Faglig innhold

Emnet vil gi innsikt og kunnskap til å analysere, utvikle, og teste avanserte marine reguleringssystemer. Det vil dekke matematisk modellbasert design av robuste ulineære regulator- og observeralgoritmer anvendelege for automatisk styring av skip, undervannsfarkoster, marine strukturer, maskineri- og propulsjonssystemer, og andre maritime applikasjoner. Kurset er basert på forelesninger, teoretiske og simuleringsbaserte øvinger, og eit prosjekt på praktiske marine anvendelser - Dynamisk Posisjoneringslab (DP-Lab) i MC-Lab (viss ressursene for dette er tilstades).

Emnet består av forelesninger på ulineær systemteori og ulineære regulator- og observerdesign, bl.a.:

1. Lyapunov stabilitetsteori for ulineære tidsinvariante og tidsvarierende systemer.
2. Observer og estimeringsteori, observerbarhet, persistent eksitasjon, osv.
3. Observer designs (lineære og ulineære observere, separasjonsprinsippet).
4. Robuste ulineære reguleringsmetoder (backstepping metoder, ulineær PID og integralregulering, ISS design, m.m.)
5. Dynamisk Posisjonering (DP) kontrollsystem algoritmer for thrust allokering, posisjonsregulering, og DP observer design.
6. Manøvreringsbaserte regulatoralgoritmer og banefølging for marine farkoster (baneparametrisering, banegenerering, gaidingsprinsipper, og relevante regulatoralgoritmer).
7. Design av kontroll barriere funksjoner som filter for sikre regulatorpådrag.

Læringsutbytte

Ved avslutning av faget skal studenten vere i stand til å:

• Skissere den typiske topologien for eit tilbakekobla kontrollsystem og oversette kvar komponent og sammenkoblinger til eit sett av ordinære differensiallikninger.
• Diskutere eigenskaper for løysinger av tidsinvariante og tidsvariante ordinære differensiallikninger.
• Karakterisere lokale, globale, uniforme, og asymptotiske stabilitetsegenskaper til ulineære system ved hjelp av Lyapunov og relaterte teoremer.
• Diskutere dei vanlegaste reguleringsformål, definere konseptet "Control Lyapunov Function" (CLF), og anvende ein CLF-basert metodikk for å utforme ein reguleringsalgoritme i samsvar med ein spesifisert problemerklæring.
• Relatere begrensa forstyrrelser til "input-to-state stability" (ISS) for eit ulineært system og konvertere dette til ekvivalente beskrankinger for Lyapunov funksjonen.
• Diskutere trygghet i ein tilstandsrommodell, definere konseptet "Control Barrier Function" (CBF), og anvende ein CBF-basert metodikk til å utforme trygge regulatorer.
• Forklare forskjellen mellom minimum fase og ikkje-minimum fase systemer, kva nulldynamikk er, og rekne ut relativ grad for eit ulineært system.
• Forklare konseptet uniform komplett observerbarhet, demonstrere design av ein Luenberger observer for eit lineært system, og forklare separasjonsprinsippet.
• Demonstrere design av (ulineære) tilstandsestimatorer for å fusjonere og filtrere sensor målinger og rekonstruere umålte tilstander, f.eks. hastighetstilstanden for ein marin farkost.
• Demonstrere design av regulatoralgoritmer basert på linearisering ved tilbakekobling, backstepping, og robuste ulineære regulatorer med integraleffekt.
• Formulere eit reguleringsformål som eit manøvreringsproblem og designe ein korresponderande manøvreringsregulator.
• Nytte ulineær reguleringsteori og relevante regulator og observer designmetoder for å utvikle eit Dynamisk Posisjonering kontrollsystem for eit modellskip, inkludert trustallokering, joystick-styring, DP tilstandsestimator, DP regulator, og ein guidance funksjonalitet.
• Forklare konsept relatert til autonome skip som navigerer i marin trafikk
• Gjennomføre labarbeid som eit gruppesamarbeid; utlede teoretiske løysinger på praktiske marine reguleringsproblem, implementere algoritmene i eit virkelig kontrollsystem, utføre simuleringer og laboratorietesting, og rapportere resultatene i ein prosjektrapport med ein tydelig og konsis framstilling av reguleringsproblem, regulatordesign, og resulterande (lukka sløyfe) ytelse
• Opprettholde personlig integritet ved å gjennomføre akademiske studier og skriftlege arbeider på ein ærleg og etisk måte, uten noko form for plagiering eller upassande oppførsel i arbeidsoppgaver, prosjekter, og eksamineringer.

Læringsformer og aktiviteter

Det gjennomføres som felles forelesninger, øvinger, og eit prosjekt for å realisere teoretiske metoder til praksis. Emnet inngår også i et MSc-program for utenlandske studenter, slik at undervisning vil foregå på engelsk ved behov. Alt fagmatriell er på engelsk.

Emnet vil inkludere øvinger og, hvis lab-ressurser er tilstrekkeleg, praktiske laboratoriesamlinger basert på Dynamisk Posisjonering, som eit reguleringsteknisk case studium basert på ROS2, i Marine Cybernetics Lab (MC-Lab) for eit frittflytande modellskip - vi kaller det DP-lab'en. Dette er eit gruppearbeid som fortsetter DP prosjektet i TMR4240, der studentane vil jobbe vidare med DP kontrollproblem som ender opp med ein labaktivitet for å opparbeide ferdigheter med beste praksis implementasjon av eit sanntids-kontrollsystem. Alternativet viss fysisk lab ikkje lar seg gjennomføre, er eit simuleringsbasert prosjektarbeid.

Prosjektarbeidet skal resultere i ein prosjektrapport og -presentasjon som vil telle som delvurdering i endeleg karakter.

Obligatoriske aktiviteter

• Labarbeider

Anbefalte forkunnskaper

Emnet følger i serie med TMR4240 Marine regulerinssystemer I.

Faget krever bakgrunn i eit fag innen fundamental reguleringsteknikk, typisk TTK4105 Reguleringsteknikk (eller tilsvarande).

Kursmateriell

Lærebøker:

• Khalil, H. K. (2015). Nonlinear Control, Global edition, Pearson Education Ltd, England.
• Alternativt den meir omfattande "Nonlinear Systems" av H.K. Khalil, 3rd ed. Prentice Hall, 2002.

Annet: Forelesningsnotater, digitale forelesningsvideoer, og utvalgte artikler, rapporter, og avhandlinger som blir delt.