Gemi hareketlerinin dinamik analizi ve adaptif yaklaşımlarla kontrolü
An adaptive control approach to the control of containership dynamics
Yazar: FUAT ALARÇİN
Danışman: DOÇ.DR. İSMAİL YÜKSEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2005
Konu: Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
GEMI HAREKETLERININ DINAMIK ANALIZI VE ADAPTIF YAKLAŞIMLARLAKONTROLÜFuat ALARÇİNMakine Mühendisliği, Doktora TeziDümen ve yalpa dengeleme sistemleri, yolcu gemileri, askeri gemiler ve yük taşıyankonteyner gemileri için oldukça fazla öneme sahiptir. Bu gemiler içinde en fazla hareketdengeleme ihtiyacı özellikle konteyner gemileri için söz konusudur. Bu nedenle gemininyanlamasına hareketi sırasında belirgin olarak yaptığı savrulma ve yalpa hareketlerininkontrolü tehlikeli durumlara karşı güvenliği arttırmak için gereklidir.Bu çalışmada, bir konteyner gemisinin seyir gereksinimlerinin karşılanması amacıyla klasikve modern kontrol yaklaşımları kullanılarak gemi savrulma ve yalpa hareketlerinindengelenmesi modellenmiştir. Dalga kuvvet ve momentleri etkisindeki bir ve üç serbestlikdereceli bir konteyner gemisinin savrulma hareketi dümen ile yalpa hareketi yalpa dengelemekanatları kullanılarak kontrol edilmiştir. Tezin genel yaklaşımı doğrultusunda alınan sonuçlarincelendiğinde hareketlerin dengelendiği belirlenmiştir. Savrulma ve yalpa otopilot kontrolsistemlerinin, hidrodinamik katsayıların da dahil edildiği gerçek konteyner gemi modelineuyarlanması ile kullanım alanı genişletilmiştir.Geminin dinamik modeli göz önüne alınarak, kontrol sistemlerinin performanslarınıkarşılaştırmak amacıyla, gemi savrulma ve yalpa hareketlerinin kontrolü önce adaptifolmayan yöntemlerden Oransal-İntegral-Türev (PID) ve Lineer Quadratik Regülâtör (LQR)ile adaptif yöntemlerden Model Referans Adaptif (MRAK) ve Bulanık Mantık (BM)yöntemleri geliştirilerek ayrı ayrı yapılmıştır. Buraya kadar yapılan çalışmalar sonucunda,gerek savrulma gerekse yalpa hareketlerinin kontrolünde gösterdiği başarılı performansnedeniyle bulanık kontrol algoritması önerilmektedir.Gemiler dalgaların karakteristiklerine ve gemiye geliş yönlerine göre hem savrulma ve hemde yalpa hareketini diğer hareketlere göre daha belirgin yapmaktadır. Bu nedenle aynı andahem savrulma hareketi ve hem de yalpa hareketi, dümen ve yalpa kanat kontrol sistemlerineDahili Model Kontrol (DMK) metodu uygulanmıştır. Bu kontrol metodu için bulanıkuyarlama mekanizması geliştirilmiş ve model alınan gemide kullanılmak üzere Bulanıkayarlamalı Dahili Model Kontrol (BA-DMK) yeni bir yaklaşım olarak sunulmuştur. Buradaamaç gemi savrulma ve yalpa hareketlerini kontrolünü yalnızca dahili model kontrol ileyapmak veya yalnızca bulanık mantık kontrolcülerle kontrol etmek yerine, konteyner gemisihareketlerinin dahili model kontrol kazançlarının değişen çevre şartlarına göre kararlılığıbozmayacak şekilde, bulanık mantık ile ayarlamaktır.Bu tezde ele alınan kontrol yöntemleri bir konteyner gemi modeline uygulanmış veyöntemlerin başarımları ayrı ayrı incelenerek birbirlerine göre üstünlükleri tartışılmıştır.Ayrıca bu adaptif kontrol yöntemlerinin gemi hareket dengeleme sistemleri üzerindekiperformansı ve geleneksel yöntemlere yapacağı geliştirici katkılar incelenmiştir.Anahtar kelimeler: Konteyner gemisi savrulma otopilotu, yalpa dengeleme sistemleri, PID,LQR, MRAK, BMK ve DM kontrol metotları.JÜRİ:1. Doç. Dr. İsmail YÜKSEK (Danışman) Kabul tarihi: 02.12.20052. Prof. Dr. Faris KAYA3. Prof. Dr. Ahmet D. ALKAN Sayfa Sayısı: 1894. Doç. Dr. Selim Sivrioğlu5. Doç. Dr. Arif ADLI

Abstract:
AN ADAPTIVE CONTROL APPROACH TO THE CONTROL OFCONTAINERSHIP DYNAMICSFuat ALARÇİNMechanical Engineering, Ph.D. ThesisYaw and roll motion stabilization systems have crucial importance for passenger ships,military vessels and freight hauling container vessels. The container ships, in particular, havethe greatest need for motional stability. Therefore, controlling yaw and roll motion, which areparticularly apparent during sideward movement of the vessel, is of great importance forincreasing safety against hazardous situations.In this study, the stabilization of a vessel?s yaw and roll motion in order to satisfy cruisingneeds of a container ship is modeled by utilizing classic and contemporary approaches. Theyaw motion of a container ship with one and three degrees of freedom that is under the effectof wave power and moment is controlled by means of the rudder, and the rolling motion iscontrolled by utilizing the roll stabilization fins. When the results that were obtained under thegeneral approach of the thesis are examined, it is noted that motions are diminished. The fieldof application was enhanced by means of implementing yaw and roll autopilot systems intotrue container ship models, which include hydrodynamic coefficients.In order to compare the performance of control systems in consideration of the vessel?sdynamic model, the control of ship?s yaw and roll motion was conducted separately; first bydeveloping non-adaptive methods of Proportional-Integrative-Derivative (PID) and LinearQuadratic Regulator (LQR), and then the adaptive methods of Model Reference Adaptive(MRAK) and Fuzzy Logic (BM). In conclusion of the studies that were conducted up to thispoint, fuzzy logic control is recommended due to superior performance that it hasdemonstrated in controlling both yaw and roll motion.The vessels produce yaw and roll motion distinctively in comparison to others, depending onthe wave characteristics and the direction from which waves strike the vessel. Therefore,Internal Model Control (DMK) method is applied to simultaneous yaw and roll motion,rudder and roll fin control systems. A fuzzy adaptation mechanism has been developed forthis control method and Fuzzy adaptation of Internal Model Control (B-DMK) is presented asa new approach to be used on the modeled ship. The purpose here is to utilize fuzzy logic toadjust the container ship internal model control gains based on ever changing environmentalconditions in a manner that would not disrupt stability, rather than performing the control ofship way and roll motions only with internal model control or only with fuzzy logiccontrollers.The control systems that are examined in this study have been applied to a container shipmodel and the superiority of each model over one another is discussed by separatelyexamining the performance of each system. Furthermore, the performance of these adaptivecontrol systems over ship motion stabilization systems and the positive contributions thereofto traditional methods are examined.Keywords: Container ship yaw autopilot, roll stabilization systems, PID, LQR, MRAK, FLand IMC control methods.JURY:1. Ass. Prof. Dr. İsmail YÜKSEK (Supervisor) Date: 02.12.20052. Prof. Dr. Faris KAYA Page: 1893. Prof. Dr. Ahmet D. ALKAN4. Doç. Dr. Selim Sivrioğlu5. Ass. Prof. Dr. Arif ADLI