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: Asgeir.Sorensen@ntnu.no

• Professor Roger SkjetneE-mail: Roger.Skjetne@ntnu.no

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.