In this work, we present a novel MPC-integrated multiphase IB framework that can compute the optimal energy-maximizing control force on-the-fly by dynamically interacting with a high-fidelity numerical wave tank (NWT). Due to the requirement of solving a constrained optimization problem at each time step of the IB simulation, the MPC algorithm utilizes a low-dimensional dynamical model of the device that is based on the linear potential theory (LPT). The multiphase IB solver, on the other hand, is based on the high-dimensional fictitious domain Brinkman penalization (FD/BP) method, which fully-resolves the hydrodynamic nonlinearities associated with the wave-structure interaction (WSI). A time-series forecasting auto-regressive model is implemented that predicts wave heights to estimate the future wave excitation/Froude- Krylov forces for the MPC algorithm. Moreover, we also experiment with non-linear Froude-Krylov (NLFK) forces for the first time in an MPC formulation. Under varying sea conditions, the predictions of the MPC-integrated multiphase IB solver are compared to the widely popular LPT-based solvers. Overall, six WSI/MPC solver combinations are compared for a heaving vertical cylinder. We also determine the pathway of energy transfer from the waves to the power take-off (PTO) system and verify the relationships using IB simulations. Additionally, three different sea states are simulated within the IB simulation to test the adaptive capability of MPC for WECs. MPC is demonstrated to adapt to changing sea conditions and find the optimal solution for each sea state.


翻译:在这项工作中,我们提出了一个新型的MPC集成多阶段 IB 框架,它可以通过与高纤维数字波体(NWT)动态互动,在空中计算最佳的能量最大化控制力量。由于需要在IB模拟的每个阶段解决有限的优化问题,MPC 算法使用基于线性潜在理论的装置低维动态模型。另一方面,多阶段 IB 解答器基于高维虚构域域域布林克曼惩罚(FD/BP)方法,该方法能完全解析与波结构互动相关的流动非线性动态控制力量。一个时间序列预测自动反向模型可以预测波高来估计未来波的振动/Froud-Krylov 电动。此外,多阶段 IB 的模拟流动(NLFPK) 解算(NLFK) 系统首次在 MPC 的模拟域域域域内调控(FD/B) 流动(FLFLFK) 流动(FMC) 电流中, 的流动流动流动流动流动流动流动流动和流动流动流动流变为流动流动流动的流动流动流动流变换为流动流动/ 流动流动流动的流动流动流动流动到流动流动流动流动到流体的流动。在不同的海中,在不同的海中,在不同的海中,在不同的海中,在不同的海流化和流的流的流的流动中, 流动流动流动中,在不同的流动中,在不同的海流动中,在不同的海流动中,对流变到流的流的流的流的流化到流变到流的流变到流变到流变到流变到流的流中, 流中, 流中, 流的流到流力到流力到流变到流变到流力到流的流中,在不同的海中,在不同的海中,在不同的海中,在不同的海中,在不同的海中,在不同的海中,在不同的海流变到流变到流力到流力到流的流的流力到流力到流力到流

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