POSICIONAMENTO DINÂMICO DE ... LUCAS CUNHA ALEIXO POSICIONAMENTO DINÂMICO DE EMBARCAÇÕES DESTINADAS

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO CENTRO TECNOLGICO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA PROJETO DE GRADUAO

LUCAS CUNHA ALEIXO

POSICIONAMENTO DINMICO DE EMBARCAES DESTINADAS AO APOIO MARTIMO EM ALTO MAR

UTILIZANDO CONTROLE NEBULOSO

VITRIA ES JUN/2009

LUCAS CUNHA ALEIXO

POSICIONAMENTO DINMICO DE EMBARCAES DESTINADAS AO APOIO MARTIMO EM ALTO MAR

UTILIZANDO CONTROLE NEBULOSO

Parte manuscrita do Projeto de Graduao do aluno Lucas Cunha Aleixo, apresentado ao Departamento de Engenharia Mecnica do Centro Tecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, para obteno do grau de Engenheiro Mecnico.

VITRIA ES JUN/2009

LUCAS CUNHA ALEIXO

POSICIONAMENTO DINMICO DE EMBARCAES DESTINADAS AO APOIO MARTIMO EM ALTO MAR

UTILIZANDO CONTROLE NEBULOSO

COMISSO EXAMINADORA:

______________________________________ Prof. Dr. Mrcio Coelho de Mattos - Orientador

______________________________________ Prof. xxx

______________________________________ Prof. xxx

Vitria - ES, 19, junho, 2009

i

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente a Deus, aos meus pais Joo Batista Aleixo e Zenilvia

Cunha Aleixo por todo o suporte durante minha graduao, aos meus irmos David

e Daniel e em especial ao meu irmo Thiago da Cunha Aleixo que me ajudou a

entender melhor o funcionamento da indstria destinada ao apoio martimo.

Ao meu orientador Mrcio Coelho de Mattos e ao professor Rafael Lus Teixeira, que

sempre se mostraram prestativos, compreensivos e pacientes com as eventuais

dvidas.

A Agncia Nacional de Petrleo, Gs e Biocombustiveis (ANP) e ao PRH-29 que

muito colaboraram com o apoio financeiro e pela oportunidade de ter cursado a

nfase em petrleo e gs.

Aos professores do Departamento de Engenharia Mecnica do Centro Tecnolgico

da Universidade Federal do Esprito Santo que passaram seus ensinamentos para o

enriquecimento do nosso conhecimento e estarmos agora concluindo mais uma

etapa de nossas vidas.

ii

RESUMO

Este trabalho de concluso de curso estuda duas tcnicas de controle, um nebuloso

(fuzzy control) e outro proporcional integral derivativo (PID) aplicado a um Sistema

de Posicionamento Dinmico (SPD) de uma embarcao destinada ao apoio

martimo. Um SPD empregado principalmente em operaes martimas de apoio

s plataformas semi-submersveis de explorao e prospeco de petrleo em

guas profundas e ultra-profundas. Neste sistema, a embarcao possui propulsores

instalados no casco, que so acionados sempre que a embarcao se desloca de

seu ponto de referncia. Primeiro feito o estudo e a modelagem matemtica da

dinmica da embarcao, do carregamento ambiental (correnteza e vento) e dos

propulsores que atuam sobre ela. Ento desenvolvido um simulador numrico

utilizando o MATLAB e o SIMULINK, no domnio do tempo, para dois graus de

liberdades do navio (deriva e avano). Finalmente so apresentados e analisados os

resultados obtidos por estes controladores.

Palavras Chaves Sistema de Posicionamento Dinmico, Controle Nebuloso,

Simulador Numrico.

iii

ABSTRACT

This graduation monograph study two techniques of control, a fuzzy control and

another Proportional Integral Derivative (PID) applied to a Dynamic Positioning

System (DPS) of a vessel destined to the maritime support. A DPS is mainly applied

in offshore Exploration & Production (E&P) activities in deep and ultra deep water. In

DPS, the vessel has thrusters at the hull and these thrusters are activated when the

vessel displaces from the reference position. First, a study about mathematical

modeling and this study includes the vessel hydrodynamics, the forces of the

environmental loads (current and wind) and thrusters that act on the vessel. Then, a

numerical simulator is developed using MATLAB and SIMULINK in the time domain

with two degree of freedom (surge and sway) of the vessel. Finally they are

presented and analyzed the results gotten for these controllers.

Key Words Dynamic Positioning System, Fuzzy Control, Numeric Simulator.

iv

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Produo total de petrleo no Brasil (em bep). Fonte: ANP.................13

Figura 2 Produo total de gs natural no Brasil (em bep). Fonte: ANP............13

Figura 3 Camada de pr-sal localizada em Tupi. Fonte: PETROBRS.............14

Figura 4 Estimativa da produo de petrleo no pr-sal Petrobrs e

parceiros (mil bpd). Fonte: Petrobrs...................................................15

Figura 5 Embarcaes destinadas ao apoio martimo. Fonte: Maersk Supply

Service. ................................................................................................16

Figura 6 Embarcao de manuseio de espias. Fonte: Laborde Servios

Martimos. ............................................................................................18

Figura 7 Supridor. Fonte: Viking Energy. ...........................................................18

Figura 8 Supridor de apoio as plataformas. Fonte: Maersk Supply Service. ......19

Figura 9 AHTS realizando uma operao numa plataforma. Fonte:

PETROBRS. ......................................................................................19

Figura 10 Embarcao destinada ao apoio a mergulho. Fonte: Naven Ltd..........20

Figura 11 Navio de lanamento de linhas. Fonte: Origin Energy. ........................20

Figura 12 Navio de estimulao de poos de petrleo. Fonte: Marine Group......21

Figura 13 Navio de pesquisa ssimca. Ilustrao de Bruce A. Alderson. .............21

Figura 14 Maersk Helper. Fonte: Maersk Supply Service. ...................................22

Figura 15 Movimentos e foras de uma embarcao. Fonte: Konsberg

Maritime AS modificado. ......................................................................23

Figura 16 Principais elementos de um sistema de posicionamento dinmico.

Fonte: Konsberg Maritime AS. Modificado ...........................................25

v

Figura 17 Diagrama de blocos do SPD. ...............................................................26

Figura 18 Sinais acsticos abaixo do nvel do mar. Fonte: Konsberg Maritime

SA. .......................................................................................................27

Figura 19 Diagrama de blocos de um controlador PID.........................................28

Figura 20 Funes de pertinncia: (a) Caso exato e (b) Caso nebuloso.

Fonte: SALVADOR (2007). ..................................................................30

Figura 21 Estrutura de um controlador nebuloso. ................................................31

Figura 22 Exemplo de varivel lingstica (YAMAMOTO, 2005). .........................32

Figura 23 Exemplo de defuzzificao. Fonte: SALVADOR (2007).......................34

Figura 24 Coeficiente de arrasto para partes contendo superfcies planas.

Fonte: API. ...........................................................................................37

Figura 25 Esquema simplificado das equaes do controlador. ..........................40

Figura 26 Funo de pertinncia da posio .......................................................42

Figura 27 Funo de pertinncia da velocidade...................................................43

Figura 28 Funo de pertinncia do empuxo .......................................................44

Figura 29 Funo de pertinncia da correnteza...................................................45

Figura 30 Funo de pertinncia do vento ...........................................................46

Figura 31 Escala Beaufort. ...................................................................................49

Figura 32 Condies ambientais para a primeira simulao................................50

Figura 33 Velocidade da embarcao para a primeira simulao........................51

Figura 34 Deslocamento da embarcao para a primeira simulao...................52

Figura 35 Condies ambientais para a segunda simulao. ..............................53

vi

Figura 36 Velocidade da embarcao para a segunda simulao. ......................53

Figura 37 Deslocamento da embarcao para a segunda simulao..................54

Figura 38 Condies ambientais para a terceira simulao.................................55

Figura 39 Velocidade da embarcao para a terceira simulao.........................55

Figura 40 Deslocamento da embarcao para a terceira simulao......................56

Figura 41 Condies ambientais para a quarta simulao...................................57

Figura 42 Velocidade da embarcao para a quarta simulao...........................57

Figura 43 Deslocamento da embarcao para a quarta simulao. ....................58

Figura 44 Condies ambientais para a quinta simulao. ..................................59

Figura 45 Velocidade da embarcao para a quinta simulao. ..........................60

Figura 46 Deslocamento da embarcao para a quinta simulao......................60

Figura 47 Condies ambientais para a sexta simulao. ...................................61

Figura 48