Otomatik kontrol sistemlerinin gemiler arası ikmal operasyonlarında uygulanması
Application of automatic control systems to ship to ship load transfer operations
Yazar: BİLGİN BOZKURT
Danışman: PROF. DR. ŞEBNEM HELVACIOĞLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MELEK ERTOGAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Açık deniz = High sea ; Bulanık mantık = Fuzzy logic

Özet:
Günümüz dünyasında nesnelerin kontrolünün önemi giderek artmaktadır. Elbette kontrol edilmek istenen sistem kararlı koşullarda hareket ettiğinde kontrolü sağlamak daha kolay olurken, koşullar dinamik hale geldiğinde kontrol giderek zorlaşmaktadır. Dronlar, deniz araçları veya otonom olarak hareket eden bir arabanın kontrol edilmesi dinamik kontrol gerektiren durumlardan bazılarıdır. Ortamın dinamizmi arttıkça bu dinamizme cevap verecek kontrol sistemlerini oluşturmak daha da zorlaşmaktadır. Şüphesiz gemilerde yük transferi operasyonları, bu zor kontrol görevlerinden biridir. Sert deniz koşulları bu operasyonların kontrolünü daha da karmaşıklaştırmaktadır. Gemilerde yük transferi, gemiden karaya, gemiden deniz dibine, gemi güvertesindeki bir noktaya veya gemiden gemiye olabilir. Yükü veren ve alan platformların her ikisi de hareketli olduğundan gemiden gemiye yük aktarma operasyonu kuşkusuz en zorlu operasyonlardan biridir. Sabit bir zemine yük verme durumundan farklı olarak, her iki platformun da hareketli olması, kontrolde dikkate alınacak serbestlik derecelerinin iki katına çıkmasına neden olur. Gemiden gemiye yük transferindeki bir diğer zorluk ise, hedef gemide yükün ineceği alan sınırlı olduğundan, sadece düşey yönde değil, geminin enine ve boyuna eksenlerinde de hareketin kontrol edilmesi gerekliliğidir. Diğer bir deyişle yatay kontrol ile yükün güvertede istenmeyen alanlara kontrolsüz teması engellenmelidir. Bir diğer zorluk da yükün sallantısının ve yatay salınım hızının da iniş sırasında kısıtlanması gerekliliğidir. Yükün alçalma sırasında sallanması, yatayda halat çıkış noktası istenilen noktada olmasına rağmen kontrolsüz yatay harekete neden olabilmekte ve yükün yatay hızı, yükü hedef gemide karşılayacak olan gemi personeli için hayati risk oluşturabilmektedir.
Gemilerde yük transfer kontrolü ile ilgili çoğu çalışma, genellikle gemiden deniz tabanına yük transferi konusuna odaklanmıştır. Bu nedenle bu çalışmalarda yatay kontrol hariç bırakılarak dikey kontrol ele alınmaktadır. Ancak, zorlu deniz koşulların, yükün sallanması, yatay düzlemde hedef iniş noktasından sapması ve yatay düzlemdeki hızından kaynaklanan riskler nedeniyle operasyonun güvenliği için daha fazla kontrolörün birlikte çalışmasına ihtiyaç bulunmaktadır.
Bu tezde, sert ve çok sert deniz koşullarında, bir açık deniz elektro-hidrolik vinç ile gemiden gemiye ikmal operasyonu sırasında yükün dikey, yatay deplasmanının ve salınım kontrolünün sağlanması ele alınmıştır. Çalışma düzensiz dalgalar üzerinde gerçekçi gemi hareketleri kullanarak modellenmiştir. Ayrıca gemi, kreyn ve yükün dinamiğini göz önünde bulunduran geometrik model, matematiksel hidrolik sistem ve yükün sallantısının izlenmesi için matematiksel sallantı gözlem modelini tez kapsamına dahil edilmiştir. Çalışmada kullanılan tüm matematiksel modeller deneysel olarak doğrulanmıştır. Kontrol modelinde dikey kontrolde kullanılan Yörüngesel Rota Kontrol Sistemi sayesinde yükün istenilen dikey konum ve hız rotasında hareket ettirilerek güvenli bir şekilde indirilmesi sağlanmaktadır. Yenilikçi olarak eklenen teleskopik kol desteği ile operasyonun gerektirdiği yatay pozisyonlama ve salınım kontrolü çok zorlu deniz koşullarında bile yapılabilmektedir. Salınım önleme modeli, yardımcı kolu global olarak yatay tutma stratejisiyle güçlendirilmiştir. Yükün yatay salınımının çoğu, geminin yalpa hareketinden kaynaklanmaktadır. Yardımcı kolu yatay tutmak üzerine kurulu bu strateji, yalpa hareketinin etkisini büyük oranda kırar ve yükün hem yatayda hem de dikeyde sapmasını önemli oranda azaltır. Bu strateji, aynı zamanda teleskopik kolu yatay bir düzlemde tutarak en verimli şekilde çalışmasını sağlamaktadır. Teleskopik kol vasıtasıyla, sallanma hareketi makul bir seviyeye kadar dengelenir. Sistemin başarısı, yükün yatay deplasman hatasının mümkün olduğu kadar küçük olmasına ve eş zamanlı olarak sallanma hareketinin de azaltılmasına bağlıdır.
Çalışmada gerçekçi açık deniz dalgalarında hareket eden gemi hareketlerini elde etmek için deneysel olarak doğrulanmış Marine Systems Simulator (MSS) Hydro programı kullanılmıştır. Tezde önerilen kontrol sistemi, 175 m tanker gemisi ve 82,8 m ikmal gemisi için farklı belirgin dalga yüksekliği ve dalga açısı koşullarında elde edilen hareket verileri ile test edilmiştir.
Hareket denklemlerini etkileyen tüm parametreler dikkate alınarak kreyn geometrisi ve halat çıkış noktasının uzaydaki dinamik konumu modellenmiştir. MSS programında geminin ağırlık merkezine göre gemi hareketleri elde edilmektedir. Bu nedenle çalışmada gemi hareketlerini okuyan hareket referans biriminin (MRU) geminin ağırlık merkezinde olduğu kabul edilmiştir. MRU'yu referans alan halat çıkış noktasının geometrik konumuna ulaşmak için gerekli tüm geometrik denklemler oluşturulmuştur. Ayrıca kreyn kollarının anlık geometrik açılarına, teleskopik kolun dinamik strokuna ve geminin dinamik dalıp-çıkma, baş-kıç vurma ve yalpa hareketlerine göre halat çıkış noktasının dinamik konumunu veren denklemler oluşturulmuştur. Halat çıkış noktasının geometrik konumuna dönme hareketinin etkisi eklendikten sonra geminin sırasıyla yalpa, baş-kıç vurma ve dalıp-çıkma hareketlerinin etkileri de denklemlere adım adım eklenmiştir.
Hidrolik sistem tamamen matematiksel olarak modellenmiştir. Çalışmada sunulan hidrolik sistem modeli tamamen kapalı çevrim bir model arz etmektedir. Eyleyicilerin hareketleri, yükün konumunu ve kontrol edilecek parametreleri etkilemekte ve bu parametrelerin bir sonraki andaki durumları bir sonraki andaki kontrol komutlarını ve dolayısıyla eyleyicilerin bir sonraki andaki hareketlerini belirlemektedir. Ortaya konulan matematiksel model, basınca duyarlı değişken debili hidrolik pompa, hidrolik motor, 4 yollu oransal valf, emniyet basınç valfi, hidrolik silindirler gibi gerekli tüm hidrolik sistem elemanlarını içermektedir. Silindir strok hareketlerinde meydana gelen sürtünme faktörü ve hidrolik yağın dinamik basınç altında değişen eşdeğer elastisite modülü de hesaplamalara dahil edilmiştir. Ayrıca matematiksel hidrolik model önceden yapılmış bir deneyin girdileri kullanılarak test edilmiş ve çalışmadaki matematiksel hidrolik sistem modelinin verdiği sonuçların deney sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür.
Ayrıca tüm hidrolik eyleyiciler üzerindeki dinamik yük modellenmiştir. Bu hesaplamalar sırasında gemi hareketlerinin sistem dinamiği üzerindeki etkileri, gemi hareketlerinden dolayı kreynin global eksenlerdeki geometrik pozisyonundan kaynaklanan yer değiştirmeler, yükün ivmelenmesinin neden olduğu ek yükler, yardımcı kolun global yatay açısına göre teleskopik kol üzerindeki yükün yönünün değişmesi gibi birçok faktör hesaplamalara dahil edilmiştir.
Çalışmanın amaçlarından biri de yükün salınım hareketini sınırlamak olduğu için salınım hareketi için matematiksel bir gözlemci modeli ortaya konulmuştur. Halat çıkış noktasının x, y ve z eksenlerindeki dinamik hareketini ve anlık salınmış halat uzunluğunu dikkate alan bu model, yükün hem x hem de y eksenlerindeki salınımını gözlemektedir.
Çalışmada farklı kontrol modelleri ile benzetimler yapılmış ve bu kontrol modelleri ayrı ayrı tanıtılmıştır. Ana ve yardımcı kol kontrolü için bulanık ve PID kontrol modelleri ayrı ayrı test edildiğinden, kontrol yöntemlerinin anlatıldığı bölümde bulanık mantık kontrol modeli ve PID kontrol modelleri tanıtılmıştır. Vinç ve teleskopik kol kontrolünde ise PID kontrol yöntemi dışında Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) yöntemi ve Parçacık Sürü Optimizasyonu Orantılı-Türev-İkinci Türev (PSO-PDD2) kontrol yöntemleri kullanılarak PID katsayılarını farklı gemi ve deniz şartlarına otomatik olarak uyarlayan sistem entegre edilmiştir.  Parçacık Sürü Optimizasyonu yöntemi kontrol sistemleri bölümünde de detaylı olarak anlatılmıştır.
Çalışmada, gemiden gemiye yük transfer dinamiği ve kontrolünün farklı gemi ve deniz koşulları için uygulamaları yapılmış ve uygulama sonuçları analiz edilmiştir. Farklı denetleyici türlerinin problem çözmedeki performanslarını karşılaştırmak için PID, Bulanık Mantık ve PSO olarak da anılan Parçacık Sürü Optimizasyonu (Particle Swarm Optimization) denetleyicileri ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu bölümde ana ve yardımcı kolların PID ve Bulanık Mantık kontrol yöntemleri kullanıldığında elde edilen dikey ve yatay sapma sonuçları karşılaştırılmıştır. Daha sonra vinç ve teleskopik kol için klasik PID yöntemi dışında, PSO-PID kontrol yöntemi kullanılarak dikey ve yatay hata, salınım açısı ve yatay hız sonuçları elde edilmiş ve tartışılmıştır. Sonuçların sağlıklı bir şekilde değerlendirilebilmesi için elde edilen hata verilerinin Ortalama Mutlak Hata (MAE) değerleri hesaplanmıştır.
Sonuçlar incelendiğinde çalışmada sunulan sistem modelinin düşey hatayı % 95 oranında azalttığı, yükü istenilen düşey konum ve hız rotasında indirebildiği ve yatay hatayı ve yükün salınımını yaklaşık % 60 oranında azaltarak daha güvenli iniş imkânı oluşturduğu görülmektedir.  Simülasyon sonuçları, sistem modelinin çok dalgalı deniz koşullarında dahi geçerli ve başarılı bir çözüm olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In today's world, the importance of control of objects is increasing. While it is easier to provide control when the system moves under stable conditions, control becomes increasingly difficult when conditions become dynamic. Controlling an aircraft such as a drone, a sea vehicle, or a car that moves autonomously in decision-making are some of the situations that require dynamic control. As the dynamism of the environment increases, it becomes more difficult to implement the control systems that will respond to this dynamism. Load transfer on ship board is one of these difficult control tasks. Harsh sea conditions further complicate these operations. Onboard load transfer can be from ship to land, from ship to seabed, to a point on the ship's deck, or from ship to ship. Undoubtedly, the ship-to-ship load transfer operation is the most challenging in terms of preventing loss of life and property, since the platforms that both deliver and receive the load are moving. Unlike the case of transferring a load on a fixed ground, the fact that both platforms are moving causes the degrees of freedom to be taken into account in the control to be doubled. Another difficulty in ship-to-ship load transfer is the necessity of controlling the movement not only in the vertical direction, but also in the transverse and longitudinal axes, since the area where the load will land on the target ship is limited. Because with horizontal control, the contact of the load with unwanted areas on the deck should be prevented. Another difficulty is that the swing and the sway velocity of the load in the horizontal plane must also be restricted during descent. The swinging movement of the load during descent may cause uncontrolled horizontal movement of the load even though the wire rope exit point is at the desired point horizontally, and the horizontal speed of the load may pose a life risk for the ship's personnel who will meet the load on the target deck.
Most studies dealing with load transfer control on ships have generally focused on the issue of ship-to-sea-bottom load transfer. For this reason, vertical control rather than horizontal control is considered in these studies. However, due to the risks arising from harsh sea conditions, swinging of the load, its deviation in the horizontal plane from target landing point and its speed in the horizontal plane, more controllers need to work in combination for the safety of the operation.
In this thesis, vertical and horizontal displacement and swing control of the load during ship-to-ship supply operation with an offshore electro-hydraulic crane in rough and very rough sea conditions are discussed. The study includes an overview of related studies, and the system model including realistic ship movements on irregular waves, mathematical hydraulic system, swing and geometric models. All mathematical models used in the study are experimentally validated. In the control model, thanks to the Trajectory Route Control System used in vertical control, it is ensured that the load is safely lowered by moving in the desired vertical position and speed route. With the innovatively added telescopic arm support, horizontal positioning and swing control required by the operation can be performed even in very harsh sea conditions. The anti-swing model is empowered by the strategy of keeping the elbow boom globally horizontal. Keeping the elbow boom globally horizontal is provided by the elbow boom cylinder, using the position calculation algorithm to keep the telescopic boom horizontal to a specific limit. Most of the horizontal swing of the load is due to the ship's rolling motion. The structural strategy in the study eliminates most of the swinging movements and helps the vertical control by reducing vertical movement caused by the ship's roll. The telescopic boom compensates for the remaining swinging motion to a reasonable level by extracting and retracting the telescopic boom cylinder. The system's success depends on the horizontal unloading distance error of the payload being as small as possible and reducing the swinging movement simultaneously.
The study utilized the experimentally validated MSS Hydro program to obtain ship motions moving in realistic offshore waves. The control system proposed in the study was tested with 175 m tanker ship and 82.8 m supply ship movements data that were obtained under different significant wave height and wave angle conditions. 
The crane geometry and the dynamic position of the rope exit point in space are modeled by considering all the parameters affecting the equations of motion. Ship movements are obtained based on the ship's center of gravity in the MSS program. Therefore, in the study, the motion reference unit (MRU), which reads the ship movements, is accepted to be in the center of gravity of the ship. All necessary geometrical equations to reach to the geometrical location of wire exit point referencing the MRU is established. In addition, equations that give the dynamic location of the wire rope exit point according to the instant geometric angles of the crane, the dynamic stroke of telescopic boom and the dynamic heave, pitch and roll movements of the ship have been established. After adding the slewing effect on the wire exit points location, the roll, pitch and heave effects are added respectively.
The hydraulic system is completely mathematically modeled. The hydraulic system model presented in the study presents a completely closed-loop model. The movements of the actuators affect the position of the load and the parameters to be controlled, and the status of these parameters at the next moment determines the next control commands and therefore the movements of the actuators at the next moment. The mathematical model presented includes all necessary hydraulic system elements such as pressure sensitive variable flow hydraulic pump, hydraulic motor, 4-way proportional valve, pressure relief valve, hydraulic cylinders. The friction factor that occurs in the cylinder stroke movements and the bulk modulus of the hydraulic oil changing under dynamic pressure are also included in the calculations. In addition, the mathematical hydraulic model was tested using the inputs of a previous experiment and it was seen that the results of the mathematical hydraulic system model in the study were compatible with the experiment results.
In addition, the dynamic load on all hydraulic actuators is modeled. During these calculations, the effects of ship movements on system dynamics are also included. In fact, many factors such as displacements of the geometric position of the crane in global axes due to ship movements, additional loads caused by the acceleration of the load, the change of direction of the load on the telescopic boom modeled in the elbow boom according to the horizontal angle are included in the calculations.
Since one of the aims of the study is to limit the swing movement of the load, a mathematical observer model has been put forward for the swing movement. Taking into account the dynamic movement of the wire rope exit point in the x, y and z axes and the paid-out wire rope length, this model observes the swing of the load in both the x and y axes.
Simulations were made with different control models in the study, so these control models were introduced separately. Since fuzzy and PID control models are tested separately for main and elbow boom control, fuzzy control model and PID control models are introduced in the section where control methods are explained. In winch and telescopic arm control, apart from the PID control method, the Particle Swarm Optimization (PSO) method and the Particle Swarm Optimization Proportional-Derivative-Second Derivative (PSO-PDD2) control methods are used to automatically adapt the PID coefficients to different ship and sea conditions. For this reason, the Particle Swarm Optimization method is also explained in detail in the section on control systems.
In the study, results of applications of ship-to-ship load transfer dynamics and control for different ship, sea conditions were made and analyzed. In order to compare the performance of different controller types in problem solving, the results obtained with PID, Fuzzy, Particle Swarm Optimization (PSO) controllers are compared. In this section, the vertical and horizontal deviation results of the main and elbow booms when PID and Fuzzy control methods are used are compared. Then the results of vertical and horizontal displacements, swing angle and horizontal velocity of the load when PSO-PID control method is used on winch and telescopic arm are obtained and discussed. In order to evaluate the results properly, the Mean Absolute Error (MAE) values of the obtained error data were calculated.
When the results are examined, it is seen that the system model presented in the study reduces the vertical error very dramatically and can lower the load in the desired vertical position and speed route, it can reduce the horizontal error and the swing of the load by 60 %, and it creates a safer landing opportunity by reducing the horizontal speed of the load. The simulation results showed that the system model proved to be a valid and successful solution even in very rough sea conditions.