Gemi stabilizasyon sistemlerinin modellenmesi ve kontrolü
Modeling and control of ship stabilization systems
Yazar: AHMET KAAN KARABÜBER
Danışman: DOÇ. DR. AYDIN YEŞİLDİREK ; DR. ÖĞR. ÜYESİ FERDİ ÇAKICI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Doğrusal karesel denetim = Linear quadratic control ; Kanatçıklar = Blades ; Kayan kipli denetim = Sliding mode control ; Yalpa = Roll

Özet:
Taşımacılığın daha güvenli ve konforlu olması için gemilerde çeşitli dengeleme sistemleri bulunmaktadır. Aktif/pasif u tüpler, aktif/pasif kanatçıklar, jiroskopik dengeleyiciler bunlardan bazılarıdır. Etki eden kuvvetler ve momentler nedeni ile gemi salınımlar yapmaktadır. Boylamsal eksende meydana gelen salınımlar yalpa hareketi olarak tanımlanmaktadır. Karışık deniz durumu için, sabit hızda ve rotada, belirli yapıdaki bir geminin yalpa hareketi incelenmiştir. Geminin, düzensiz dalgaları bordadan aldığı durum için, simülasyonda kullanılacak yüksek şiddetli karışık deniz durumu hazırlanmıştır. Karışık deniz durumu, 2 parametreli ITTC spektrumu kullanılarak frekans düzleminde elde edilmiştir. Frekans düzleminden zaman düzlemine geçen bir rastgeleleştirme fonksiyonu ile dalgaların gemiye uyguladığı yalpa momenti zaman düzleminde elde edilmiştir. Dalgaların bordadan alındığı durum için, geminin hareketini ifade eden ayrıştırılmış yalpa hareket denklemi kullanılmıştır. 
Geminin iskele ve sancak tarafına, dinamik olarak açıları değiştirilebilen birer kanatçık takılmıştır. Yalpa yönünde gelen bozucu momentlerin sönümü için kanatçık açılarının kontrol edilmesi amaçlanmıştır. Kanatçıklar tarafından üretilen momentler analiz edilerek gemi dinamik modeline eklenmiştir. Kanatçıkları hareket ettirmek için doğru akım motorlar sisteme dahil edilmiştir. Anlık ihtiyaç duyulan kanatçık açısını sağlamaları için motorlar, konum kontrolünde kullanılmıştır. Belirlenen hücum açısını aşmamak için motor referans girişinde düzenleme yapılmıştır.
Sistemdeki bütün durumların ölçüldüğü varsayılarak LQR ve SMC kontrol yöntemleri sisteme uygulanmıştır. Böylece yalpa hareketini sönümlemek için gereken, anlık kontrol girişleri elde edilmiştir. SMC kontrol yöntemi, sistem ve giriş belirsizliklerini bastırma özelliğine sahiptir. Bu durumu değerendirmek için sistem ve girişteki bir takım parametreler belirsiz olarak tanımlanarak ayrı bir SMC kontrolcü daha tasarlanmıştır. Yalpa hareketinde, LQR kontrolcü ile %75.16, belirsizlikler olmayan durum için tasarlanan SMC kontrolcü ile %78.59, belirsizlikler bulunan durum için tasarlanan SMC kontrolcü ile %78.50 sönüm elde edilmiştir. Diğer 2 dalga senaryosunda da SMC kontrolcünün LQR'dan daha iyi performans sağladığı gösterilmiştir. Ayrıca motor hızı ve gücünün kontrolcü performanslarına etkisi incelenmiştir.

Abstract:
There are various balancing systems on ships to make transportation safer and more comfortable. Some of them are active/passive u-tubes, active/passive fins, gyroscopic stabilizers. The ship oscillates due to the forces and moments acting on it. Oscillations occurring in the longitudinal axis are defined as roll motion. the roll motion of a certain type of ship in irregular waves at constant speed and course is investigated.For the situation where the ship receives irregular waves from the board, the high-intensity irregular waves situation to be used in the simulation is prepared. The irregular waves was obtained in the frequency domain using the 2-parameter ITTC spectrum. With a randomization function that passes from the frequency plane to the time plane, the rolling moment applied by the waves to the ship was obtained in the time plane. For the case where the waves are taken from the board side, the equation of uncoupled roll motion, which expresses the motion of the ship, is used.
Each of the port and starboard sides of the ship is equipped with a fin that can be adjusted dynamically. It is aimed to control the fin angles in order to dampen the disturbing moments in the roll direction. By examining the forces on the fins, the torque expressions applied to the ship were obtained. As the propulsion systems of the fins, direct current motors is included to the system. Motors are used in position control to provide the needs of fins that instantaneous required angle. In order not to exceed the determined angle of attack, regulations have been made to the engine reference input.
LQR and SMC control methods are applied to the system, assuming that all states in the system are measured. Thus, the instantaneous control inputs required to dampen the roll motion are obtained. Besides disturbance, the SMC control method has the ability to suppress system and input uncertainties. To evaluate this situation, several parameters in the input were defined as uncertain and a another SMC controller is designed. In the roll motion, % 75.16 damping was obtained with the LQR controller, %78.59 damping with the SMC controller designed for the situation without uncertainties, and %78.50 damping with the SMC controller designed for the situation with uncertainties. In the other 2 wave scenarios, the SMC controller has been shown to outperform the LQR. In addition, the effects of motor speed and power on controller performances were investigated.