Posicionamiento dinámico de cajones flotantes en obras marítimas

Abstract

En la actualidad, se emplean cajones flotantes de hormigón para la construcción de obras marítimas. Las operaciones necesarias para el posicionamiento dinámico de los mismos, se realiza a través del control directo de los cabestrantes por parte de operarios especializados. Estas operaciones manuales conllevan un riesgo inherente. Por tanto, la automatización de estos procesos tiene como objetivo disminuir los riesgos, que se presentan debido a la complejidad de la dinámica que interviene durante el proceso de navegación y posteriores maniobras de hundimiento. Además, la automatización ampliaría las ventanas operativas en las que se podrían realizar estas operaciones y que están condicionadas por las perturbaciones climatológicas presentes debido al entorno marino. En el presente trabajo se expone la investigación llevada a cabo con el objetivo de realizar el posicionamiento dinámico de los cajones flotantes por medio de controladores autónomos. La estructura del presente documento es la siguiente: En primer lugar, se han expuesto las principales características, la problemática de operar con cajones flotantes así como la importancia de automatizar los procesos de posicionamiento dinámico, destinado a la colocación de los mismos para construir obras marítimas. A continuación, se presenta los hitos más destacados del estado del conocimiento relativo al empleo de los cajones flotantes para construir estructuras y a los sistemas de control, desde controles básicos a sistemas de control avanzado, que actualmente y en el pasado, se han aplicado a otro tipo de vehículos marinos. Cabe destacar la ausencia de aportaciones significativas al estado del conocimiento, en lo referente al posicionamiento dinámico de este tipo de estructuras, hasta las publicadas a partir de los trabajos realizados en el desarrollo de la presente tesis. Tras esto, se han estudiado las principales características de los modelos del cajón entregados por el Instituto de Hidráulica Ambiental "IH Cantabria". En dicho estudio se determina cual es la respuesta del modelo a partir de unas señales establecidas de entrada. Se ha obtenido información sobre el comportamiento dinámico del cajón, para posteriormente poder establecer los sistemas de control adecuados. Además, se ha estudiado el modelo no lineal y se ha realizado una aproximación lineal del modelo para cada calado, que como se determina, es válido para ser empleado en las simulaciones realizadas con los diferentes algoritmos de control empleados. Además, se han presentado los modelos de la asignación de control en las lineas y el modelo de los actuadores del sistema, que son necesarios para el correcto posicionamiento dinámico de los cajones. Por otra parte, se han estudiado los diferentes espectros de olas, los efectos de los términos de primer y segundo orden que provocan las olas y los métodos para realizar la modelización de las mismas. Cabe destacar, que se han presentado métodos de filtrado de Kalman y su evolución para sistemas no lineales correspondiente a "Uscented Kalman Filter" (UKF) debido a la necesidad de aplicar filtros no lineales cuando se emplea el modelo no lineal de cajón flotante. Se han presentado diversos algoritmos de control, a partir de los cuales, se han propuesto diversos controladores del posicionamiento dinámico del cajón. En primer lugar, se ha propuesto un controlador de doble lazo clásico con un filtro UKF "DLUKF". En dicho controlador, se ha empleado para modelizar la dinámica real del sistema el modelo no lineal de los cajones flotantes. Posteriormente, se han presentado otras técnicas de control en los que se ha empleado la aproximación lineal del modelo del cajón, que como se ha explicado en el capítulo 2, representa de forma fidedigna la dinámica real del sistema durante las operaciones a realizar. Estos controladores han sido: un controlador clásico de doble lazo con una red de avance y una acción integral junto con un filtro de primer orden "DLFPO", un controlador de doble lazo con un controlador lineal cuadrático Gaussiano (LQG) junto con una acción proporcional e integral y un filtro Kalman "DLLQG", un controlador "GSMPC" junto a una acción integral y un filtro Kalman y por último se ha desarrollado un control adaptativo L1. Todas las simulaciones han sido realizadas en presencia de las perturbaciones correspondientes a las olas, el ruido del modelo y de los sensores. Tras esto, se ha realizado una comparativa entre los diferentes resultados obtenidos de cada uno de los controladores propuestos. Una vez seleccionados los dos mejores se ha realizado un estudio estadístico de Montecarlo comparando la respuesta de cada uno de ellos y la obtenida en el controlador de peor comportamiento. Por último, se ha incorporado al sistema las perturbaciones correspondientes al viento. Se ha procedido al estudio de los resultados que han arrojado los controladores GSMPC, LQG y adaptativo L1 ante estos escenarios de simulación.