Dynamic Positioning System Design for A Marine Vessel with Unknown Dynamics Subject to External Disturbances Including W

  • PDF / 1,832,060 Bytes
  • 13 Pages / 595 x 842 pts (A4) Page_size
  • 59 Downloads / 204 Views

DOWNLOAD

REPORT


itioning System Design for A Marine Vessel with Unknown Dynamics Subject to External Disturbances Including Wave Effect Alireza HOSSEINNAJADa, Mehdi LOUEIPOURb, * a Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran b Research Institute for Subsea Science and Technology, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran

Received December 11, 2019; revised March 7, 2020; accepted April 25, 2020 ©2020 Chinese Ocean Engineering Society and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature Abstract In  this  paper,  a  new  control  system  is  proposed  for  dynamic  positioning  (DP)  of  marine  vessels  with  unknown dynamics and subject to external disturbances. The control system is composed of a substructure for wave filtering and state estimation together with a nonlinear PD-type controller. For wave filtering and state estimation, a cascade combination  of  a  modified  notch  filter  and  an  estimation  stage  is  considered.  In  estimation  stage,  a  modified extended-state observer (ESO) is proposed to estimate vessel velocities and unknown dynamics. The main advantage of the proposed method is its robustness to model uncertainties and external disturbances and it does not require prior knowledge of vessel model parameters. Besides, the stability of the cascade structure is analyzed and input to state stability  (ISS)  is  guaranteed.  Later  on,  a  nonlinear  PD-type  controller  with  feedforward  of  filtered  estimated dynamics  is  utilized.  Detailed  stability  analyses  are  presented  for  the  closed-loop  DP  control  system  and  global uniform ultimate boundedness is proved using large scale systems method. Simulations are conducted to evaluate the performance  of  the  proposed  method  for  wave  filtering  and  state  estimation  and  comparisons  are  made  with  two conventional  methods  in  terms  of  estimation  accuracy  and  the  presence  of  uncertainties.  Besides,  comparisons  are made  in  closed-loop  control  system  to  demonstrate  the  performance  of  the  proposed  method  compared  with conventional  methods.  The  proposed  control  system  results  in  better  performance  in  the  presence  of  uncertainties, external  disturbance  and  even  in  transients  when  the  vessel  is  subjected  to  sudden  changes  in  environmental disturbances. Key words: dynamic  positioning,  environmental  disturbances,  marine  vessel,  state  estimation,  unknown  dynamics, wave filtering Citation: Hosseinnajad, A., Loueipour, M., 2020. Dynamic positioning system design for a marine vessel with unknown dynamics subject to external disturbances including wave effect. China Ocean Eng., 34(5): 651–663, doi: https://doi.org/10.1007/s13344-020-0058-9

1 Introduction The increasing  demand  to  operate  vessels  in  deep   waters has made it inevitable for the application of DP control systems.  DP  control  system  enables  the  vessel  to  maintain its position and attitude solely by thrusters and propellers independent of water depth (Du et al.