Conditional optimization of vessel controls with wind additional propulsion system.

Abstract

The maritime industry is facing significant challenges due to increasingly stringent legislative requirements for reducing emissions of harmful substances into the atmosphere and mitigating climate change. Among the wide range of technologies and fuel solutions considered in this context, one of the most promising is wind additional propulsion systems (WAPS), which can significantly reduce fuel consumption by ships and, as a result, reduce emissions of greenhouse gases and other harmful substances into the atmosphere. At present, wind propulsion systems such as WindWings, Wind Challenger, CWS are already in operation on ships including Pyxis Ocean, Berge Olympus, Shofu Maru, Windcoop and others. The WindWings system does not require auxiliary power for operation and has a built-in feathering function to manage sail performance in different weather conditions. The Wind Challenger system uses advanced patented technologies that allow the determination of wind direction and speed in real time, providing fully automatic control of extending, retracting, compressing and rotating sails. These and other wind turbines operate autonomously, independently of the vessel motion control system. The object of the research is the process of finding optimal controls for the combined structure of the vessel's actuators, which includes traditional actuators (propeller, rudder) and additional wind turbines. A method for controlling the movement of a vessel with additional wind turbines has been developed, which allows for further reduction in fuel consumption. This is achieved by finding optimal controls for the combined structure of the vessel's actuators by solving the problem of conditional optimization with equalities and inequalities in the on-board computer of the automatic control system. Equalities ensure the creation of the forces and moments necessary to maintain the given motion, and inequalities take into account the permissible ranges of control changes. The results obtained can be used in the development of mathematical support for autonomous vessel control systems or mathematical support for automatic control modules in automated systems. Морська галузь стикається зі значними викликами через дедалі жорсткіші законодавчі вимоги щодо скорочення викидів шкідливих речовин в атмосферу та покращення клімату. Серед широкого спектра технологій та паливних рішень, що розглядаються в цьому контексті, одними з найперспективніших є додаткові вітрові рушійні системи (WAPS), які можуть суттєво зменшити споживання палива суднами та, як наслідок, зменшити викиди парникових газів та інших шкідливих речовин в атмосферу. Відомі рішення дозволяють зменшити витрати палива за рахунок використання енергії вітру, які полягають у розрахунку оптимальних керувань лише для вітрорушіїв. Об’єктом дослідження є процеси пошуку оптимальних керувань для об’єднаної структури виконавчих пристроїв судна, яка включає традиційні керування (гвинт, стерно) та додаткові вітрорушії. Розроблено метод керування рухом судна з додатковими вітрорушіями, який дозволяє ще більше зменшити витрати палива. Це досягається шляхом знаходження оптимальних керувань для об’єднаної структури виконавчих пристроїв судна шляхом вирішення у бортовому обчислювачі автоматичної системи керування задачі умовної оптимізації з обмеженнями типу рівностей та нерівностей. Обмеження типу рівностей забезпечують створення необхідних для підтримування заданого руху сил і моментів, а обмеження типу нерівностей враховують допустимі діапазони зміни керувань. Отримані результати можуть бути використані при розробці математичного забезпечення систем керування автономними суднами, або математичного забезпечення модулів автоматичного керування в автоматизованих системах.