Advanced strategies for control and fault diagnosis of marine surface vessels

The motion of surface vessels due to waves is significantly affected by environmental disturbances, like waves, currents and wind. The roll-induced high vertical accelerations increase the possibility of cargo damage and the incidence of seasickness development, while horizontal motion due to waves, currents, waves and wind affects the ship offloading and dynamic positioning operation. Thus the design of control systems to damp the induced roll motion and to guarantee a reliable stabilization to fixed or dynamic position, also in case of thruster failure, as prescribed from certification agencies. The main issue is reaching a proper trade-off between the achievable performances and the complexity of the control system in relation to the operating condition and the coupling between the ship degree of freedom. This thesis presents some novel contributions to the quantification of fundamental limitation in roll stabilisers and a novel variable structure control system focused on the robustness respect to model uncertainties, environmental disturbances and thruster failures specific for rudder-fin-roll-stabilers and dynamic positioning. The proposed solutions are validated using simulation tools and software and experimental tests conducted at the Marine Cybernetics Laboratory of the Norwegian University of Science and Technologies with a scaled model vessel.

Il moto di vascelli superficiali è pesantemente influenzato dalla presenza di onde e altri disturbi ambientali. Il moto di rollio indotto dalle onde provoca accellerazioni verticali che possono incrementare le possibilità di danni al carico e l’incidenza di malori per passeggeri ed equipaggio, mentre i moti orizzontali indotti da correnti, onde e vento influiscono sul preciso posizionamento della nave nelle operazioni di ancoraggio o di accostamento della nave. E’ di grande importanza per la sicurezza e il comfort di equipaggio ed eventuali passeggeri, nonchè sicurezza del carico, affidabilità e operabilità della nave che il vascello sia predisposto con opportuni sistemi di controllo in grado di smorzare il moto di rollio o garantire un corretto posizionamento della nave in maniera affidabile, quindi anche in caso di guasti alle appendici di controllo. Per questi aspetti il problema principale risiede nel trovare il giusto trade-off tra le prestazioni e la complessità del sistema di controllo in rapporto alle condizioni operative, dovute agli accoppiamenti tra I gradi di libertà del sistema. Questa tesi presenta dei contributi innovativi per la quantificazione delle limitazioni insite nei sistemi di controllo per lo smorzamento del rollio attraverso lo studio delle caratteristiche proprie del modello idrodinamico e propone un innovativo sistema controllo a struttura variabile focalizzato sulla robustezza in risposta a incertezze sul modello, ai disturbi esterni e a possibili guasti nel sistema di attuazione della nave nei sistemi di controllo per la stabilizzazione del moto di rollio e per il posizionamento dinamico della nave. Le soluzioni proposte sono state validati tramite tool e software per la simulazione, nonchè tramite test condotti in vasca con un modello in scala di un vascello di superficie.