GEMİLERDE KULLANILAN KLASİK VE MODERN OTOPİLOT SİSTEMLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ

Transkript

1 Gemi Mühendisliği ve Sanayimiz Sempozyumu, Aralık 2004 GEMİLERDE KULLANILAN KLASİK VE MODERN OTOPİLOT SİSTEMLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ Ar. Gör. Fuat ALARÇİN 1 ÖZET Son yıllarda klasik ve modern otomatik kontrol sistemleri bir çok ticari, yolcu ve askeri gemilerde enerjinin korunması, güvenlik ve en uygun sürede istenilen yere ulaşmada önemli bir rol oynamaktadır. Klasik kontrol teknikleri pratikte çok kullanılmakta olup, performanslarının yetmediği durumlarda modern kontrol tekniklerine başvurulmaktadır. Otomatik kontrolün elektronik destekli olması ile birlikte modern kontrol teorisinin gelişimi daha karmaşık sistemlerin dizayn edilmesine olanak sağlamıştır. Sunulan bu çalışmada hata miktarını minimuma indirmek için klasik ve modern kontrol yöntemleri ve bu metotların avantaj- dezavantajları ve performansları incelenmiştir. Anahtar kelimeler : Otopilot, klasik ve modern kontrol, dümen sistemi, Nomoto eşitliği 1. Giriş Gemiler için kontrol sistemi tasarlanırken, her bir görev için farklı serbestlik derecesi ve matematiksel model tipi dikkate alınır. Örneğin, otomatik rota kontrolü için kullanılan standart otopilotlarda savrulma ve yan öteleme hareketinin modellenmesi gerekir. Dümen yalpa dengelemesi isteniyorsa, ek olarak yalpa hareketinin modellenmesi gerekmektedir. Dinamik konumlanan gemide yatay hareketler ilerleme, yan öteleme ve savrulma hareketlerinin değişimi incelenmelidir. Yönlendirme ve kontrol sistemleri aşağıdaki kullanım alanlarını içerir. 1. Rota tutuşu ve rota değişim manevraları 2. Dijital haritalarla ve hava bilgilerini kullanarak iz takibi 3. Limana yanaşma sistemleri 1 Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi, Gemi İnşaatı Mühendisliği Bölümü, 380

2 4. Dinamik pozisyon 5. Kanat ve dümen yalpa dengeleme sistemleri Gemi rota doğrultusu ve konumunu tespit etmede kullanılan ilk jiroskop tasarımı 1810 yılında C.A. Bohnenberger tarafından yapılmıştır. Sırası ile daha hassas ve güvenilir jiroskoplar G.M. Hopkins (1890) ve Dr. Anschutz ve Elmer Sperry nin (1908) pratik jiroskop uygulamaları takip etmiştir. Bu konuda yapılan çalışmalar modern kontrol uygulamalarının bulunmasına kadar devam etmiştir. Takip eden yıllarda Nicholas Minorsky 1922 yılında geri besleme ile gözlemlediğimiz gemi konumunu referans konum ile kıyaslama yapabilme imkanı sunmuştur. Geri beslemeli kontrol sistemi, önceden tanımlanmış gemi konumunu jiroskop sonuçları ile karşılaştırması ve bunları farkını değerlendirerek kontrol sinyal üretmesine dayanmaktadır, (Şekil 1). Dalgalar Rüzgar Akıntı ψ d (t) φ d (t) Kontrol sistemi δ c (t) α c (t) Dümen ve yalpa makinası δ(t) α(t) Gemi Dinamiği ψ(t) φ(t) Şekil 1. Rota sapma hareketi Gemi boyutları büyüdükçe dalgalı ve sığ sularda manevra yeteneği önem kazanmaktadır. Birçok araştırmacı teorik simülasyon ve model deney tekniklerini gemi manevra kabiliyetini tespit etmek için kullanmışlardır, Eda (1986), Fujino (1968) ve Yeung (1980). 2. Modern Otopilot Sistemleri Kontrol edilmek istenilen ve en iyi performansa ulaşmak için ilgilenilen sistemlerin karmaşıklıklarının artması ile birlikte modern kontrol metotlarının önemi oldukça artmış durumdadır. İsteklerin yerine getirilebilmesi için birçok kontrol metodu geliştirilmiştir, (Şekil 2). 381

3 1. Oransal (P), Oransal-Türev (PD) ve Oransal-Türev-İntegral (PID) kontrol sistemleri -Minorsky (1922), Sugimoto ve Kojima (1978), 2. Lineer Quadratik Regulator Katebi ve Bryne (1988) 3. Model Referans Adaptif kontrol Van Amerongen (1982) 4. Bulanık Mantık kontrol Hasegawa (1987). Klasik PID Adaptif Optimal Zeki Şekil 2.Kontrol metotları Yukarıdaki kontrolcü yapıları içinde PID kontrolcü yaygın uygulama alanı bulan ve etkin işaretin oransal, integral ve türevsel bir bileşimini sisteme uygulayan bir kontrolcüdür. Günümüzde gemi rota kontrol teorisi ve uygulamaları üzerine yapılan çalışmalar ilk olarak Minorsky, Sperry (1922) ile başlamıştır. Rota tutuşunun en iyi durumda olabilmesi için ilk olarak 1. dereceden Nomoto modeli esas alınarak savrulma açısı ile dümen arasındaki değişim kontrol işlemi uygulanmadan incelenmiştir. Bu çalışmada sönüm ve doğal frekans değerlerinin zaman ve kazanç parametrelerine etkisi de ele alınmıştır. Fossen (1994), 2.dereceden Nomoto modelini esas alarak dümen dinamiğinin kararlı olup olmadığı ve kararsız olan sistemin PID kontrol yöntemi ile kazanç değerleri değiştirilerek sistemin kararlılığının arttırılması üzerinde çalışmıştır. PID türü klasik kontrolcüler dışında, dayanıklılık, yakıt tasarrufu ve performans arttıran. optimal, adaptif ve bulanık kontrolcüler de sık kullanılır. Bu çalışmalarda karşılaşılan problemlerden biride optimum dümen kriterlerinin tanımlanmasıdır. Bu problem doğru rota kontrolü ve minimum yakıt tüketimi ile çözülebilir, Amerongen ve Nauta Lemke, (1980). Bu kontrolcüde amaç fonksiyonları problemin ihtiyaçlarına göre belirlenir. Van Amerongen ve Van Nauta Lemke (1978, 1980) tanker ve kargo gemileri için dümen sevkinden dolayı oluşan direnç artışını engellemek için farklı dümen sevk kriterleri ifade etmiştir. Bu kriterler, Koyama (1967), Norrbin (1972), tarafından önerilmiştir. Bu tasarımlarda farklı yaklaşımlar kullanılarak nümerik hesaplamalarla optimum dümen 382

4 tanımlaması yapıldı. Bununla birlikte, optimal rota takibi Holzhüter tarafından 1990 lı yıllarda optimal kontrol ve filtreleme tekniği kullanılarak incelenmiştir. Bir diğer yaklaşım genel olarak sistemin bilinmeyen parametrelerini, istenen performansı sağlayacak şekilde, öngörülen bir uyarlama kuralı ile ayarlanarak güncellenmesi esasına dayanan adaptif metodudur. Adaptasyon veya uyarlama kuralı iki başlık altında toplanır. Kendi kendini ayarlayan ve model referans adaptif kontrol algoritmalarıdır. Kendi Kendini Ayarlayan kontrol metodu gemi rota dengeleme sistemleri için uygunken Model Referans Adaptif sürekli kontrol (MRAK) uygulamaları için uygundur. Bu kontrol metodu ilk defa 1975 de J. Van Amerongen ve A.J. Udink Ten Cate tarafından gemi savrulma açısının kontrolü için kullanıldı. Adaptif gemi otopilotu konusunda yapılan bir başka uygulamada Amerongen tarafından Lyapunov kuralına dayalı Model Referans Adaptif Kontrol yöntemi olarak verilmiştir. Bununla birlikte Aström, Wittenmark (1989), Butler (1992), Katebi ve Grimble (1998), gibi araştırıcılar adaptif model kontrolü detaylı olarak incelemişlerdir. MRAK sistemleri için, sistemin dinamik performansını belirlemek gerekmediğinden, oldukça yüksek adaptasyon hızı ile gerçeklenmeleri kolaydır, St. Dennis ve Pearson (1953). PID kontrol teorisinin ortaya çıkışından bu yana en çok kullanılan kontrol algoritmalarının başında gelir. Parametre ayarı iyi yapılmış bir PID kontrolcüsü gemi baş açısı kontrolünde oldukça başarılıdır. Ancak, çalışma şartlarının değişimi dış etkilerin olması gemi rotasında sapmalara neden olmaktadır. PID ve diğer kontrol algoritmalarının optimum ayarı için iyi bir alternatif olan bulanık kontrol algoritması kullanılmaktadır. Bulanık mantık kavramı ilk kez 1965 yılında California Berkeley Üniversitesinden Prof. Lotfi A. Zodeh in bu konu üzerinde ilk makaleleri yayınlanmasıyla duyuldu. Klasik matematiksel yöntemlerle karmaşık sistemleri modellemek ve kontrol etmek işte bu yüzden zordur, çünkü veriler tam olmalıdır. Bulanık mantık kişiyi bu zorluktan kurtarır ve daha niteliksel bir tanımlama olanağı sağlar. Bulanık mantık esasına dayalı bulanık kontrol, insanın düşünce yapısına uygun ve halen kullanılan mantıksal sistemlerden daha çok, doğal dile yakın olan sistemlerdir. Literatürde bulanık kontrolün gemide uygulanması ile ilgili çalışmalardan bazıları, kren ile yük doldurma/boşaltma, gemi rotasının tayini ve yalpa dengeleme sistemlerinin kontrolü gibi alanlar sayılabilir. 3. Sonuç Genel olarak gemi yönlendirme sistemlerinin PID, Optimal, Adaptif ve Bulanık mantıkla kontrolünün incelemesi yapılmıştır. Tasarlanan bu kontrolcülerin, sistem için en iyi si olması istenir. Model alınan geminin dinamiği ve çalışma şartları göz önünde bulundurularak uygun kontrol metotları ile uygun performansı elde edilmelidir. 383

5 Kaynaklar [1] Fossen, T.I., Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley&Sons, [2] K. Ogata, Modern Control Engineering, New Jersey, Prentice-Hall, [3] Skjetne, R., Aotopilot Design Proposal for a Large Ship, March 27, [4] Amerongen, J., (1980), Criteria for Optimum Steering of Ships, Symposium on Ship Steering Automatic Control, June 1980, Genova, Italy. [5] Holzhüter, T., (1997), LQG Approach for the High-Precision Track Control of Ships, IEE, Proc.-Control Theory Appl., Vol.144, No.2. [6] Amerongen, J., Lemke V.N., (1978), Optimum Steering of Ships with an Adaptive Autopilot, Fifth Ship Control Systems Symposium, 30 October-3 November 1978, Annapolis, USA. [7] Aström, K.J., Wittenmark, B., (1989), Adaptive Control, Addision-Wesly Publishing Company. [8] Amerongen, J., Cate, U., (1975), Model Reference Adaptive Autopilots for Ships, Automatica, Vol. 11, [9] Sutton, R, Roberts, G.N., Design sutdy of a Fuzzy controller for ship roll stabilization, Electronics&Communication Engineering Journal, July, 1989, 159. [10] Velagic, J, Vukic, Z, Omerdic, E, Adaptive Fuzzy Ship Autopilot for Track- Keeping,Control Engineering Practice, 11, 2003, [11] Yu, K.W., Hsieh, J.G, New Search Pattern of Maritime Maneu vering by Using FuzzyPID Controller, International Journal of Fuzzy Systems, Vol. 3, No.1. [12] Chang, W., Chen G., ve Yeh, Y., (2002) Fuzzy Control of Dynamic Positioning Systems for Ships, Journal of Marine Science and Technology, Vol. 10, [13] Sutton, R., ve Craven, P.J., (2001), A Fuzzy Autopilot Design Approach That Utilizies Non-linear Consequent Terms, Journal of Marine Science and Technology, Vol. 9, No. 2, [14] Abril, J., Salom, J., Calvo, O., (1997), Fuzzy Control of a Sailboat, International Journal of Approximate Reasoning, Vol. 16, [15] Sgobbo, J.N., (1999), Rudder/Fin Roll Stabilization of the USCG WMEC 901 Class Vessel, Marine Technology, Vol.36, No.3, pp

6 [16] Kawazoe, T., Nishikido, S., ve Wada Y.,(1994), Effect of Fin Area and Control Methods on Reduction of Roll Motion with Fin Stabilizers, Journal of the MESJ, Vol.28, No.4. [17] Perez, T., (2003), Ship Modelling For Stabilizer Control System Design, Technical report, The University of Newcastle. [18] Tzeng, C., Wu, C., (2000), On the Design and Analysis of Ship Stabilizing Fin Controller, Journal of Marine Science and Technology, Vol.8, No.2, pp