Thrust Allocation for Jet Driven Surface Vessels

• Main Author: Nyberg, Ludwig
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Mekatronik 2020
• Subjects: Vehicle Engineering; Farkostteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-271905

Dynamic positioning systems have been under development since the first implementation in the early 1960s. The purpose of a dynamic position system is to allow for automatic positioning of a vessel when circumstances do not allow for mooring or anchoring. Historically the development has been driven forward by the offshore industry, while in recent years such systems have been found useful in other parts of the maritime industry as well. However, very few options exist today for jet driven vessels. One of the main parts of a dynamic positioning system is the control allocation. The purpose of this part is to allocate desired actuation to available actuators. It is often desirable to do this while considering a secondary objective, often energy consumption. One allocation algorithm option is direct allocation, which is considered to be quite a basic solution. More advanced options exist in the literature but implementations of them are still uncommon. An example of a more advanced option, allowing for better tuning, is using model-based allocators. Formulating the allocation problem as a linear quadratic problem and using a linear quadratic regulator is one viable option that has been proven to work well for non-jet driven vessels. A general vessel model is developed and used for simulating and testing different allocators. Furthermore, a method for transforming the allocated actuation into parameters that can control the jet engine is also proposed. This is a necessary step in order to be able to implement the allocation onto a vessel. Comparing the allocation options based on step responses with and without disturbances shows that the linear quadratic regulator preforms better than the direct allocator in almost every way. However, the main drawback of model-based controllers is the needed knowledge about the system. This is something that is not required for the direct allocator and is worth taking into account. === Dynamiska positioneringssystem har vart under utveckling sedan den första implementeringen i början av 1960-talet. Syftet med ett dynamiskt positioneringssystem är att möjliggöra automatisk positionering av ett fartyg när omständigheterna inte tillåter förtöjning eller förankring. Historiskt har utvecklingen drivits framåt av behovet inom offshoreindustrin, men under senare år har systemen visat sig vara användbara även i andra delar av den marina industrin. Idag finns dock få alternativ anpassade för jetdrivna fartyg. En av huvuddelarna i ett dynamiskt positioneringssystem är kraftallokering. Syftet med denna del är att fördela önskad styrkraft till tillgängliga ställdon. Ofta är det önskvärt att göra detta samtidigt som ett sekundärt mål tas hänsyn till, vanligtvis energiförbrukning. Ett alternativ för kraftallokering är en direkt allokeringsalgoritm, detta är en ganska enkel algoritm. Mer avancerade alternativ finns i litteraturen, men implementerade exempel är fortfarande ovanliga. Ett exempel på ett mer avancerat alternativ, som möjliggör bättre anpassning, är att använda modellbaserade algoritmer. Att formulera allokeringsproblemet som ett linjärt kvadratiskt problem och använda en linjär kvadratisk regulator är ett alternativ som har visat sig fungera bra för icke jetdrivna fartyg. En generell fartygsmodell utvecklas och anvnnds för att simulera och testa de olika allokeringsalgoritmerna. Vidare föreslås en metod för att omvandla den allokerade styrkraften till parametrar som kan styra jetmotorerna. Detta är ett nödvändigt steg för att, i slutändan, kunna implementera styrkrafterna på ett riktigt fartyg. En jämförelse av allokeringsalgoritmer baserade på stegsvar med och utan störningar visar att den linjära kvadratiska regulatorn hanterar de uppsatta testfallen bättre än den direkta allokeraren. Däremot dras den modellbaserade algoritmen med det problemet att omfattande kunskapen krävs angående systemets dynamik. Detta är något som inte krävs för direktallokeraren och är värt att ta hänsyn till.