Vurderingsordning

Faglig innhold

Emnet vil gi innsikt og kunnskap til å analysere, utvikle og teste avanserte marine reguleringssystemer.
Emnet fokuserer på avansert matematisk modellering og design av reguleringssystemer for ulike typer marine operasjoner, fartøybevegelser, maskinerisystemer og propulsjonssystemer for skip, undervannsfarkoster og andre flytende marine konstruksjoner.

Emnet består av 3 moduler der 2 av 3 moduler skal velges.

Modul A: Avansert modellbasert design og testing av marine reguleringssystemer:
Det vil bli lagt vekt på marintekniske anvendelser der prosessforståelse og fysisk innsikt er spesielt viktig i design og testing av reguleringssystemer. Dette inkluderer fleksible systemer beskrevet av partielle differensial ligninger, hurtiggående fartøyer og avanserte marine og undervannsoperasjoner under krevende og skiftende værforhold og på dypt vann, optimaliseringsmetoder for thrust allokering. Eksempler er regulering av stigerør og rørledninger, vibrasjonsdemping, bevegelsesdemping av luftputekatamaraner, undervanns robotikk og dynamisk posisjonering av skip og rigger i eksterm sjø og islagte farvann. Testing av marine reguleringssystemer ved hjelp "Failure mode and effect analysis – FMEA" og simulatorteknologi omtalt som "Hardware-In-the-Loop (HIL) testing" vil også bli behandlet.

Modul B: Avanserte reguleringsmetoder for marine systemer:
Formålet er å oppnå ein fordjupning i matematisk design av ulineære modellbaserte regulatoralgoritmer for marine applikasjoner. Emnet blir gjennomført med nokre forelesninger på grunnleggande ulineær systemteori, og deretter forelesninger på ulike ulineære regulatordesign. Etter at den generelle teorien har blitt presentert, så skal studenten velje ein spesialisering på ein design metodologi, for eksempel:
- Robuste ulineære reguleringsmetoder (ulike backstepping metoder, ISS design, sliding-mode design, passivitetsbasert regulering, ulineær PID og integralregulering, m.m.)
- Adaptive regulatoralgoritmer for ulineære system (adaptive backstepping, gradientmetoder, L1 adaptive regulering, m.m.)
- Manøvreringsbaserte regulatoralgoritmer og banefølging for marine farkoster (baneparametrisering, banegenerering, guidance teorier, og relevante regulatoralgoritmer)
- Formasjonsstyringsalgoritmer for marine farkoster (formasjonens konfigurasjon reguleringsstrategier, guidance strategier,, antikollisjon, m.m.)
- Feildiagnostikk og feiltolerant regulering (feildeteksjon, feilisolering, og regulator redesign for å detektere og håndtere feil på utstyr og prosesser i marine reguleringssystemer).

Modul C: Marin mekatronikk:
Gjennomgang av partikkel og partikkelsystemers kinematikk og dynamikk. Stive legemers dynamikk i generell bevegelse i 3D. Introduksjon til Hamilton’s prinsipp og Lagrange’s metode for formulering av bevegelsesligninger for mekaniske systemer. Aktuatorer i mekatronsike systemer, modellering og styring. Modellering av sammensatte systemer og løsning av bevegelsesligninger ved hjelp av datamaskin. Anvendelser fra maskindynamikk, robotteknikk og generell mekatronikk.

Læringsutbytte

Ved avslutning av Modul A skal studenten være i stand til å:
- Forstå hva som menes med og bruken av avanserte matematiske modeller der prosessforståelse og fysisk innsikt er spesielt viktig i design og testing av marine reguleringssystemer.
- Kunne designe og analysere avanserte modellbaserte reguleringssystemer basert på såkalt hybrid regulering og supervisory-switched regulering for håndtering av skiftende operasjonelle og vær forhold samt feil tilstander.
- Forstå prinsippene og metodene for testing og verifikasjon av marine reguleringssystemer ved hjelp ”Failure mode and effect analysis – FMEA” og simulatorteknologi omtalt som ”Hardware-In-the-Loop (HIL) testing”.

Ved avslutning av Modul B skal studenten være i stand til å:
- diskutere vilkår for at løysinger av tidsinvariante (autonome) og tidsvariante (ikkje-autonome) ordinære differensiallikninger skal eskistere, vere unike, og vere komplette.
- klassifisere dei lokale, globale, uniforme, og asymptotiske stabilitetsegenskapane til ulineære system ved hjelp av Lyapunov og ulike innvariansteoremer.
- relatere forstyrrelser til “input-to-state stability” (ISS) for det ulineære systemet og konvertere dette til ekvivalente vilkår for Lyapunov funksjonane.
- 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.
- demonstrere ferdigheter til å utforme regulatoralgoritmer basert på backstepping, sliding mode, og integralvirkning.
- nytte grunnleggande ulineær reguleringsteori og ein spesialisert metodikk slik som adaptiv regulering, formasjonsstyring, eller manøvreringsbasert regulering, og basert på dette utvikle eit reguleringssystem for ein marin applikasjon.

Ved avslutning av Modul C skal studenten være i stand til å:
- kunne forklare og forstå begrepet mekatronikk, hvilke disipliner, komponenter og metoder som inngår i fagområdet.
- kunne benytte elementer fra klassisk dynamikk, kinematikk og kinetikk, for formulering av bevegelsesligninger for mekaniske systemer og særlig stive legemers bevegelse i 3 dimensjoner.
- kjenne bakgrunnen til og kunne benytte Hamilton’s prinsipp og Lagrange’s metode for utvikling av bevegelsesligninger for mekaniske systemer.
- kjenne til virkemåte, modellering og styring av typiske aktuatorer benyttet i utstyr for særlig marine anvendelser.
- kunne benytte modellering av typiske marine mekatroniske systemer som støtte for design, styring og optimering av slike systemer.

Generelt skal også studenten vere i stand til å:
- skrive prosjektrapport med ein tydelig og konsis framstilling av resultater, vurderinger, og konklusjoner, og muntleg presentere resultatene fra ei prosjektoppgave på ein klar og effektiv måte innen tidsgrenser.
- gjennomføre akademiske studier og skriftleg arbeid på ein ærleg og etisk mate, uten noko form for plagiering og upassande oppførsel i arbeidsoppgaver, prosjektrapporter, og presentasjoner.

Læringsformer og aktiviteter

Læring av teori utføres ved bruk av felles forelesninger, kollokvier, og/eller veiledninger avhengig av praktiske forhold (antall studenter innen et gitt område, osv.). Ilag med ansvarlig fagperson velger hver student en applikasjon å anvende reguleringsmetoden på. Dette skal resultere i et reguleringsdesign for applikasjonen, analyse av dets egenskaper, og simuleringsresultat. Arbeidet skal rapporteres skriftlig og vil telle 50% av karakteren i emnet. Resterende del av karakteren baseres på en muntlig prøve.

Obligatoriske aktiviteter

• Prosjektrapport

Forkunnskapskrav

TTK4105 Reguleringsteknikk tilsvarende forkunnskaper er en forutsetning. Det er også et krav at studentene har gjennomført ett av emnene TMR4240 Marine reguleringssystemer, TMR4275 Modellering, simulering og analyse av dynamiske system, eller TTK4190 Fartøystyring.

Kursmateriell

- Sørensen, A. J. (2011). Marine Control Systems: Propulsion and Motion Control Systems of Ships and Ocean Structures. First Edition, UK-2011-76, Department of Marine Technology, the Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway.
- Lærebok: Khalil, H. K. (2002). Nonlinear Systems, Prentice-Hall, Inc, New Jersey, 3 edition.
Bishop, R. H., (2008). Mechatronic Systems, Sensors and Actuators - Fundamentals and Modeling, CRS Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, NW.
- DNV. Rules for classification of ships.
- Selected papers on marine control applications.
- Selected papers on nonlinear control.
- Selected literature on modeling and mechatronics.