System identification and modal tracking on ship structures
Date
2018-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: are currently based mainly on dynamic response feedback. Navigators decide
on how to operate the vessel based on how they feel it pitching, heaving, rolling
and vibrating. The aim of this thesis is to investigate the idea of using system
identification and modal tracking on polar vessels towards the development of
a decision aiding system. System identification provides a powerful tool for
building mathematical models of dynamic systems. An open source toolbox
(openSID) for system identification using Stochastic Subspace Identification
(SSI) was developed as a research and learning tool. Full scale measurements
were performed on the research vessel Polarstern during an expedition to the
Arctic. This is the first comprehensive data set including vibration responses
and environmental parameters to span the entire operational profile of a research
voyage to the Arctic. System identification successfully identified seven
global modes in the bandwidth 2 - 10 Hz. Comparisons between different
methods were used to cross validate results. A modal tracking algorithm was
developed and relationships between identified modes and system inputs were
observed. A novel method is developed to improve the uncertainty and sensitivity
of system identification and tracking, based on a data driven statistical
model and a Kalman filter. A key objective is to make experimental data maximally
informative by using additional system inputs. The model was found
to accurately re-create the training data set and was used to make predictions
based on future system inputs. The Kalman filter estimates were observed
to produce balanced and consistent results. These results demonstrate the
potential of an ice force estimation and structural health monitoring system.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Kritieke besluite in terme van die veilige en doelgerigte bedryf van skepe in ys is tans hoofsaaklik gebasseer op dinamiese hanterings terugvoer. Besluite oor hoe om die vaartuig te navigeer word toegelig deur hoe seevaarders die skip voel duik, heg, rol en vibreer. Die doel van hierdie tesis is om die idee van stelselidentifikasie en modale naspeuring op poolskepe te ondersoek ten einde die ontwikkeling van ’n besluitnemingstelsel. Stelselidentifikasie bied ’n kragtige metode vir die bou van wiskundige modelle van dinamiese stelsels. Oopbron gereedskap algoritme (openSID) vir stelselidentifikasie, met die gebruik van Stochastiese Subspasie Identifikasie (SSI) is ontwikkel as ’n navorsings en leer instrument. Volskaal metings is uitgevoer op die navorsing skip Polarstern tydens ’n ekspedisie na die Arktiese gebied. Dit is die eerste omvattende datastel wat vibrasierespons en omgewingsparameters insluit om die hele operasionele profiel van ’n navorsingsreis na die Arktiese omgewing te dek. Stelselidentifikasie het sewe globale modes in die bandwydte 2 - 10 Hz geïdentifiseer. Vergelykings tussen twee metodes is gebruik om resultate te bekragtig. Modale naspeuringsalgoritme is ontwikkel en verhoudings tussen geïdentifiseerde modusse en stelselinsette is waargeneem. Nuwe metode is ontwikkel om die onsekerheid en sensitiwiteit van stelselidentifikasie en naspeuring te verbeter, gebasseer op ’n data gedrewe statistiese model en ’n Kalman filter. ’n Hoof doelwit is om eksperimentele data maksimaal insiggewend te maak deur addisionele stelsel insette te gebruik. Dit is gevind dat die model die opleidingsdatastel akkuraat naboots. Hierna is dit gebruik om voorspellings te maak gebasseer op toekomstige stelselinsette. Beraming met die Kalman filter is waargeneem om gebalanseerde en konsekwente resultate te lewer. Hierdie resultate demonstreer die potensiaal van ’n besluitnemingsstelsel om ys kragte af te skat en strukturele integriteit te monitor.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Kritieke besluite in terme van die veilige en doelgerigte bedryf van skepe in ys is tans hoofsaaklik gebasseer op dinamiese hanterings terugvoer. Besluite oor hoe om die vaartuig te navigeer word toegelig deur hoe seevaarders die skip voel duik, heg, rol en vibreer. Die doel van hierdie tesis is om die idee van stelselidentifikasie en modale naspeuring op poolskepe te ondersoek ten einde die ontwikkeling van ’n besluitnemingstelsel. Stelselidentifikasie bied ’n kragtige metode vir die bou van wiskundige modelle van dinamiese stelsels. Oopbron gereedskap algoritme (openSID) vir stelselidentifikasie, met die gebruik van Stochastiese Subspasie Identifikasie (SSI) is ontwikkel as ’n navorsings en leer instrument. Volskaal metings is uitgevoer op die navorsing skip Polarstern tydens ’n ekspedisie na die Arktiese gebied. Dit is die eerste omvattende datastel wat vibrasierespons en omgewingsparameters insluit om die hele operasionele profiel van ’n navorsingsreis na die Arktiese omgewing te dek. Stelselidentifikasie het sewe globale modes in die bandwydte 2 - 10 Hz geïdentifiseer. Vergelykings tussen twee metodes is gebruik om resultate te bekragtig. Modale naspeuringsalgoritme is ontwikkel en verhoudings tussen geïdentifiseerde modusse en stelselinsette is waargeneem. Nuwe metode is ontwikkel om die onsekerheid en sensitiwiteit van stelselidentifikasie en naspeuring te verbeter, gebasseer op ’n data gedrewe statistiese model en ’n Kalman filter. ’n Hoof doelwit is om eksperimentele data maksimaal insiggewend te maak deur addisionele stelsel insette te gebruik. Dit is gevind dat die model die opleidingsdatastel akkuraat naboots. Hierna is dit gebruik om voorspellings te maak gebasseer op toekomstige stelselinsette. Beraming met die Kalman filter is waargeneem om gebalanseerde en konsekwente resultate te lewer. Hierdie resultate demonstreer die potensiaal van ’n besluitnemingsstelsel om ys kragte af te skat en strukturele integriteit te monitor.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2018.
Keywords
Structural dynamics, Icebreakers (Ships), Modal analysis, System identification, Artificial intelligence -- Engineering applications, Ship resistance -- Computer programs, UCTD