Speed Control of Large Sea Going Vessels

For a ship sailing between destinations on a schedule, having a speed controllerthat can sail the ship according to a speed reference oers extended capabilitiesfor the crew. It is also a necessary tool for sailing the ship, according to anoptimally planned speed reference. A method used for speed control of largesea-going vessels today is PID-control. This solution, however, tends to oerpoor performance: the speed of the vessel tends to overshoot the reference duringreference changes and the controller has a hard time tracking the referenceunder disturbances from waves and wind.This thesis investigates the possibility of using Model Predictive Control toachieve better control performance while satisfying the constraints of the ship'spropulsion system. The solution presented in this thesis is to use a Model PredictiveController that uses a linear model obtained at each sampling instancefrom a ship's nonlinear surge dynamics. The required thrust, calculated by thecontroller, is then mapped to a fuel consumption setpoint for the ship's mainengines. The results show that the MPC can in simulations achieve oset freetracking without overshoots or undershoots. Full scale test on a ship with alength of 171 [m] shows that the controller achieves good performance at speedsover 13 [kn] and in steady-state operation under modest disturbances, but isunable to achieve satisfactory tracking during accelerations or decelerations atspeeds less than 13 [kn].För en besättning som seglar ett fartyg mellan destinationer är det ett storthjälpmedel att ha tillgång till en hastighetsregulator. En hastighetsregulatorär också ett nödvändigt verktyg för att kunna segla fartyget enligt en optimalt planerad hastighet. Den regulatortyp som används idag för att reglera hastigheten på stora fartyg är av typen PID. Reglerprestandan från denna lösningen är i vissa fall bristfällig: fartygets hastighet tenderar att överskjuta börvärdet vid börvärdesändringar och prestandan försämras drastiskt vid påverkan av störningar såsom vågor och vind.Detta examensarbete undersöker möjligheten att förbättra reglerprestandan med hjälp av modellprediktiv reglering och för att samtidigt tillfredsställa framdrivningssystemets begränsningar. För att lösa problemet med hastighetsreglering presenteras i denna avhandling en modellprediktiv regulator som använder en linjariserad modell framtagen vid varje samplingstilfälle från ett fartygs olinjära hastighetsdynamik. Den beräknade kraften från regulatorn översätts till ett bränslekonsumtionsbörvärde som används av lågnivå regleringen för fartygets dieselmotorer. Resultaten visar att MPC:n kan i simuleringar uppnå felfri referensföljning och utan att överskjuta eller underskjuta börvärdet vid börvärdesförändringar. Fullskaliga test på ett fartyg med en längd på 171 [m] visar att regulatorn har bra prestanda vid hastigheter över 13 [kn] och i steady state under modesta störningar. Reglerprestandan är dock bristfällig vidbörvärdesförändringar under 13 [kn]