Marin Kybernetikk Tverrfaglig master program etablert i 1999:

Presentasjon om: "Marin Kybernetikk Tverrfaglig master program etablert i 1999:"— Utskrift av presentasjonen:

1 Marin Kybernetikk Tverrfaglig master program etablert i 1999:
THRUSTER SETPOINTS REAL WORLD SIGNAL PROCESSING VESSEL OBSERVER THRUST ALLOCATION CONTROLLER COMMAND FORCES MOTIONS MEASUREMENTS SATELLITE Vitenskapelig stab: Professor Asgeir J. Sørensen Professor Roger Skjetne Tverrfaglig master program etablert i 1999: Institutt for marin teknikk Institutt for teknisk kybernetikk

2 Kybernetikk 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) System Ønsket oppførsel Pådrag Regulator Faktisk oppførsel

3 Profil for marin kybernetik
Institutt for marin teknikk Reguleringsteknikk Marin teknikk Matematisk modellering Informasjonsteknologi Institutt for teknisk kybernetikk

4 Metodikk og disipliner
Matematisk modellering av fysiske systemer Databasert simulering Design og analyse av reguleringssystemer Navigasjon og fartøystyring Instrumentering og sensor-teknologi Datateknikk og sanntidssystemer

5 Databasert simulering
Simulator Matematiske modeller av skip og utstyr blir implementert og analysert for ulike værsituasjoner, operasjonelle krav og feiltilstander

6 Navigasjon og fartøystyring
Posisjoneringssystemer: Autopiloter Dynamiske posisjonerings- systemer Thrusterassisterte forankrings- systemer Hovedfunksjon: Holde fartøyet, som er utsatt for bølger vind strøm, på spesifisert posisjon og kurs ved hjelp av propeller og ror

7 Maritime elektriske anlegg
Diesel-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

8 Propulsjon og thrusterstyring
POWER PITCH or RPM CONTROL VARIABLE TORQUE CONSTANT TORQUE CONTROL Thrust- og effekt-allokering (distribuering) Pitch-/turtall-/moment-/ effektregulering Antispin thruster-regulering Kombinert ror- og propellregulering

9 Marine operasjoner Inspeksjon, installasjon og intervensjon
Kranoperasjoner Undervannsroboter

10 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

11 Regulering av fleksible konstruksjoner
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

12 Regulering av sammenkoblede konstruksjoner
Regulering av storskala sammenkoblede havbruks-anlegg Havbruk i værutsatte områder Mobile anlegg Bølgedemping Konfigurasjonsstyring Reguleringsfilosofi lik romstrukturer

13 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)

14 Miljøvennlig kraftproduksjon
Vindkraftverk til havs Bølgekraftverk Tidevannskraftverk

15 Run time infrastructure Experimental techniques &
Theory – Simulation – Experiments - Missions Applied Underwater Robotics Laboratory Simulator Environment Control and instrumentation Marine Cybernetics Laboratory Hydrodynamics Towing Tank Full-scale and prototype applications Mechanics Run time infrastructure Cavitation Tunnel Experimental techniques & prototyping Machinery systems Ocean Basin Databases, analysis Structural Laboratory Visualisation GPS/INS Navigation Laboratory Marine Technology Biology Oil & gas Archaeology Automatic Control

16 NTNU Research Vessel Gunnerus
NTNU's research vessel, R/V Gunnerus, was put into operation in spring 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

17 Fagvalg Marin kybernetikk
6.sem Vår TKT4145 – Elementmetoden i ing. vitenskap TMR4160 – Datametoder for marin tekniske anvendelser TMR4182 – Marin dynamikk Valgbare emner: TMR4120 – Undervanns-teknikk gr.l. TMR4220 – Skipshydro-dynamikk TMR4222 – Marint maskineri TMR4230 – Oseanografi TMR4252 – Marin prosj. TMR4260 – Driftsteknikk gk TTK4105 – Regulerings-teknikk 7.sem. Høst TMR Sjøbelastninger TMR4275 – Mod sim an dyn syst Perspektivemne: Se liste Valgbare emner for hovedprofil TMR4290 – Mar elektr prop syst TTK4115 –Lineær syst.teori TTK4150 – Ulineære systemer 8.sem. Eksperter i team, TV-prosjekt TMR4240 – Marine reguleringssystemer TEP4115 – Termodyn syst. TMR Havkonstruksjoner TMR4217 – Hydrodynamikk for hurtiggående fartøy TMR4220 – Skipshydrodynamikk TMR4225 – Marine operasjoner TMR Oseanografi Emne fra annen studiepr/ retning skal velges. TTK Fartøystyring TTK Optimalisering og regulering 9. sem. TMR4515 – Marin kybernetikk fordypningsemne (7.5 stp) TMR4510 – Marin kybernetikk fordypnings-prosjekt (7.5 stp) Kompletterende emne: TMA4145 – Lineære metoder TMR4190 – Elementmetoden TTK4115 – Lineær systemteori TMR4243 –Marine reguleringssystemer II Ikke-teknisk emne: Se perspektivemne 10.sem.  TMR4900 MASTEROPPGAVE (30 stp) Denne blir normal en fortsettelse av den problemstilling som det ble arbeidet med i fordypningsprosjektet.

18 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).

19 Fordypningsemne: 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.

20 Fordypningsemne: 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: Adaptive reguleringsdesign av ulineære systemer (adaptiv backstepping, gradientsøkmetoder, osv.), Robuste ulineære reguleringsmetoder (ulike backstepping design, ISS design metoder, sliding-mode design, passiveringsdesign, og ulineær PID og integralregulering), Manøvreringsteori og banefølgingsteori for styring av marine farkoster langs baner (baneparametrisering og banegenerering, guidance teorier, og relevante regulatoralgoritmer), Styring av formasjoner av farkoster (formasjonskonfigurasjoner, reguleringsstrategier, guidance strategier, antikollisjon, osv.), og 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.

21 Fordypningsemne: TMR 21 Marin mekatronikk
Faglærere: Førsteamanuensis Eilif Pedersen Uketimer: Høst: 2F + 3Ø + 2S = 3.75 SP Tid: TBD Karakterer: 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.

22 Professor Roger Skjetne har sin forskningsprofil innen
·         DP systemer (har eit stort forskningsprosjekt på DP i arktiske områder ilag med Kongsberg Maritime, Statoil, og DNV), ·         marine elektriske kraftsystem og Power Management System (PMS), ·         formasjonsstyring av fartøyer, og ·         feil-tolerant regulering av marine systemer. Roger har forslag om følgende titler til prosjekt- og hovedoppgaver: 1.       Hybrid model testing: Active control of mooring line forces in a hybrid model test setup 2.       Arctic DP student projects a.       Developing an Arctic DP Vessel Simulator b.      Developing a dynamic ice-floe simulator for an arctic oil field c.       Designing a DP control system for a Construction and Intervention Vessel to operate in the arctic d.      Use of autonomous underwater vehicles for measuring ice properties in the arctic 3.       Using optimization techniques to calibrate the relative offset of a GNSS antenna onboard a DP vessel 4.       Formation control of marine vessels using maneuvering control theory 5.       Active anti-roll control by use of thruster allocation in DP 6.       Student projects on Fault-Tolerant Control a.       Fault-detection in a ship’s electric power generation system b.      Use of observer design for fault-detection in thrusters used for DP c.       Use of observers for fault-detection in position, heading, and motion sensors used for DP d.      Fault-tolerant control of wind turbines Oppgavene vedr. Arktisk-DP vil bli knytta mot eit større forskningsprosjekt ”Arctic DP” og samarbeide med flere PhD studenter, professorer, og industribedrifter. Vi tar ellers sikte i alle oppgaver på eksperimentell testing av reguleringssystemene, som minimum. Noen oppgaveforslag fra Asgeir tilknyttet "Applied Underwater Robotics Laboratory (AUR-Lab): Design of Control System for DP of ROV in surge, sway, heave and yaw. Keywords: Signal processing, observer design, controller design, reference model, thruster allocation  Modelling and simulation of umbilical and ROV interactions Keywords: hydrodynamics, cable dynamics, coupled motions, simulation Underwater navigation system Keywords: inertial navigation, dobble log, GPS, camera based, 3D models, sensor fusion, signal processing  Underwater guidance Keywords: Signal processing, reference models, auto tracking strategies Graphical USer Interface for ROV DP system Keywords: Monitoring functions, alarm system, lay out, visualization Underwater photo mosaic ROV manipulator Keywords: Kinematics, modelling, observer design, controller design, reference model, control allocation, ROV-manipulator interactions  For disse oppgavene vil vi starte med modelleing, simulering og analyser. Deretter er det snakk om fullskala implementasjon og testing på NTNU sitt forskningsfartøy FF Gunnerus og ROV Minerva. Det planlegges flere fullskala tokter både på prosjekt- og hovedoppgaven. Oppgaveforslag fra Asgeir tilknyttet "Applied Underwater Robotics Laboratory (AUR-Lab): Design of Control System for DP of ROV in surge, sway, heave and yaw. Keywords: Signal processing, observer design, controller design, reference model, thruster allocation  Modelling and simulation of umbilical and ROV interactions Keywords: hydrodynamics, cable dynamics, coupled motions, simulation Underwater navigation system Keywords: inertial navigation, dobble log, GPS, camera based, 3D models, sensor fusion, signal processing  Underwater guidance Keywords: Signal processing, reference models, auto tracking strategies Graphical USer Interface for ROV DP system Keywords: Monitoring functions, alarm system, lay out, visualization Underwater photo mosaic ROV manipulator Keywords: Kinematics, modelling, observer design, controller design, reference model, control allocation, ROV-manipulator interactions  For disse oppgavene vil vi starte med modelleing, simulering og analyser. Deretter er det snakk om fullskala implementasjon og testing på NTNU sitt forskningsfartøy FF Gunnerus og ROV Minerva. Det planlegges flere fullskala tokter både på prosjekt- og hovedoppgaven.

23 Roger foreslår titler til prosjekt- og hovedoppgaver innenfor:
Professor Roger Skjetne har sin forskningsprofil innen ·         DP systemer (har eit stort forskningsprosjekt på DP i arktiske områder ilag med Kongsberg Maritime, Statoil, og DNV), ·         marine elektriske kraftsystem og Power Management System (PMS), ·         formasjonsstyring av fartøyer, og ·         feil-tolerant regulering av marine systemer. Roger har forslag om følgende titler til prosjekt- og hovedoppgaver: 1.       Hybrid model testing: Active control of mooring line forces in a hybrid model test setup 2.       Arctic DP student projects a.       Developing an Arctic DP Vessel Simulator b.      Developing a dynamic ice-floe simulator for an arctic oil field c.       Designing a DP control system for a Construction and Intervention Vessel to operate in the arctic d.      Use of autonomous underwater vehicles for measuring ice properties in the arctic 3.       Using optimization techniques to calibrate the relative offset of a GNSS antenna onboard a DP vessel 4.       Formation control of marine vessels using maneuvering control theory 5.       Active anti-roll control by use of thruster allocation in DP 6.       Student projects on Fault-Tolerant Control a.       Fault-detection in a ship’s electric power generation system b.      Use of observer design for fault-detection in thrusters used for DP c.       Use of observers for fault-detection in position, heading, and motion sensors used for DP d.      Fault-tolerant control of wind turbines Oppgavene vedr. Arktisk-DP vil bli knytta mot eit større forskningsprosjekt ”Arctic DP” og samarbeide med flere PhD studenter, professorer, og industribedrifter. Vi tar ellers sikte i alle oppgaver på eksperimentell testing av reguleringssystemene, som minimum. Noen oppgaveforslag fra Asgeir tilknyttet "Applied Underwater Robotics Laboratory (AUR-Lab): Design of Control System for DP of ROV in surge, sway, heave and yaw. Keywords: Signal processing, observer design, controller design, reference model, thruster allocation  Modelling and simulation of umbilical and ROV interactions Keywords: hydrodynamics, cable dynamics, coupled motions, simulation Underwater navigation system Keywords: inertial navigation, dobble log, GPS, camera based, 3D models, sensor fusion, signal processing  Underwater guidance Keywords: Signal processing, reference models, auto tracking strategies Graphical USer Interface for ROV DP system Keywords: Monitoring functions, alarm system, lay out, visualization Underwater photo mosaic ROV manipulator Keywords: Kinematics, modelling, observer design, controller design, reference model, control allocation, ROV-manipulator interactions  For disse oppgavene vil vi starte med modelleing, simulering og analyser. Deretter er det snakk om fullskala implementasjon og testing på NTNU sitt forskningsfartøy FF Gunnerus og ROV Minerva. Det planlegges flere fullskala tokter både på prosjekt- og hovedoppgaven. Roger foreslår titler til prosjekt- og hovedoppgaver innenfor: 1.  Arctic DP student projects: Ice dynamics simulators for Ice management. Control of DP vessel subject to ice forces. Control of underwater vehicles for underwater ice monitoring. Fault-tolerant control in DP by use of acceleration measurements. 2. Environmentally friendly control of electric machinery Control of power production in an LNG-driven electric power plant. Control of load sharing between power producers in a marine hybrid electric power system. Fault-tolerant control of electric power production. Development of an Energy Management System for a marine hybrid electric power system. 3. Maneuvering control theory for marine vessels: Advanced guidance and anti-collision for maneuvering of marine vessels. Optimizing maneuvering control: Minimum fuel and minimum time control laws. Control and anti-collision of formations of marine vessels. Application of maneuvering control theory for stabilizing unstable zero-dynamics. 4.   Hybrid model testing: Active control of mooring line forces in a hybrid model test setup 5.  Using optimization techniques to calibrate the relative offset of a GNSS antenna onboard a DP vessel