SUPERVISOR
Mohammad Danesh,Mehdi Keshmiri,Mohsen Mojiri foroshani
محمد دانش (استاد راهنما) مهدی کشمیری (استاد راهنما) محسن مجیری فروشانی (استاد مشاور)
STUDENT
Mehdi Loueipour
مهدی لوئی پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
A New Approach in Wave Filtering and Disturbance Estimation in Dynamic Positioning of Marine Crafts
In the past decade by the development of offshore exploration and exploitation, especially in deepwater, usage, development and optimization of marine craft dynamic positioning (DP) systems have been grown. Filtering and state estimation are the most important issues in designing DP systems. Position and heading measurements are often affected by oscillatory signal due to environmental disturbances such as wind, wave and ocean current as well as sensor noise. Using these measurements directly in control loop causes unacceptable operational function, mechanical wear and tear of the propulsion system components, and extra fuel consumption. Therefore, it is required to extract the oscillatory motion from the total position measurement (called wave filtering). In addition, in many operations such as DP, only control of the low frequency (LF) motion is required. In most cases, velocities of the vessel and values of disturbances are not available and they should be estimated. On the other hand, estimation of these variables from noisy measurements is not desirable. In this thesis, a new approach is presented for wave filtering and state estimation in regulation and dynamic positioning of marine crafts. In this approach, LF and wave frequency (WF) motion components, LF disturbance forces, and vessels velocities are estimated from the measured position signals. Structure of the proposed approach is composed of a filter stage and a nonlinear estimator that are connected in series. The main feature of the proposed approach is that filtering and estimation of LF motions are signal-based and independent from estimation of the LF disturbances and velocities, hence, they are not affected by models uncertainties. Based on the proposed approach, three filter-observer structures including notch filter-observer (NFO), modified notch filter-observer1 (MFO1) and modified notch filter-observer2 (MFO2) are introduced. In each structure, the governing equations are presented and filter stability, observer stability and stability of structures are proven. In practice, the sea state is changing which causes variation of the fundamental frequency of wave and consequently variation of the peak frequency of oscillatory motion of the vessel. Hence, the proposed structures are furnished with an estimation law of fundamental frequency of WF vessel motion that improves their performances considerably and adjusts to actual conditions in operation. Two adaptive structures including adaptive modified notch filter-observer1 (AMFO1) and adaptive modified notch filter-observer2 (AMFO2) are proposed. Several computer simulations using MATLAB/Simulink environment are provided to evaluate performance of the proposed structures. Simulations illustrate the desirable performance of the proposed structures, the efficacy of modifications and their comparison with the conventional approach. Furthermore, the proposed MFO2 was used in the conventional DP control system to evaluate performance of the proposed approach in the control loop. The effect of wave filtering and LF disturbances estimation in DP control system from the point of reducing control signal fluctuations are evaluated by some numerical simulations. This is important in view of reduction of wear and tear in propulsion system and fuel consumption. Simulation results show that using the proposed approach in DP control system leads to better performance in comparison with the conventional method. Keywords: Wave filtering, Disturbance estimation, Dynamic Positioning, Notch filter, Nonlinera observer, Marine craft.
در یک دهه اخیر با توسعه اکتشافات و استخراج منابع در بستر دریاها به خصوص در اعماق زیاد، استفاده، توسعه و بهینهسازی سامانههای تثبیت موقعیت دینامیکی شناورهای دریایی رشد قابل توجهی داشته است. فیلترینگ و تخمین سرعت و اختلالهای محیطی، نقش مهمی در طراحی سامانههای تثبیت موقعیت دینامیکی ایفا میکند. اندازهگیری موقعیت و وضعیت در شناورهای دریایی همواره تحت تاثیر نیروهای نوسانی ناشی از اختلالهای محیطی مانند باد، موج و جریانهای دریایی قرار میگیرد. اعمال مستقیم این اندازهگیریها در حلقه کنترل باعث ایجاد عملکرد نامطلوب سیستم کنترل شناور، خرابی و سایش سیستم پیشرانش و همچنین افزایش قابل توجه انرژی مصرفی میشود. بنابراین لازم است سیگنالهای نوسانی از موقعیت اندازهگیری شده حذف شود و یا به حداقل کاهش یابد. علاوه بر این، در بسیاری از کاربردها مانند تثبیت موقعیت دینامیکی، فقط کنترل حرکت فرکانس پایین شناور مدنظر است، لذا لازم است سیگنال حرکت فرکانس پایین شناور مشخص گردد. از طرف دیگر اندازهگیری اختلالهای محیطی و سرعت شناور در بسیاری از موارد غیرممکن بوده و یا نیاز به ابزار گرانقیمت دارد. این در حالی است که تخمین این متغیرها با استفاده از یک سیگنال نویزی نیز مطلوب نیست. در این رساله یک رویکرد جدید در فیلترینگ و تخمین اختلال و سرعت شناورهای دریایی در کاربرد تثبیت موقعیت دینامیکی ارائه شده است. این رویکرد شامل یک ساختار ترکیبی از یک فیلتر و یک مشاهدهگر غیرخطی است که به صورت سری به هم متصل شدهاند. وظیفه بخش فیلتر، تخمین حرکت فرکانس پایین و حذف حرکت فرکانس موج شناور با استفاده از سیگنال موقعیت است. اختلال فرکانس پایین و سرعت شناور توسط مشاهدهگر غیرخطی و با استفاده از حرکت فرکانس پایین شناور تخمینزده میشود. مستقل بودن فیلتر از مشاهدهگر باعث افزایش کیفیت و دقت در تخمین حرکت فرکانس پایین، اختلال و سرعت شناور میشود که به نوبه خود باعث افزایش کیفیت عملکرد سیستم کنترل تثبیت موقعیت دینامیک میگردد. علاوه بر این، فیلترینگ و تخمین حرکت فرکانس پایین مبتنی بر سیگنال بوده و مستقل از مدلهای شناور و اختلال فرکانس پایین است و لذا نسبت به نامعینیهای مدل مقاوم است. سادگی ساختار و ماژولار بودن آن، باعث سهولت توسعه آن میشود. در قالب رویکرد پیشنهادی، سه ساختار فیلتر-مشاهدهگر معرفی شده است. در هر ساختار، معادلات حاکم ارائه شده و پایداری فیلتر، مشاهدهگر غیرخطی و پایداری ساختار اثبات شده است و شرایط لازم در انتخاب ضرایب بهره ارائه شده است. با انجام شبیهسازیهای متعدد در شرایط مختلف و همچنین استفاده از دادههای واقعی موج، عملکرد و قابلیتهای هر یک از ساختارها بررسی شده و نتایج با روش شناختهشده و متداول مقایسه شده است. با توجه به تغییر حالت دریا در حین عملیات و لزوم تنظیم فیلترینگ و تخمین حالت با شرایط جدید، با اضافه کردن یک مکانیزم تخمین فرکانس به ساختارهای قبلی، دو ساختار وفقی معرفی شده است. در این ساختارها، فرکانس موج به صورت بر خط و با استفاده از سیگنال حرکت شناور تخمین زده میشود. در انتها، بر مبنای رویکرد جدید، ساختار متداول در طراحی سامانه کنترل تثبیت موقعیت دینامیکی شناورهای دریایی اصلاح شده است. با انتخاب یک کنترلکننده متداول در سامانه تثبیت موقعیت دینامیکی و با انجام شبیهسازی عددی، ابتدا اهمیت و تاثیر فیلترینگ موج و تخمین اختلال فرکانس پایین بر کاهش نوسانات سیگنال کنترل بررسی شده است و در ادامه عملکرد سامانه کنترل پیشنهادی با عملکرد روش متداول مقایسه شده و صحت و برتری عملکرد آن نشان داده شده است. کلمات کلیدی : فیلترینگ موج، تخمین اختلال، تثبیت موقعیت دینامیکی، فیلتر شکافدار، مشاهدهگر غیرخطی، شناورهای دریایی