marin kybernetikk
DESCRIPTION
SATELLITE. THRUSTER SETPOINTS. MEASUREMENTS. SIGNAL PROCESSING. THRUST ALLOCATION. REAL WORLD. VESSEL OBSERVER. CONTROLLER. VESSEL MOTIONS. COMMAND THRUSTER FORCES. VESSEL SETPOINTS. Marin Kybernetikk. Vitenskapelig stab: - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
Marin Kybernetikk
THRUSTERSETPOINTS
REAL WORLD
SIGNALPROCESSING
VESSELOBSERVER
THRUSTALLOCATION
CONTROLLERCOMMANDTHRUSTER
FORCES
VESSELMOTIONSVESSEL
SETPOINTS
MEASUREMENTS
SATELLITE
Tverrfaglig master program etablert i 1999:
• Institutt for marin teknikk• Institutt for teknisk kybernetikk
Vitenskapelig stab:
• Professor Asgeir J. Sørensen E-mail: [email protected]
• Professor Roger SkjetneE-mail: [email protected]
2
• Ordet ”kybernetikk” har sin opprinnelse i det greske ordet ”kybernetes”, som betyr ”styrmann/rormann”, dvs. ”den som styrer”.
• I ulike fysikkfag så lærer man å matematisk modellere dynamiske system. Kybernetikk er å manipulere dynamiske system for å få dem til å oppføre seg slik DU ønsker.
• Eksempler inkluderer alt fra termostatregulering av varmeovner (enkelt) til banestyring av fly (vanskelig)
• En av de første reguleringstekniske anvendelsene i moderne tid var autopiloter for skip (”Metal Mike” i 1911), som ble mulig etter at gyroskopet var oppfunnet (gav en pålitelig måling av skipsretningen)
Kybernetikk
Regulator SystemØnsket oppførsel
Faktiskoppførsel
Pådrag
3
Profil for marin kybernetikk
Marin teknologi
Reguleringsteknikk
IKT
Tekniskkybernetikk
Marin teknikk
IKT
4
De tre store marine næringene i Norge….:
Maritim
Offshore olje og gass
Fiskeri ogHavbruk
Disse bidrar til mer enn 70% av Norges eksportinntekter
5
… og nye marine områder og vekstnæringer
Fornybar energi
Marine mineraler
Marin vitenskap
6
• Matematisk modellering av fysiske systemer
• Databasert simulering• Design og analyse av
reguleringssystemer• Navigasjon og fartøystyring • Instrumentering og sensor-
teknologi• Datateknikk og
sanntidssystemer
Metodikk og disipliner
7
Databasert simulering
Simulator
Matematiske modeller av skip og utstyr blir implementert og analysert for ulike værsituasjoner, operasjonelle krav og feiltilstander
8
Posisjoneringssystemer: • Autopiloter• Dynamiske posisjonerings-
systemer• Thrusterassisterte forankrings-
systemer
Hovedfunksjon: Holde fartøyet, som er utsatt for
–bølger –vind–strøm,
på spesifisert posisjon og kursved hjelp av propeller og ror
Navigasjon og fartøystyring
9
Maritime elektriske anleggDiesel-elektriske systemer:
– Elektrisk kraftproduksjon og distribusjon.
– Elektriske omformere og roterende maskineri
– Elektrisk propulsjon
Marin automatisering:– Maskinerisystemer– Ballastsystemer– Lossesystemer– Kompressorstyring – Energifordeling (PMS)– Diagnostikk og tilstands-
overvåking
10 Miljørobust kraftproduksjon:Power and energy management
• Optimal produksjon av elektrisk kraft ombord i skip og fartøy.
• Hybride kraftanlegg:o Diesel og LNG generatorero Brenselceller, solceller, bølgekonvertere.o Energilagring vha. batteribanker, svinghjul, osv.
M
G G
M
G G
M M
11
• Thrust- og effekt-allokering (distribuering)
• Pitch-/turtall-/moment-/effektregulering
• Antispin thruster-regulering
• Kombinert ror- og propellregulering
Propulsjon og thrusterstyring
POWER
PITCH or RPM CONTROL
VARIABLETORQUE
CONSTANTTORQUE
TORQUE CONTROL
POWER
12
Marine operasjoner• Inspeksjon,
installasjon og intervensjon
• Kranoperasjoner• Undervannsroboter
13
Arktiske DP operasjoner
• DP system med kompensasjon av iskrefter.
• Ice Management.• Ubemannede farkoster.
• Sikre DP operasjoner i arktis:• Olje- og gassutvinning• Miljø- og overvåknings-
operasjoner i nordområdene.
Ice
14
– Regulering av stigerør i forbindelse med DP-operasjoner
– Posisjonering av neddykket last– Regulering av trålsystemer– Regulering av form til
havbruksanlegg– Regulering av seismiske kabler– Rørlegging
Regulering av fleksible konstruksjoner
15
Regulering av sammenkoblede konstruksjoner
– Regulering av storskala sammenkoblede havbruks-anlegg
– Havbruk i værutsatte områder– Mobile anlegg – Bølgedemping – Konfigurasjonsstyring
Reguleringsfilosofi lik romstrukturer
16
Ubemannede fartøyer• Bevegelsesstyring av ubemannede fartøyer:
• Overflatefartøyer• Undervannsfartøyer
• Kan operere i store nettverk for innhenting av informasjon i sann tid over et stort område (eksempel: overvåking av Barentshavet)
17
Miljøvennlig kraftproduksjon• Vindkraftverk til havs• Bølgekraftverk• Tidevannskraftverk
18Theory – Simulation – Experiments – OperationsBridging the gap from theory to practice
Hydrodynamics
Control and instrumentation
Run time infrastructure
Towing Tank
Experimental techniques &prototyping
Mechanics
Machinerysystems
Databases,analysis
Visualisation
Cavitation Tunnel
Ocean Basin
StructuralLaboratory
Simulator Environment
Full-scale and prototypeapplications
RV Gunnerus AUR-Lab Unmanned Vehicles Lab
Marine Cybernetics Laboratory
Powersystems
Marine Technology
Petroleum
AutomaticControlNavigation
19
Hydrodynamic Laboratories
Ocean basin
Research vessel ”Gunnerus”Marine Cybernetics Laboratory
Towing tank
Other specialized experimental facilities (e.g. for sloshing tests)
20
NTNU Research Vessel Gunnerus
NTNU's research vessel, R/V Gunnerus, was put into operation in spring 2006. The ship is fitted with a dynamic positioning system and a HiPap 500 unit, optimal for ROV operations and the positioning of any deployed equipment. The vessel is arranged with wet lab, dry lab and a computer lab in addition to a large aft deck.
Accommodation comprise three double berth scientific personnel cabins and three single berth crew cabins. The large mess hall functions as a lecture room for 25 people.
ROV MINERVA
21NTNU strengthen ocean space research and education by integrating technology and science
Applied Underwater Robotics Laboratory (AUR-Lab)officially opened 23 August 2011 by Mr. Trond Giske,
Minister of Trade and Industry
22
Scientific focus areas:• Development of technology for guidance,
navigation and control of underwater vehicles (ROVs and AUVs)
• Underwater acoustic communication • Environmental monitoring and mapping at sea
surface, water column, and sea bed • Operations under ice in the arctic• Study of any object of interest (bio-geo-
chemical objects)• Evaluation of seabed properties and habitat• Complex deepwater underwater operations
including inspection and intervention• Deep water archeology
Applied Underwater Robotics Laboratory AUR-Lab
RV Gunnerus
Photo: NTNU AUR-Lab
Photo: NTNU AUR-Lab
23
ROV Minerva
• Observation class– ~400 kg– 3CCD camera– 3 ”regular” ROV-camera– 5-function manipulator– 1-functions manipulator– Scanning sonar– Altimeter– ~600 meter cabel on
winch (fiber)– HiPAP and DVL for
positioning– Control container
24
24
AUV REMUS 100
• Marine Sonics 900 kHz Side Scan sonar
• Teledyne RDI 1.2 MHz up/down DVL/ADCP
• Wet Labs ECO Triplet puck
• Aanderra Dissolved Oxygen Optode
• Neil Brown CT sensor
• LBL navigation system
• Imagenex Delta T multibeam echosounder
Navigation:Inertial NavigationGPS/HiPAP (tracking, aiding)
Communications:Acoustic modem, Wi-Fi, Iridium
REMUS support from Horten
REMUS training in Horten
25
Dynamic Positioning System for ROV Minerva
Goal: Make control system with user interface for dynamic positioning (DP) and tracking for use in real ROV missions.
Process: A team of MSc students, PhD candidates and Post Docs has been working on this since 2010 with monthly cruises.
The control system is tested on a simulation model before deployment on ROV Minerva.
The control system is deployed and tested on the ROV Minerva during monthly cruises with R/V Gunnerus in the development stages.
26
•Compact RIO (cRIO) from National Instruments is the controller platform
•Measurement signals are fed to the cRIO via serial ports.
•The control software is deployed on the cRIO but a host PC provides the user interface.
DP Control Platform
27
ROV path following Demo cruise 16th February 2011
28
Integrated operations by RV Gunnerus, AUV and ROVDecember 2011, Frøya, Seabed and Kelp Mapping, AUR-Lab
29
Fagvalg Marin kybernetikk 6.semVår
TKT4145 – Elementmetoden i ing. vitenskap
TMR4160 –Datametoder for marin tekniske anvendelser
TMR4182 –Marin dynamikk
Valgbare emner:TMR4120 – Undervannsteknikk gr.l.TMR4220 – SkipshydrodynamikkTMR4222 – Marint maskineriTMR4230 – OseanografiTMR4252 – Marin prosj.TMR4260 – Driftsteknikk gk
TTK4105 – Reguleringsteknikk
7.sem.Høst
TMR4215 - Sjøbelastninger
TMR4275 –Mod sim an dyn syst
Komplementære emner:
Se liste i studieplan
Valgbare emner:TTK4115 – Lineær syst.teoriTTK4150 – Ulineære systemerTMR4290 – Mar elektr syst
8.sem.Vår
Eksperter i team, TV-prosjekt TMR4240 – Marine reguleringssystemer
Valgbare emner:TEP4115 – Termodyn syst.TMR4195 - HavkonstruksjonerTMR4217 – Hydrodynamikk for hurtiggående fartøyTMR4220 – SkipshydrodynamikkTMR4225 – Marine operasjonerTMR4230 - Oseanografi
Emne fra annen studiepr/ retning skal velges. TTK 4190 - FartøystyringTTK 4135 - Optimalisering og regulering
9. sem.Høst
TMR4515 – Marin kybernetikk fordypningsemne (7.5 stp)
TMR4510 – Marin kybernetikk fordypnings-prosjekt (7.5 stp)
Kompletterende emner:TMA4145 – Lineære metoderTMR4190 – ElementmetodenTMR4290 – Mar elektr systTTK4115 – Lineær systemteoriTTK4150 – Ulineære systemerTMR4243 –Marine reguleringssystemer II
Ikke-teknisk emne: Se komplementære emner
10.sem.Vår
TMR4900 MASTEROPPGAVE (30 stp)
30
Aktuelle Fordypningsemner
Marin kybernetikk:
• Avansert modellbasert design og testing av marine reguleringssystemer (3,75 SP)• Avanserte reguleringsmetoder for marine systemer(3,75 SP)• Marine Mekatronikk (3,75 SP)
Andre relevante emner ved instituttet:
• Dynamisk analyse av marine konstruksjoner (3,75 SP), • Konstruksjonsanalyse VK (3,75 SP), • Eksperimentelle metoder i marin hydrodynamikk (3,75 SP), • Numeriske metoder i marin hydrodynamikk (3,75 SP), • Hydroelastisitet (3,75 SP), • Is-1 (3,75 SP), • Is-2 (3,75 SP),
Andre relevante emner ved ITK:
• Robotteknikk (3,75 SP), • Ulineær bevegelsesstyring (3,75 SP), • Kalman filtrering og navigasjon (3,75 SP).
31Fordypningsemne: Avansert modellbasert design og testing av marine reguleringssystemer
Ansvarlig: Professor Asgeir J. Sørensen Litteratur: Marine Control Systems: Propulsion and Motion Control of Ships, Underwater Vehicles and Ocean Structures. Report UK-10-76, 2010, Department of Marine Technology.DNV. Rules for classification of ships.Selected papers on marine control applications. Mål:Temaet vil gi innsikt og kunnskap til å analysere, utvikle og teste avanserte marine reguleringssystemer. Innhold:Emnet vil gi en fordypning i matematisk modellering og design av hybride og modellbaserte reguleringssystemer for propulsjon og bevegelsesstyring av skip, undervannsfarkoster og marine konstruksjoner. 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, samt optimaliseringsmetoder for thrust allokering. Eksempler er regulering av stigerør og rørledninger, vibrasjonsdemping, bevegelsesdemping av luftputekatamaraner, undervannsrobotikk og dynamisk posisjonering av skip og rigger i ekstrem sjø og isbelagte 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.
32Fordypningsemne: Avanserte reguleringsmetoder for marine systemer
Ansvarlig: Professor Roger Skjetne
Litteratur: Bøker og/eller artikler avhengig av valgt kybernetisk fagområde (spesifiseres). Mål:De tilsiktede læringsmål for studenten er å kunne designe et avansert reguleringssystem innenfor et spesifisert kybernetisk fagområde, analysere systemets egenskaper rundt stabilitet og ytelse, kunne anvende dette for en valgt maritim applikasjon i et designprosjekt, og rapportere dette arbeidet skriftlig. Innhold:Studenten velger en ytterligere fordypning innen et av følgende områder: 1) Adaptive reguleringsdesign av ulineære systemer (adaptiv backstepping, gradientsøkmetoder, osv.), 2) Robuste ulineære reguleringsmetoder (ulike backstepping design, ISS design metoder, sliding-mode
design, passiveringsdesign, og ulineær PID og integralregulering), 3) Manøvreringsteori og banefølgingsteori for styring av marine farkoster langs baner (baneparametrisering og
banegenerering, guidance teorier, og relevante regulatoralgoritmer), 4) Styring av formasjoner av farkoster (formasjonskonfigurasjoner, reguleringsstrategier, guidance strategier,
antikollisjon, osv.), og 5) Feildiagnostikk og feiltolerant reguleringsmetoder (feildeteksjon, feilisolasjon, og rekonfigurasjon av
regulatorsløyfer for å håndtere feilsituasjoner i utstyr og prosesser). 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.
33Fordypningsemne: TMR 21 Marin mekatronikk
Faglærere: Førsteamanuensis Eilif PedersenUketimer: Høst: 2F + 3Ø + 2S = 3.75 SPTid: TBDKarakterer: Modulen inngår i fordypningsemne TMR4535 (50%)
Obl.aktiviter: Ja
Læringsmål: Modulen har som mål å gi studenter som ønsker å arbeide med analyse av dynamikk i mekatroniske systemer en introduksjon til og trening i bruk av analyttiske og databaserte løsningsmetoder for formulering av modeller og analyse av slike systemers dynamikk.
Anbefalte forkunnskaper: TMR4275 Modellering, simulering og analyse av dynamiske systemer TTK4105 Reguleringsteknikk vil være en fordel
Faglig innhold: 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.