طراحي سيستم كنترل مبتني بر بازخورد موقعيت و تخمين اختلال در تثبيت موقعيت ديناميكي شناورهاي دريايي

Control system design based on position feedback and disturbance estimation in dynamic positioning of marine vessels

در اين مقاله يك روش جديد طراحي سيستم كنترل مبتني بر بازخورد سيگنال موقعيت و مشاهده‌گر اختلال براي تثبيت موقعيت ديناميكي شناور‌هاي دريايي ارايه شده‌است. اين سيستم از يك كنترل‌كننده در مسير مستقيم و يك فيلتر- مشاهده‌گر پيشنهادي در مسير بازخورد تشكيل شده‌است. ساختار فيلتر- مشاهده‌گر تركيبي از يك فيلتر شكافدار اصلاح ‌شده و يك مشاهده‌گر غيرخطي ‌بوده كه به صورت سري به هم متصل شده‌اند. وظيفه فيلتر، تخمين حركت فركانس پايين و حذف حركت فركانس موج شناور با استفاده از سيگنال موقعيت است. اختلال فركانس پايين و سرعت شناور توسط مشاهده‌گر غيرخطي و با استفاده از حركت فركانس پايين شناور تخمين ‌زده مي‌شود. مستقل بودن فيلتر از مشاهده‌گر باعث افزايش كيفيت و دقت در تخمين حركت فركانس پايين، اختلال و سرعت شناور ميشود كه به نوبه خود باعث افزايش كيفيت عملكرد سيستم كنترل مي‌گردد. علاوه بر اين، فيلترينگ و تخمين حركت فركانس پايين مستقل از مدل‌هاي شناور و اختلال فركانس پايين بوده و لذا نسبت به نامعيني‌هاي مدل مقاوم است. در شبيهسازي عددي، اهميت و تاثير فيلترينگ موج و تخمين اختلال فركانس پايين بر كاهش نوسانات سيگنال كنترل بررسي ميشود كه از نقطه نظر كاهش سايش و خرابي محرك‌ها، كاهش مصرف سوخت و مقاوم شدن سيستم كنترل در مقابل اختلال‌هاي محيطي بر روي يك شناور سطحي اهميت دارد. علاوه بر اين، عملكرد سيستم كنترل پيشنهادي با عملكرد روش متداول مقايسه شده و صحت و برتري عملكرد آن نشان‌داده ميشود.

This paper presents a new approch in the design of output feedback control system based on disturbance observer for dynamic positioning vessels. The proposed control system includes a controller and a structure of a modified notch filter and a nonlinear observer. The filter is used for estimating low-frequency motions and removing the wave-frequency motions by using vessel position measurement. The low-frequency disturbances and vessel-velocities are estimated in nonliner observer using the low-frequency vessel motion. In this structre, wave filtering and low-frequency motion estimation are independent from the estimation of low-frequency disturbances and vessel velocities. It results in increased accuracy of filtering and estimation which results in desirable performance of control system. Also, filtering is independent of the vessel and low frequency disturbances models, and therefore it is not affected by modeling uncertainty. The effect of wave filtering and low-frequency disturbances estimation in DP control system from the point of reducing control signal fluctuations were evaluated with numerical simulation. This is important in view of reduction of wear and tear in propulsion system and fuel consumption in a surface vessel. Futhermore, simulation results show that the proposed method has better performances in comparision with conventional method.