Vurderingsordning

Faglig innhold

Emnet vil gi innsikt og kunnskap til å analysere, utvikle, og teste avanserte marine reguleringssystemer. Det vil dekke matematisk modellbasert design av robuste ulineære regulator- og observeralgoritmer anvendelege for automatisk styring av skip, undervannsfarkoster, marine strukturer, maskineri- og propulsjonssystemer, og andre maritime applikasjoner. Kurset er basert på forelesninger, teoretiske og simuleringsbaserte øvinger, og eit prosjekt på praktiske marine anvendelser - Dynamisk Posisjoneringslab (DP-Lab) i MC-Lab (viss ressursene for dette er tilstades).

Emnet består av forelesninger på ulineær systemteori og ulineære regulator- og observerdesign:

1. Stabilitetsteori for ulineære systemer.
2. Observer og estimeringsteori, persistent eksitasjon, observerbarhet, osv.
3. Observer designs (lineære og ulineære observere, separasjonsprinsippet).
4. Robuste ulineære reguleringsmetoder (backstepping metoder, ulineær PID og integralregulering, ISS design, m.m.)
5. Dynamisk Posisjonering (DP) kontrollsystem algoritmer for thrust allokering, posisjonsregulering, og DP observer design.
6. Manøvreringsbaserte regulatoralgoritmer og banefølging for marine farkoster (baneparametrisering, banegenerering, gaidingsprinsipper, og relevante regulatoralgoritmer).

Læringsutbytte

Ved avslutning av faget skal studenten vere i stand til å:

• Skissere den typiske topologien for eit tilbakekobla kontrollsystem og oversette kvar komponent og sammenkoblinger til eit sett av ordinære differensiallikninger.
• Diskutere eigenskaper for løysinger av tidsinvariante og tidsvariante ordinære differensiallikninger.
• Karakterisere lokale, globale, uniforme, og asymptotiske stabilitetsegenskaper til ulineære system ved hjelp av Lyapunov og relaterte teoremer.
• Diskutere dei vanlegaste reguleringsformål, definere konseptet "Control Lyapunov Function" (CLF), og anvende ein CLF-basert metodikk for å utforme ein reguleringsalgoritme i samsvar med ein spesifisert problemerklæring.
• Relatere begrensa forstyrrelser til "input-to-state stability" (ISS) for eit ulineært system og konvertere dette til ekvivalente beskrankinger for Lyapunov funksjonen.
• Diskutere trygghet i ein tilstandsrommodell, definere konseptet "Control Barrier Function" (CBF), og anvende ein CBF-basert metodikk til å utforme trygge regulatorer.
• Forklare forskjellen mellom minimum fase og ikkje-minimum fase systemer, kva nulldynamikk er, og rekne ut relativ grad for eit ulineært system.
• Forklare konseptet uniform komplett observerbarhet, demonstrere design av ein Luenberger observer for eit lineært system, og forklare separasjonsprinsippet.
• Demonstrere design av (ulineære) tilstandsestimatorer for å fusjonere og filtrere sensor målinger og rekonstruere umålte tilstander, f.eks. hastighetstilstanden for ein marin farkost.
• Demonstrere design av regulatoralgoritmer basert på linearisering ved tilbakekobling, backstepping, og robuste ulineære regulatorer med integraleffekt.
• Bruke "kontroll-barriere-funksjoner" (CBF) til å designe trygge regulatoralgoritmer som sikrer at tilstanden i det ulineære kontrollsystemet aldri forlater forhåndsspesifiserte trygge deler av tilstandsrommet.
• Formulere eit reguleringsformål som eit manøvreringsproblem og designe ein korresponderande manøvreringsregulator.
• Nytte ulineær reguleringsteori og relevante regulator og observer designmetoder for å utvikle eit Dynamisk Posisjonering kontrollsystem for eit modellskip, inkludert trustallokering, joystick-styring, DP tilstandsestimator, DP regulator, og ein guidance funksjonalitet.
• Forklare konsept relatert til autonome skip som navigerer i marin trafikk
• Gjennomføre labarbeid som eit gruppesamarbeid; utlede teoretiske løysinger på praktiske marine reguleringsproblem, implementere algoritmene i eit virkelig kontrollsystem, utføre simuleringer og laboratorietesting, og rapportere resultatene i ein prosjektrapport med ein tydelig og konsis framstilling av reguleringsproblem, regulatordesign, og resulterande (lukka sløyfe) ytelse
• Opprettholde personlig integritet ved å gjennomføre akademiske studier og skriftlege arbeider på ein ærleg og etisk måte, uten noko form for plagiering eller upassande oppførsel i arbeidsoppgaver, prosjekter, og eksamineringer.

Læringsformer og aktiviteter

Felles forelesninger, øvinger, og eit prosjekt for å realisere teoretiske metoder til praksis. Emnet vil inkludere øvinger og, hvis lab-ressurser er tilstrekkeleg, praktiske laboratoriesamlinger basert på Dynamisk Posisjonering, som eit reguleringsteknisk case studium, i Marine Cybernetics Lab (MC-Lab) for eit frittflytande modellskip - vi kaller det DP-lab'en. Studentane vil jobbe med laboppgaver for å opparbeide ferdigheter med praktisk implementering av teoretisk utvikla regulator- og observeralgoritmer ved bruk av ROS med noder koda i Python. Alternativet viss fysisk lab ikkje lar seg gjennomføre, er eit simuleringsbasert prosjektarbeid. Prosjektarbeidet skal resultere i ein prosjektrapport og -presentasjon som vil telle som delvurdering i endeleg karakter.

Obligatoriske aktiviteter

• Labarbeider

Mer om vurdering

Delvurderinger gir grunnlag for sluttkarakteren i emnet. I dette inngår prosjektarbeider med rapport og gruppepresentasjon, og avsluttande skriftleg (muleg digital) eksamen. Resultatet for kvar del blir gitt som bokstavkarakter A-F, og desse blir satt sammen til ein samla bokstavkarakter. Kvar delvurdering må vere bestått for å bestå emnet. Utsatt eksamen (kontinuasjonseksamen) er typsik osgå skriftleg eksamen, men kan bli endra til muntleg.

Anbefalte forkunnskaper

Det er anbefalt å ta dette emnet i serie med TMR4240 Marine regulerinssystemer I.

Forkunnskapskrav

Påkrevde forutsetninger:

• TTK4105 Reguleringsteknikk (eller tilsvarande)

Kursmateriell

Lærebøker:

• Khalil, H. K. (2015). Nonlinear Control, Global edition, Pearson Education Ltd, England.
• Alternativt den meir omfattande "Nonlinear Systems" av H.K. Khalil, 3rd ed. Prentice Hall, 2002.

Annet: Forelesningsnotater, digitale forelesningsvideoer, og utvalgte artikler, rapporter, og avhandlinger.