Kuvvet süperpozisyon metodu kullanılarak optimum yalpa hareketi kontrolünün aktif fin dengeleyicileri ile sağlanması
Optimal roll motion control with active fins based on force superposition method
Yazar: BERKEHAN DEMİREL
Danışman: DOÇ. DR. FERDİ ÇAKICI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Deniz araçları, yeterli güvenilirliği en uygun ekonomik değerler ile sağlayacak şekilde tasarlanır. Bu tasarım hedefini gerçekleştirmek için gemi hareketlerini kontrol etmek esastır. Bu çalışmada kontrolü sağlanacak gemi hareket bileşeni yalpa olarak seçilmiştir. Yalpaya bağlı enine ivmeler, gemi mürettebatı tarafından gerçekleştirilen görevlerde kesintilere ve gecikmelere, kargo hasar ve kayıplarına neden olabilir. Yalpaya bağlı dikey ivmeler, özellikle geminin merkez hattından uzaktaki yerlerde, mürettebatta ve yolcularda konforu azaltarak performansı ve rahatı etkiler, deniz tutmasının gelişmesine katkıda bulunur. Büyük yalpa açıları, gemideki ekipmanların kullanılma kabiliyetlerini ve gerçekleştirilen operasyonların etkinliklerini sınırlar. Bunlara örnek olarak ana tahrik sistemi, kurtarma sistemleri, silah operasyonları, füze ateşlemeleri ve sonar taramaları verilebilir, yalpa hareketinin kontrolü özellikle donanma gemileri için kritik bir konudur. Bu çalışmada bir gulet formundan yola çıkılarak oluşturulan gemi modelinden elde edilen veriler temel alınarak bir serbestlik dereceli hareket modeli, kuvvet süperpozisyon modeli doğrultusunda oluşturulmuştur. Gemi yalpa hareketi zorlayıcısı olan dalganın spektrumunun beyaz gürültüsü lineer bir filtreden geçirilerek frekansı, sönüm oranı ve güç spektral yoğunluğu elde edilmiştir. Sistemin sönüm bileşenlerinin hesaplanması konvolüsyon integralinin Cummins eşitliği ile çözülmesi sonucunda bulunmuştur. Daha sonrasında sancak ve iskele vasat sintine pozisyonlarında bulunan iki adet fin dengeleyicisi aracılığı ile yalpa hareketi, hızı ve ivmesinin kontrolünün sağlanması için LQR kontrolcü tasarımı yapılmıştır. Gemi yalpa hareket ve hız değerleri kontrol edilmeyen ve kontrol edilen sistemler için çözülerek karşılaştırılmıştır. Buna ek olarak farklı deniz durumları ve fin dengeleyici sınırlandırmaları için sistemin cevapları incelenmiştir. Hareket boyunca gemi ileri hızının sabit olduğu varsayılmış ve çözümlemeler zaman düzleminde gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Marine vessels are designed to ensure sufficient reliability with the most suitable economic values. Controlling the ship's motion is essential to achieve this design goal. In this study, the ship motion component to be controlled is selected as roll motion. Transverse accelerations due to roll can lead to interruptions and delays in tasks performed by the ship crew, as well as cargo damage and cargo losses. Vertical accelerations due to roll, can reduce the performance and comfort for the crew and passengers, contributing to the development of seasickness especially at locations far from the centerline. Large roll angles limit the capabilities of onboard equipment, and the effectiveness of operations conducted, such as main propulsion systems, recovery systems, weapon operations, missile launches, and sonar scans; therefore, roll motion control is critical, especially for naval vessels. A model ship is created based on the gulet type vessel, with the data acquired using this model ship, a single-degree-of-freedom nonlinear equation of motion model is developed according to the force superposition method. The white noise of the wave spectrum, roll motion of the ship is caused by the wave moment, is passed through a linear filter to obtain frequency, damping ratio, and power spectral density. The damping components of the system are calculated by solving the convolution integral with the Cummins equation. Subsequently, an LQR controller is designed to operate two active fin stabilizers that were located at starboard and port amidship to control roll motion, velocity, and acceleration. By solving both uncontrolled and controlled systems, roll motion and velocity values are obtained and a comparison is made to assess the performance of the system. In addition, the responses of the system for different sea states and fin stabilizer constraints were examined. Throughout the simulation, it is assumed that the ship's forward speed is constant, and the analyses are performed in the time domain.