Hydraulic steering control of azimuth thrusters
Sainio, Juho (2024)
Sainio, Juho
2024
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-08-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202408228235
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202408228235
Tiivistelmä
Despite technical advancements in electric propulsion, mechanical propulsion remains a popular choice among vessel manufacturers, especially for harbor tugboats. These vessels are typically equipped with diesel-powered azimuth thrusters, with steering implemented through a hydraulic system. This configuration introduces a problem where the speed of the diesel engine directly influences the thruster's steering dynamics, making precise steering control difficult to achieve. Employing conventional closed-loop control algorithms, such as a single PID (Proportional-Integral-Derivative) controller, for these systems inevitably leads to imprecise steering control, which can pose significant safety hazards for both the equipment and the crew on board.
This thesis proposed a closed-loop follow-up steering control strategy for hydraulically steered mechanical azimuth thrusters manufactured by Steerprop Ltd. The research was motivated by the need to improve the current control strategy, which relies on an open-loop approach that lacks robustness and has lengthy tuning times. To address these issues, a cascaded P position control and PI steering speed control was proposed. A gain-scheduling technique was also employed in the design of the PI speed controller to ensure adequate steering performance despite varying motor speeds. Additionally, a model-based tuning approach was utilized for the PI controller, aiming to reduce the time required for on-site tuning of the steering controller.
The time-domain performance of the current and proposed controllers was evaluated by simulating the thruster's mathematical model. According to the simulation results, both controllers performed almost equally well when using ideal model parameters. However, when these parameters were deviated, the proposed controller demonstrated superior performance over the current controller. The robustness of the proposed controller was also assessed through a relative stability analysis, which revealed that the closed-loop system had excellent stability margins. Furthermore, it was estimated that if the proposed tuning method is used, the tuning time of the steering controller would be reduced by as much as 94%. Vaikka sähkökäyttöisistä ruoripotkureista on viime vuosina tullut teknisesti hyvin kehittyneitä, monet laivavalmistajat suosivat silti perinteisiä akselivetoisia potkuriyksiköitä, erityisesti satamahinaajien valmistuksessa. Nämä alukset ovat tyypillisesti varustettu dieselkäyttöisillä ruoripotkureilla, joiden kääntöjärjestelmä on toteutettu hydraulisesti. Tämä laitteistokokonaisuus aiheuttaa sen, että dieselmoottorin pyörimisnopeus vaikuttaa suoraan potkuriyksikön kääntöjärjestelmän dynamiikkaan, mikä tekee laitteen tarkasta säädöstä hankalaa. Perinteisten takaisinkytkettyjen säätöalgoritmien, kuten yksittäisen PID-säätimen (Proportional-Integral-Derivative) käyttäminen johtaa väistämättä potkuriyksikön käännön epätarkkaan säätöön, mikä voi aiheuttaa merkittäviä turvallisuusriskejä sekä laitteistolle että miehistölle.
Tässä työssä suunniteltiin takaisinkytketty follow-up-kääntöohjauksen säätöalgoritmi Steerprop Oy:n valmistamille hydraulisesti ohjatuille akselivetoisille potkuriyksiköille. Tutkimuksen tavoitteena oli parantaa nykyistä säätöstrategiaa, joka perustuu avoimen säätöpiirin käyttöön. Avoimen piirin virittäminen on hidasta, eikä järjestelmää saada robustiseksi. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi työssä ehdotettiin uudeksi säätimeksi kaskadirakennetta, joka koostuu P paikkasäädöstä sekä PI kääntönopeudensäädöstä. Lisäksi PI-nopeussäätimen suunnittelussa hyödynnettiin vahvistusskedulointia, mikä takaa tarkan kääntönopeuden säädön moottorin vaihtelevista pyörimisnopeuksista huolimatta. PI-säädin viritettiin malliin perustuvalla menetelmällä, jolla pyrittiin vähentämään paikan päällä tapahtuvaan viritykseen tarvittavaa aikaa.
Sekä nykyisen että uuden säätimen aika-tason suorituskykyä arvioitiin simuloimalla potkuriyksikön matemaattista mallia. Simulointitulosten mukaan molempien säätimien suorituskyky oli lähes yhtä hyvä, jos testauksessa käytettiin ideaalisia malliparametreja. Jos taas käytettiin ideaalitapauksesta poikkeavia parametrien arvoja, uusi säädin suoriutui ylivoimaisesti paremmin nykyiseen säätimeen verrattuna. Uuden säätimen robustisuus arvioitiin myös suhteellisen stabiiliusanalyysin avulla, jonka mukaan takaisinkytketyllä systeemillä oli erinomaiset stabiiliusvarat. Lisäksi arvioitiin, että työssä ehdotetun viritysmenetelmän käyttäminen vähentää säätimen viritysaikaa jopa 94 % nykyiseen verrattuna.
This thesis proposed a closed-loop follow-up steering control strategy for hydraulically steered mechanical azimuth thrusters manufactured by Steerprop Ltd. The research was motivated by the need to improve the current control strategy, which relies on an open-loop approach that lacks robustness and has lengthy tuning times. To address these issues, a cascaded P position control and PI steering speed control was proposed. A gain-scheduling technique was also employed in the design of the PI speed controller to ensure adequate steering performance despite varying motor speeds. Additionally, a model-based tuning approach was utilized for the PI controller, aiming to reduce the time required for on-site tuning of the steering controller.
The time-domain performance of the current and proposed controllers was evaluated by simulating the thruster's mathematical model. According to the simulation results, both controllers performed almost equally well when using ideal model parameters. However, when these parameters were deviated, the proposed controller demonstrated superior performance over the current controller. The robustness of the proposed controller was also assessed through a relative stability analysis, which revealed that the closed-loop system had excellent stability margins. Furthermore, it was estimated that if the proposed tuning method is used, the tuning time of the steering controller would be reduced by as much as 94%.
Tässä työssä suunniteltiin takaisinkytketty follow-up-kääntöohjauksen säätöalgoritmi Steerprop Oy:n valmistamille hydraulisesti ohjatuille akselivetoisille potkuriyksiköille. Tutkimuksen tavoitteena oli parantaa nykyistä säätöstrategiaa, joka perustuu avoimen säätöpiirin käyttöön. Avoimen piirin virittäminen on hidasta, eikä järjestelmää saada robustiseksi. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi työssä ehdotettiin uudeksi säätimeksi kaskadirakennetta, joka koostuu P paikkasäädöstä sekä PI kääntönopeudensäädöstä. Lisäksi PI-nopeussäätimen suunnittelussa hyödynnettiin vahvistusskedulointia, mikä takaa tarkan kääntönopeuden säädön moottorin vaihtelevista pyörimisnopeuksista huolimatta. PI-säädin viritettiin malliin perustuvalla menetelmällä, jolla pyrittiin vähentämään paikan päällä tapahtuvaan viritykseen tarvittavaa aikaa.
Sekä nykyisen että uuden säätimen aika-tason suorituskykyä arvioitiin simuloimalla potkuriyksikön matemaattista mallia. Simulointitulosten mukaan molempien säätimien suorituskyky oli lähes yhtä hyvä, jos testauksessa käytettiin ideaalisia malliparametreja. Jos taas käytettiin ideaalitapauksesta poikkeavia parametrien arvoja, uusi säädin suoriutui ylivoimaisesti paremmin nykyiseen säätimeen verrattuna. Uuden säätimen robustisuus arvioitiin myös suhteellisen stabiiliusanalyysin avulla, jonka mukaan takaisinkytketyllä systeemillä oli erinomaiset stabiiliusvarat. Lisäksi arvioitiin, että työssä ehdotetun viritysmenetelmän käyttäminen vähentää säätimen viritysaikaa jopa 94 % nykyiseen verrattuna.
Kokoelmat
Samankaltainen aineisto
Näytetään aineisto, joilla on samankaltaisia nimekkeitä, tekijöitä tai asiasanoja.
-
Origo Steering Wheel: Improving Tactile Feedback for Steering Wheel IVIS Interaction using Embedded Haptic Wave Guides and Constructive Wave Interference
Farooq, Ahmed; Venesvirta, Hanna; Sinivaara, Hasse; Laaksonen, Mikko; Hippula, Arto; Surakka, Veikko; Raisamo, Roope (ACM, 09.09.2021)
conferenceObjectAutomotive industry is evolving through “Electrification”, “Autonomous Driving Systems”, and “Ride Sharing”, and all three vectors of change are taking place in the same timeframe. One of the key challenges during this ... -
On mechanistic vs. self-steering views of human being in information systems theory vs. practice
Järvinen, Pertti
Tietojenkäsittelytieteden laitoksen sarja D -Verkkojulkaisut : D-2006-9 (2006)
book -
Steering Capacitor Film Development with Methods for Correct and Adequate Dielectric Performance Assessment
Ritamäki, Mikael (Tampere University, 2019)