Dynamic modelling and control of a marine thruster

Modélisation dynamique et commande d'un propulseur naval

Matthieu Vonnet (1, 2)

1 IREENA - Institut de Recherche en Energie Electrique de Nantes Atlantique EA4642
2 LMF - Laboratoire de mécanique des fluides

This thesis deals with the dynamic modelling and the thrust control of electric marine thrusters. A state of the art of electric thrusters modelling is first proposed. A thruster quasi-static model is studied and experimentally identified on our test bench in the IREENA Laboratory. The need of a more precise marine propeller dynamic model is shown. Two approaches are then considered. The first one is the physical modelling of the marine propeller. The momentum theories and the blade elements theory are recalled, and then the dynamic linear momentum theory, developed in a rigorous way, is exposed. A propeller dynamic model is deduced from this last theory and is experimentally studied. Next, a frequency domain approach is used to model the propeller dynamics. Two identification methods of the proposed dynamic model, without hydrodynamic measurements, are developed and experimentally validated. The thrust control of thrusters is tackled in the last part of this report. Existing control methods are briefly studied and experimentally tested. The tests show the need of improving the control robustness. An original control law, involving a propeller hydrodynamic torque observer and the propeller dynamic model, is finally proposed. Experimental tests are presented to assert the control method accuracy.

Ce mémoire de thèse porte sur la modélisation dynamique et la commande en poussée des propulseurs navals. Un état de l'art de la modélisation des propulseurs électriques est d'abord présenté. Un modèle quasi-statique de propulseur est étudié et identifié expérimentalement en employant le bassin d'essais du Laboratoire IREENA. La nécessité d'un modèle dynamique d'hélice plus précis est mise en évidence. Deux approches sont alors envisagées. La première consiste à modéliser physiquement une hélice marine. Les théories des moments et la théorie des éléments de pale sont rappelées, puis la théorie dynamique du moment linéaire des hélices, développée dans un cadre rigoureux, est exposée. Un modèle dynamique d'hélice est déduit de cette dernière théorie et est étudié. La modélisation dynamique de l'hélice est ensuite envisagée par une approche fréquentielle, mieux adaptée à la commande. Des méthodes d'identification sans mesure hydrodynamique sont proposées et validées expérimentalement. La commande en poussée des propulseurs est abordée dans la dernière partie. Des méthodes de commande existantes sont brièvement étudiées et testées expérimentalement. Les tests réalisés mettent en évidence la nécessité de disposer d'une méthode de commande plus robuste vis-à-vis de la ventilation de l'hélice, qui occasionne des pertes de poussée importantes. Une nouvelle loi de commande, s'appuyant sur un observateur du couple hydrodynamique et sur le modèle dynamique de l'hélice, est finalement proposée. Des résultats expérimentaux, attestant la précision de la commande proposée, sont présentés.

Mots clés: observer; thruster; marine propeller; dynamic modelling; thrust control

Mots clés: propulseur naval; hélice; modélisation hydrodynamique; commande en poussée; observateur

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Matthieu Vonnet. Modélisation dynamique et commande d'un propulseur naval. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Nantes, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00460439⟩