Konteyner Krenlerinde Depremden Kaynaklanan Titreşimlerin Bulanık PID Kontrolör ile Aktif Kontrolü

Transkript

1 Fırat Üniv. Mühenisli Bilileri Dergisi Fırat Univ. Journal of Engineering (), 9-, (), 9-, Konteyner Krenlerine Depreen Kaynalanan Titreşilerin Bulanı PID Kontrolör ile Atif Kontrolü C.Otay AZELOĞLU, Ahet SAĞIRLI, Haan YAZICI, Rahi GÜÇLÜ Yılız Teni Üniversitesi, Maine Mühenisliği Bölüü, Beşitaş/İstanbul (Geliş/Reeive: 8..; Kabul/Aepte:..) Özet Bu çalışaa, onteyner renlerine epreen aynalanan titreşileri azalta için atif titreşi ontrolü gerçeleştiriliştir. Bu aaçla, önelile onteyner renlerinin epre esnasınai avranışlarını ortaya oyan ço serbestli ereeli bir inai oel oluşturuluş, arınan titreşileri azaltaa ontrolör tasarıı yapılıştır. Çalışaa bulanı PID ontrolör tasarlanara ren yapısına epreen aynalanan titreşiler azaltılıştır. Tasarlanan ontrolörün ve renler için önerilen atif ontrol sisteinin perforansı siülasyon çalışaları ile ortaya onuştur. Siülasyonlara beş serbestli ereeli ren sisteine bozuu giriş olara 999 Marara Koaeli epreine ait yer hareetinin zaan fonsiyonu uygulanıştır. Siülasyon sonuçları önerilen atif ontrol sisteinin başarısını ve tasarlanan ontrolörün ren yapılarının atif titreşi ontrolüne öneli bir potansiyele sahip oluğunu göstereteir. Anahtar elieler: Atif titreşi ontrolü, Öz uyarlaalı bulanı antılı P-ID ontrol, Krenler, Depreen aynalanan titreşiler. Ative Control of Container Cranes Vibrations against Earthquae by the Use of Fuzzy PID Controller Abstrat This paper is onerne with the ative vibration ontrol of ontainer ranes, whih is effete by earthquae. For this purpose, firstly a ulti egrees-of-freeo atheatial oel is evelope inluing behavior of the ontainer ranes uner earthquaes then ontroller is esigne to reue the vibrations of the rane struture. Fuzzy PID ontroller is esigne to reue the vibrations of the rane struture in this paper. Perforane of the esigne ontroller an ative ontrol syste siulate. The siulate syste has a five egrees-of-freeo an oele syste was siulate against the groun otion of the Marara Koaeli earthquae in 999. Siulation results exhibit that superior earthquae inue vibration suppression is ahieve by the use of esigne ontroller an ative vibration ontrol syste. Keywors: Ative vibration ontrol, Fuzzy PID ontrol, Container ranes, Earthquae inue vibrations.. Giriş Deprelerin renlere veriği hasarların önei ana li yıllara yalaşılığına anlaşılaya başlanı. Deprelerin renler üzerinei etisinin geç far eilesinin bir neeni büyü apasiteli renlerin ço yaygın bir şeile ullanılıyor olasıyı. Ana son yıllara ünya çapına üreti ve tüetiin artasının oğal bir sonuu olara aha büyü geiler, aha büyü lianlar ve olayısıyla aha büyü renler ullanılaya başlanıştır. Diğer bir neen ise renler üzerine epre etilerini gözleleyee öneli bir eneyi olaasıyı. Ana 99 Kobe epreinin renler üzerinei yııı etisi bu onunun öneini ortaya oyuştur. Şeil e Kobe epreine yıılan bir ren görületeir. Bu epree büyü apasiteli renlerin olaya hasar göreleri ve yıılaları renlerin epree arşı ayanılı hale getirilesini günee getiriştir.

2 C. Otay Azeloğlu, Ahet Sağırlı, Haan Yazıı, Rahi Güçlü Şeil. 99 Kobe epreine yıılan bir onteyner reni (Fotoğraf: C. Sawthorn) Literatüre renlerin sisi avranışlarının ineleniği az sayıa çalışa evuttur. Kanayaa ve Kashiwazai [], yapış oluları çalışaa onteyner renlerinin büyü epreler altınai inai avranışlarını ineleiştir. Çalışaa, / ölçeli bir ren oeli oluşturuluş ve sarsa asası üzerine gerçe epre verileri ile testler gerçeleştirişlerir. Testler bo eseni oğrultusuna te esenli olara yapılıştır. Çalışanın oa notası renlerin sisi avranışlarını gözleleetir. Kanayaa ve iğerleri [], yapış oluları çalışaa /8 ölçeli bir ren oeli oluşturuş ve sarsa asası üzerine gerçe epre verileri ile testler gerçeleştirişlerir. Testler bo eseni oğrultusuna te esenli olara yapılıştır. Çalışa ren yapısının epre etisi altınai esneliğinin gözlelenesi aaına oalanıştır. Sugano ve araaşları [], yapış oluları çalışaa farlı etotlar ullanara epree aruz renlerin inai avranışlarını teori olara ineleiş, ayrıa / ölçeli bir ren oeli oluşturara sarsa asası üzerine testler gerçeleştiriştir. Teori çalışaa, ren oeli te serbestli ereeli basit bir ütle yay sistei olara oelleniş, ayrıa sonlu eleanlar yöntei ile analizler gerçeleştiriliştir. Deneysel çalışa ise, bo eseni oğrultusuna te esenli olara yapılış ve testlere titreşileri sönüleyee bir izolasyon sistei ullanılıştır. Sonuçta, farlı yöntelerle ele eilen sonuçlar arşılaştırılış ve ayrıa izolasyon sistei ullanılasının ren yapısına gelen iveleri azalttığı ortaya onuştur. Son yıllara epreen aynalanan titreşileri izole ete için atif ontrol uygulaaları üzerine çalışalar yürütületeir. Atif ontrol sisteleri, ışarıan bir enerji aynağı yarııyla yapının yer eğiştirelerini istenilen üzeye tuta için geliştirilen sistelerir. Bu sisteler gelişiş bilgisayarlar ile onatılış olup, titreşilerin etilerini yapıa bir arşı hareet üretere sönüleeye çalışan ontrol sisteleriir []. Atif ontrol uygulaası il olara Japonya a uygulanaya başlanış ve biraç bina bu sistele onatılıştır []. Yağız ve araaşları, yapısal titreşileri azalta için ayan ipli ontrol etou ullanışlarır [6]. Güçlü ve Sertbaş [], beş serbestli ereeli atif ütle aperli bir yapıya ayan ipli ontrol ve PID ontrol uygulaışlarır. Güçlü ve Yazıı [8, 9], epre etisinei on beş serbestli ereeli bir yapının titreşilerinin atif ontrolü için bulanı antı tabanlı ontrolör tasarıları yapıştır. Literatüre ren yapılarına atif titreşi ontrolü üzerine yapılan il çalışa Sağırlı ve iğerleri tarafınan gerçeleştiriliştir []. Bu çalışaa ren yapısının epre avranışlarını ortaya oyaa, toprağın inaiğini e içeren, nonlineer bir inai oel geliştiriliş, arınan tasarlanan ontrolör ile epree aruz ren yapısının stabilitesi sağlanıştır. Çalışaa önerilen ontrolü Öz Uyarlaalı Bulanı Mantı Kontrolör yapısıır. Çalışaa bozuu giriş olara 999 Marara Koaeli epreinin yer hareetinin zaan fonsiyonu uygulanış ve siülasyonlar yoluyla sistein başarısı ortaya onuştur. Siülasyon sonuçları ren yapılarına atif titreşi ontrolünün başarıyla uygulanabileeğini ortaya oyataır. Bu çalışanın aaı, onteyner renlerinin epree yöneli atif titreşi ontrolünü sağlaatır. Çalışaa önelile onteyner renlerinin epre esnasınai avranışlarını ortaya oyan ço serbestli ereeli bir inai oel geliştiriliş, arınan atif titreşi ontrolünü gerçeleştiree Bulanı PID ontrolörün () tasarıı yapılıştır. Tasarlanan ontrolünün perforansı 999 Marara Koaeli epreinin yer hareetinin zaan fonsiyonunun uygulanığı siülasyon çalışalarıyla ortaya onuş ve sonuç ısına sistein başarısı vurgulanıştır.

3 Konteyner Krenlerine Depreen Kaynalanan Titreşilerin Bulanı PID Kontrolör ile Atif Kontrolü. Dinai Moel Çalışanın bu bölüüne epre etisinei ren yapısının titreşilerinin inelenebilesi için serbestli ereeli bir inai oel geliştiriliştir. Moellenen ren onteyner ren yapısıır. Deprelerin yııı etileri yatay titreşilerin bir sonuu olara ortaya çıtığınan, serbestli ereesi saee bu yöne hesaba atılıştır. Depre esnasına ren yapısı üzerinei en büyü yııı etinin ayalara oluşası ve en büyü yer eğiştirelerin ise renin öprü ve tepe ısılarına eyana gelesi beleneteir. Bu neenle, atif ontrol zein ile ayalar arasına uygulanış ve sistee atif izolatör olara oğrusal otorlar ullanılıştır. Sistein fizisel oeli Şeil e görületeir. eleanlarının yatay oğrultua etili oluğu abul eiliştir, oele yer alan tü ütleler notasal ütle olara abul eiliştir, halat rijit ve ütlesiz olara ele alınıştır, oğrusal otorlar zein ile yürüte eanizası arasına bağlanıştır ve teerle ray bağlantısının inaiği oele ahil eiliştir. Sistein hareet enlelerinin ele eilesine Lagrange yöntei ullanılıştır. Lagrange enleini aşağıai gibi ifae eerse: t E E q & i qi E q p i E q& D i Q i ( i,...,) () buraa, E sistein ineti enerjisi, E p sistein potansiyel enerjisi, E D sistein sönü enerjisi, q i genelleştiriliş oorinatlar ve Q i ış uvvetlerir. Enerji enleleri ele eilir, Lagrange enleine yerine yazılırsa sistein hareet enlei aşağıai gibi ifae eilebilir. M & x Cx & Kx MLx && HF () u Şeil. Depree aruz onteyner reninin fizisel oeli Moele,,,,, sırasıyla yürüte eanizası, rijit irişler, öprü, üst irişler ve yüün ütlesi, ve teerle-ray bağlantısının rijitliği ve sönüü,, ve portal irişlerin rijitliği,, ve portal irişlerin sönüü ve L halatın uzunluğuur. x ren yapısına uygulanan bozuu epre hareetini, x, x, x, x ilgili ısıların yer eğiştirelerini ve θ yüün salını açısını ifae eteteir. Geliştirilen inai oel şu abulleri içereteir; sistein serbestli ereesi yatay oğrultua alınıştır, tü ütle, yay ve sönü Buraa, x[x x x x θ] T bağıl yer eğişii vetörü, H[ ] T vetörü, L[ ] T sisi giriş vetörü, F u oğrusal otorlar tarafınan üretilen ontrol uvvetiir. M, C ve K ise sırasıyla sistein ütle, sönü ve rijitli atrisleri olup Ete veriliştir. Atif titreşi ontrolü ile ilgili çalışalara oğrusal otorların ullanılabilirliği literatüre eneysel çalışalarla ispatlanıştır []. Bu tür bir oğrusal otorun enlei ve bobin sargı aıı ile ontrol uvveti arasınai ilişi aşağıai gibi ifae eilebilir. Ri K x& e x& ) u F u K i f ( () () u ve i sırasıyla bobin sargısının voltaj ve aııır. Buraa u aynı zaana ontrol voltaj girişiir. R ve K e bobin sargısının irenç eğeri ve eti een voltaj sabiti, K f bobin sargısının ite sabitiir. Denlelere bobin sargısının enütans aıı ihal eiliştir.. Bulanı PID Kontrolör Tasarıı Bulanı Mantı, Zaeh in Bulanı Küeler alı yayınınan günüüze aar

4 C. Otay Azeloğlu, Ahet Sağırlı, Haan Yazıı, Rahi Güçlü büyü bir gelişe gösteriştir []. Yapay zeânın onularınan biri olan bulanı antı, ontrol alanına geniş bir ullanı alanı buluştur. BMK tasarıı genel olara üç evreen oluşur. Bunlar sırasıyla, bulanılaştıra, ural tabanı ve urulaştıra işleleriir. Bulanılaştıra ile esin eğerler ural tabanına eğerlenirile üzere bulanı eğerlere önüştürülür. Kural tabanı ise siste haına eneyi ve bilgi biriiine ayanılara uygun uralların oluşturulası işleiir. Ele eilen bulanı eğerler bu ural tabanına eğerlenirilere uygun çıış eğeri ele eilir. Kural tabanına üretilen bulanı çıış eğeri urulaştıra işleiyle esin eğere önüştürülür. Günüüze birço ühenisli sisteine bulanı antı yaygın olara ullanılataır. Çalışaa önerilen ontrolörün evut üstünlüleri ullanılara onteyner renlerine epreen aynalanan yapısal titreşilerin önlenesi aaçlanıştır. Literatüre, Bulanı PID (PI ve PD yapılarını içeren) için ço sayıa ontrolör yapısı önerileteir. Bulanı PD ontrolörün alıı uru hatasını ortaan alırası güç oluğunan, bulanı PI ontrolör aha ullanışlıır. Bunun yanına Bulanı PI ontrolör yüse ereeli sistelerin geçii reji evaplarına üşü perforans gösterir. Bu neenle uygulaaa Bulanı PID ontrolör aha yararlıır. Oransal, integral ve türev ontrol etilerini bir araa ele ete için uygun bir şeile PI ve PD ontrol etisini birleştirere Bulanı PID yapısı ele eilir. Bu yapı, Bulanı PD ontrolörün çıışının, ontrolör çıışına elenen integratör ile toplanasıyla ele eilir []. Şeil te yapısının blo iyagraı görületeir. buraa U Bulanı Mantı Kontrolörün (BMK) çıışıır. BMK ün giriş ve çıış eğişenleri arasınai ilişi aşağıai gibi veriliştir;. U A PE D E (6) buraa E K. e e ve.. E K.e ir ve ün çıışı aşağıai gibi ele eilir. u αa βat αk epe βk De βk ep et () αk. D e Bu urua ün eşeğer ontrol eleanları aşağıai gibi ele eilir. Oransal azanç : α KeP βk D İntegral azanı : β K e P Türev azanı : αk D Tasarlanan e, giriş olara hata (ex ref x ) ve hatanın türevi (e/t) alınış, ontrol uvveti ise bunların çıışını tesil eteteir. Referans eğerleri sıfır olara hesaba atılıştır. Dilsel eğişenler olara ullanılan P, N, Z, B, M, S; Pozitif (Pozitive), Negatif (Negative), Sıfır (Zero), Büyü (Big), Orta (Meiu) ve Küçü (Sall) anlaına geleteir. İi girişli te çıışlı Bulanı PID ontrolör için giriş ve çıış üyeli fonsiyonları [- ] aralığına tanılanıştır (Şeil ). Üçgen üyeli fonsiyonları birbirlerini % oranına apsaataır. Yaygın olara ullanılan üçgen üyeli fonsiyonları seçilere ontrolörün perforansının artırılası aaçlanıştır. K e, K e, α ve β ölçelee fatörleri ile [- ] aralığına tanılanan giriş ve çıış için üyeli fonsiyonları ölçeleniriliştir. Ölçelenire fatörlerinin eğerleri E te veriliştir. NB NM NS ZE PS PM PB Şeil. yapısının blo iyagraı ün çıışı aşağıai gibiir; u α U β Ut () Şeil. Hata (e), hatanın türevi (e) ve ontrol sinyaline (u) ait üyeli fonsiyonları

5 Konteyner Krenlerine Depreen Kaynalanan Titreşilerin Bulanı PID Kontrolör ile Atif Kontrolü Tablo ullanılara aşağıai ural tabanı oluşturuluştur. Kuralların yazıı aşağıa verilen örnetei gibiir. If e is NB an e is NB then u is NB. Tablo. u için ural tabanı epree yöneli tasarıına güvenli en öneli perforans ölçütü olataır. Genel olara yapıların güvenliği yer eğiştire evaplarına bağlı olara eğerlenirilir. Sonuçlar ün epreen aynalanan titreşileri etili bir şeile azalttığını ve renin epree yöneli güvenliğini sağlaığını göstereteir.. x () x /t (/s ) x () x /t (/s ) 6 Bu çalışaa, bulanılaştıra işlei için tü urallar Maani Yöntei ullanılara yazılıştır. Durulaştıra için ise Merez (Centroi) Yöntei ullanılıştır.. Siülasyonlar x () x () x /t (/s ) x /t (/s ) 6 6 tasarıına ve siülasyon çalışalarına Matlab Siulin ile Fuzzy Toolbox ullanılıştır. Moellenen ren yapısına siülasyonlara bozuu giriş olara Şeil te görülen 999 Marara Koaeli epreine ait yer hareetinin zaan fonsiyonu uygulanıştır []. θ (r) -. 6 θ/t (r/s ) - 6 Şeil 6. x, x, x, x ve θ nın yer eğiştire ve ive zaan evapları. x x x () (x /t) (/s) ( x /t ) (/s ) Şeil. 999 Marara Koaeli epreinin yer hareeti Siülasyon sonuçları Şeil 6 8 e veriliştir. Şeil 6 a x, x, x, x ve θ nın yer eğiştire ve ive zaan evapları ontrolsüz ve lü olara görületeir. Krenlerin F u (N) - 6 u (V) - 6 Şeil. Kontrol uvveti ve ontrol voltajının zaan evabı Şeil e her bir oğrusal otorun ürettiği ontrol uvvetinin ve ontrol voltajının zaan evabı yer alataır. Şeil 8 e ise x ve x ün yer eğiştire ve ivelerinin freans evapları ontrolsüz ve lü olara görületeir. Siste beş serbestli ereesine sahip oluğunan;.,.9,.8,. ve 6.8 Hz. ola üzere beş aet oğal freansı varır. Bu eğerler, ütle ve rijitli atrisleri ullanılara

6 C. Otay Azeloğlu, Ahet Sağırlı, Haan Yazıı, Rahi Güçlü hesaplanıştır. Deprelere özellile. o en tehlieli o olara abul eileteir [9]. Aaçlanığı gibi rezonans eğerleri özellile. o ola üzere etili şeile bastırılıştır. x / x x / x freans (Hz) freans (Hz) (x / x )/t (x / x )/t freans (Hz) freans (Hz) Şeil 8. x ve x ün yer eğiştire ve ive freans evapları. Sonuçlar Bu çalışaa renlere epreen aynalanan titreşilerin atif titreşi ontrolü yoluyla azaltılası sağlanıştır. Bu aaçla, önelile renlerin epre esnasınai avranışlarını ortaya oyan ço serbestli ereeli bir inai oel geliştiriliş, arınan titreşileri azaltaa Bulanı PID Kontrolörün tasarıı gerçeleştiriliştir. Kren yapısına oluşan titreşilerin atif ontrolüne, Bulanı PI ve Bulanı PD ontrolörlerin birleştirilesiyle ele eilen Bulanı PID ontrolör, ayanılı yapısı ve üstün perforansı neeniyle terih eiliştir. Tasarlanan ontrolünün perforansı 999 Marara Koaeli epreinin yer hareetinin bozuu giriş olara uygulanığı siülasyon çalışaları ile ortaya onuştur. Siülasyon sonuçları onteyner renlerinin atif titreşi ontrolüne bu tip bulanı antı tabanlı ontrolörlerin öneli bir potansiyele sahip oluğunu göstereteir. Konteyner renlerine bu sistein ullanılası yapıya eti een epre aynalı titreşileri etili bir şeile azaltaa ve yıılasını engelleyere renlerin güvenliğini sağlayaatır. 6. Kaynalar. Kanayaa T., Kashiwazai, A., (998). A Stuy on the Dynai Behavior of Container Cranes Uner Strong Earthquaes. Seisi Engineering, 6, Kanayaa, T., Kashiwazi, A., Shiizu, N., Naaaura I., Kobayashi, N., (998). Large Shaing Table Test of a Container Crane by Strong Groun Exitation. Seisi Engineering, 6, -8.. Sugano, T., Taenobu, M., Suzui T., Shiozai, Y., (8). Design Proeures of Seisi- Isolate Container Crane at Port, The th Worl Conferene on Earthquae Engineering, th WCEE, Beijing, China, Otober.. Soong, T.T., Constantinou, M.C., (99). Passive an Ative Strutural Vibration Control in Civil Engineering, CISM Courses an Letures No:, Springer-Verlag, Wien, New Yor.. Lynh, J.P., (998). Ative Strutural Control Researh at Kajiyaa Corporation The National Siene Founation s Suer Institue in Japan Progra, Researh Projet, Yağız, N., Yüse, İ., Güçlü, R., (). Sliing Moe Control of A Multi-Degree-of- Freeo Strutural Syste, n International Syposiu on Mehanial Vibrations, -9, Islaaba, Paistan.. Gulu, R., Sertbas, A., (). Evaluation of Sliing Moe an Proportional Integral- Derivative Controlle Strutures with An Ative Mass Daper. Journal of Vibration an Control, Vol., Gulu, R., Yazii, H., (). Fuzzy Logi Control of a Non-linear Strutural Syste against Earthquae Inue Vibration. Journal of Vibration an Control, Vol., No., Gulu, R., Yazii, Y., (8). Vibration ontrol of a struture with ATMD against earthquae using fuzzy logi ontrollers.. Journal of Soun an Vibration, 8, Sagirli, A., Azeloglu, C.O., Gulu, R., Yazii, H., (). Self-tuning Fuzzy Logi Control of Crane Strutures against Earthquae Inue Vibration, Nonlinear Dynais, 6, 8.

7 Konteyner Krenlerine Depreen Kaynalanan Titreşilerin Bulanı PID Kontrolör ile Atif Kontrolü. Nishiura, H., Ohubo, Y., Nonai, K., (996). 6 Ative Isolation Control for Multi-Degree-of- Freeo Strutural Syste, Thir International Conferene on Motion an Vibration Control, Chiba, Japan.. Zaeh, L., (96). Fuzzy Sets. Journal of Inforation an Control, 8, 8-.. Karasaal, O., Yesil, E., Guzelaya M., Esin, I., (). Ipleentation of a New Self- Tuning Fuzzy PID Controller on PLC., Tur J. Ele Engin, Vol., No., U.S. Geologial Survey: Ipliations for earthquae ris reution in the Unite States fro the Koaeli, Turey, Earthquae of August, 999. U.S. Geologial Survey Cirular, vol. 9, (999). E: Kütle, sönü ve rijitli atrisleri: L L L M C gl K Konteyner reni, oğrusal otorlar ve e ait paraetreler: g N/ R. Ω 8 g 8 N/ K f N/A g Ns/ K e Volt g Ns/ Ke g 8 Ns/ Ke. N/ Ns/ α N/ L β