| dc.description.abstract | Denne masteroppgaven presenterer alternative metoder for bølgelastkompensasjon i dynamiske posisjonering (DP) av marine fartøy, der stabile og robuste konvensjonelle kontrollere med tilbakekopling vanligvis brukes. Slike tilbakekoplinger kompenserer saktevarierende andreordens bølgebelaster gjennom integralvirkning. Problemet er at disse mekanismene er gjenstand for endringer, forårsaket av lavfrekvente (og muligigens mellom-frekvente) bidrag, som tvinger fram et posisjonsavvik. I tillegg krever mekanismer med slik tilbakekopling at slike avvik induseres før kontrollsystemet kan mobilisere motkrefter. Dette gjør kontrollsystemet mindre reaktivt overfor forstyrrelser. Derfor har denne oppgaven som mål å finne bedre strategier for å eliminere forskyvninger på grunn av sakte varierende andreordens bølgelaster.
Det er utført en bakgrunnsstudie og litteratur-gjennomgang, for å få grunnleggende kunnskap om relevante tema; det vil si hydrodynamisk teori som angår bølgemodeller og laster, sjøtilstandsestimering, relevante instrumenter for sjøtilstandsestimering, kontrollsystemer for DP generelt, og informasjon om C/S Arctic Drillship i MC-Lab.
For å teste ulike kontrollstrategier er det utviklet og implementert en naturtro simulator i seks frihetsgrader, som også gir realistiske sensormålinger og bølgelaster. Simulatoren er basert på parametere fra det fysiske modellfartøyet C/S Arctic Drillship, slik at de implementerte kontrollsystemene kan testes direkte på det fysiske modellfartøyet i MC-Lab. Sistnevnte har imidlertid ikke blitt utført på grunn av ytre faktorer.
Fem kontrollstrategier er presentert, deriblandt et DP-observer estimat som feedforward kompensasjon, direkte integral virkning i en PID kontroller, akselerasjons-feedforward kompensasjon, adaptiv kontroll ved bruk av et intern modell prinsipp, samt en spektrum-basert metode. De to første ble betraktet som konvensjonelle kontrollere med tilbakkompling, og ble brukt til å sammenligne ytelsen mot de andre utviklede metodene.
Det ble gjort en analyse av metodene, basert på resultater simulatoren. For å sammenligne resultatene så rettferdig som mulig, ble det brukt mye tid på å tune kontrollerne. Følgelig ble bare jag-retningen godt nok justert til å være en del av analysen. Ytelsen ble evaluert og sammenlignet basert på to indikatorer; hvor god posisjoneringen var og hvor mye arbeidskraft som kreves.
Resultatene viste at den adaptive metoden, ved bruk av den interne modellen, var i stand til å motvirke andre ordens bølgelaster i et langsiktig perspektiv, mens tilpasningen på kort sikt ikke var i stand til å matche de konvensjonelle kontrollerene. Den totale arbeidsytelsen var betydelig høyere enn de konvensjonelle kontrollerne på både lang og kort sikt. Akselerasjon-tilbakekoplingen viste seg å være den generelt beste både på lang og kort sikt, ved å gi en aggressiv respons på alle akselerasjoner. Imidlertid egnet metoden seg dårlig til å motvirke gjennomsnittlige bølgedriftlaster, da disse ikke induserer akselerasjoner. I tillegg viste sistnevnte metode tendenser til å være sensitiv mot usikkerhet i målinger. Til slutt ble den spektrum-baserte metoden implementert. Den benyttet et bølgespektrum-estimat for å kompensere gjennomsnittlige bølgedriftlaster. Algoritmen var imidlertid for tidkrevende for kontrollsystemet, men alternativer for å løse problemet ble diskutert.
Tatt i betraktning at kun jag-retning ble analysert, er det grunn til å tro at det finnes bedre strategier for kompensasjon av bølgelaster, enn de konvensjonelle tilbakekoblings-mekanismene. | |
| dc.description.abstract | This master thesis presents alternative methods for wave load compensation in dynamic positioning (DP) operations, where stable and robust conventional feedback DP controllers typically are used. Such DP feedback control laws, compensates slowly-varying second order wave loads through the integral action. The problem is that these mechanisms are subject to changes caused by low-frequency (and possible mid-frequency) contributions, which are forcing an offset in DP stationkeeping accuracy. In addition, feedback mechanisms requires such offsets to be induced before the control law can mobilize any counteractions, making the control system less reactive to disturbances. Therefore, this thesis aims to find better strategies for eliminating offsets due to slowly varying second order wave loads.
A background study and literature review have been performed, in order to gain fundamental knowledge on relevant topics; that is, hydrodynamical theory in terms of wave models and loads, sea state estimation, relevant instruments for wave load estimation, DP control systems in general, and information on C/S Arctic Drillship in the Marine Cybernetics Laboratory.
In order to test different control strategies, a high-fidelity simulator in six degrees of freedom have been developed and implemented, such that relevant sensor measurements and wave loads are provided. The simulator is based on parameters from the physical model vessel C/S Arctic Drillship, such that the implemented control systems can be tested directly on the physical model vessel in MC-Lab. However, the latter have not been performed due to external factors.
Five control strategies have been presented, including a DP-observer estimate as feedforward compensation, direct integral action in DP PID-control, acceleration feedforward compensation, adaptive control using the internal model principle, and a spectrum-based method. The two first were considered as conventional DP feedback controllers, and were used as baseline to compare the effectiveness against the other developed methods.
A performance analysis was submitted, based on results from the control systems applied to the high-fidelity simulator. In order to compare the results as fairly as possible, much time was put into tuning the control laws. Consequently, only surge direction was tuned properly enough to be part of the analysis. The performance was evaluated and compared based on key performance indicators, in terms of positioning performance and thrust effort.
Results showed that the adaptive control method, using the internal model principle, was able to counteract the second order wave loads well in a long term perspective, while on a short term, the adaption was unable to match the conventional controllers, and the overall thrust effort was significantly higher than the conventional feedback controllers. The acceleration feedforward held, in general, the best performance in both a long term and short term period, by providing an aggressive response to all accelerations. However, mean-drift loads were not successfully compensated, since these lead to zero acceleration. Moreover, the latter method showed tendencies to be sensitive towards uncertain measurements. Finally, a spectrum based method, utilizing a wave spectrum estimate to compensate mean-drift loads, was implemented. However, the algorithm was too time-consuming for the control system, but alternatives to overcome the issue were discussed.
Taken into consideration that only surge direction was analyzed, there are reasons to believe that there exists better strategies for wave load compensation, than the conventional feedback mechanisms. | |
