Minimization of Energy Consumption of Ships in Following Seas Using Extremum Seeking Control

Abstract

Denne oppgaven tar sikte på å undersøke kontrollmetoder for å redusere energiforbruket til skip i følgende sjø på en rimelig og gjennomførbar måte. I dag krever mange metoder mye modellering for å bli implementert, som for eksempel "Model Predictive Control" (MPC). Modellering er ikke bare kostbart, men også tidskrevende prosess. Dette motiverer forskere til å lete etter billige metoder som er raske å implementere. En metode som har dette potensialet kalles Extremum Seeking Control (ESC). ESC er en metode for å finne optimal ytelse bare basert på målinger i sanntid og pertuberinger av det fysiske systemet, i dette tilfellet fartøyet, for å estimere sammenhengen mellom endringer i ytelsen relatert til endringene i parametre, også kalt gradienter. Det har ikke vært mange studier av bruken av Extremum Seeking Control for skip, derfor vil oppgaven fokusere på implementering av Extremum Seeking-kontrollere for generelle ikke-lineære ordinære differensialligninger. \\

En simulator av skipet "Eidsvaag Pioneer" ble laget og inkluderer en rormodell, propellmodell, skipsdynamikkmodell og modellering av miljøkreftene. Dette ble gjort ved bruk av Marine System Simulator-miljøet i MATLAB / SIMULINK. To ESC-kontrollere ble testet, begge forstyrrer kursen og holdt hastigheten konstant ved bruk av en PI-hastighetskontroller.

This thesis aims to investigate control methods for reducing energy consumption of ships in following seas in an affordable and feasible way. Nowadays, many methods require a lot of modelling to be implemented, for instance, Model predictive control (MPC). Modelling is not only expensive but also time demanding process. This motivates researchers to look for inexpensive methods that are fast to implement. A method that has this potential is called Extremum Seeking Control (ESC). ESC is a method to find optimum performance only based on real time measurements and perturbations on the plant, in this case the vessel, to estimate the relation between changes in the performance related to the changes in plant parameters. There have not been many studies of the use of Extremum Seeking Control for ships, therefore, the thesis will focus on implementation the of Extremum Seeking controllers for general non-linear ordinary differential equations.\\

A simulator of the ship "Eidsvaag Pioneer" was made and including a rudder model, propeller model, ship dynamics-model and modelling of the environmental forces. This was done using the Marine System Simulator-environment in MATLAB/SIMULINK. Two ESC-controllers were tested, both perturbing heading and keeping the speed constant by use of a PI speed controller.