得 ら れ る 6元 の 連 立一 次 微 分 方 程 式 の 線 形 化 を 行 な う。ま ず1制 御 力 の 項 を 除 い て ベ ク ト ル 表 示 す る 。

i 

= / 

( i )   ( 3 . 3 )  

ここで， /は

Z

が

Z

の 関 数 と し て 表 わ せ る こ と を 示 し

， i

の 成 分 は 次 の よ う に 表 わ せ る も の と す る 。

i  ‑

[Xl' X2

， 

X3

， 

X4

， 

XS

， 

X6]T 

=  [u

，

叫

' 1 ，

Xo

，

Yo

， ゆ ] T ^{( 3 . 4 )}  

ま た1外 乱 の 影 響 下 に お い て 運 動 し て い る 浮 体 構 造 物 を7空 間 固定 座 標 系 の 原 点 に お い て 定 点 保 持 さ せ る こ と を 目標 と し て 制 御 を 行 な う もの と し1制 御 の

5

^二 [α1

，

α2

，

α3

，

α4

，

α5

，

α

6 ] T

目 標 点 を

3

と し て 次 の よ う に 表 わ す。

‑ [ O ， O ， O ， O ， O ， O ] T  ( 3 . 5 )  

こ こ で³制 御 の 目 標 点 か ら の 変 位 ム 引 を 新 し い 未 知 数 と し て 導 入 し ? 目 標 点 ま わ り の 系 の 挙 動 を 考 え る 。

Xi二 αz

十ム

Xi

( i =1 72776 )  ( 3 . 6 )   ( 3 . 6 )

式 を

( 3 . 3 )

式 に 代 入 し ⁷ム 引 に 関 し て

T a y l o r

展 開 す る と ⁷次 の 関 係 式 が 得 ら れる。

ム土1

?̲̲a

五( a )  

日 )+27rh+Rz

R  + 

J R  

Z 

ム +

↓

α

一1 月/l

¥

‑ 2 . 八

﹂

fa uu lτ oy  

nd 一 向

6 Z

同

6 Z

一同

( i =1 ?2176 )  ( 3 . 7 )  

た だ ー し

α

a λ ( a )  

一 り

θ

X

J

( 3 . 8 )  

こ こ で^{7R t}は ムXiに 関 す る 2次 以 上 の 高 次 の 項 で あ り ⁷そ の 影 響 は 小 さ い と 考 え ら れ る の で1こ れ ら を 無 視 す る と ムXiに 関 し て 次 の よ う に 書 く こ と が で き る 。

ム土i

ニ ヱ

^αtJムXJ

( i =1 127?6 )  ( 3 . 9 )  

また1告^J:I御 力 を 次 の よ う に ベ ク ト ル 表 示 す る 。

1 T 

￨ 九 九 九 ￨ U 

=  l m  + 

^mX' 

m ↓ ^my7ι z+ ら ~J

︑︑a︐ ︐ ノハU114  qJ 〆︐︐aE︑︑

以 上 の 関 係 を 用 い る と ₁最終 的 に 制 御 の 目 標 点 の ま わ り で 線 形 化 さ れ た 浮 体 構 造 物 の 運 動 方 程 式 は 次 の よ う に 表 わ さ れ る 。

x=  A x+  B i 1  

^︑ノ^︑︐EE

句E

‑ ‑ よ i

qJ 〆

' a ︐ ︑