gemilerde kullanılan klasik ve modern otopilot sistemlerinin tarihsel

Gemi Mühendisliği ve Sanayimiz Sempozyumu,
24-25 Aralık 2004
GEMİLERDE KULLANILAN KLASİK VE MODERN OTOPİLOT
SİSTEMLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ
Ar. Gör. Fuat ALARÇİN1
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.
2.
3.
Rota tutuşu ve rota değişim manevraları
Dijital haritalarla ve hava bilgilerini kullanarak iz takibi
Limana yanaşma sistemleri
1
Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi, Gemi İnşaatı Mühendisliği Bölümü,
380
4.
5.
Dinamik pozisyon
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
ψd(t)
φd(t)
Kontrol
δc(t)
sistemi
αc(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
1.
2.
3.
4.
Oransal (P), Oransal-Türev (PD) ve Oransal-Türev-İntegral (PID) kontrol
sistemleri -Minorsky (1922), Sugimoto ve Kojima (1978),
Lineer Quadratik Regulator – Katebi ve Bryne (1988)
Model Referans Adaptif kontrol – Van Amerongen (1982)
Bulanık Mantık kontrol – Hasegawa (1987).
Klasik PID
Otopilotlar
Adaptif
Otopilotlar
Optimal
Otopilotlar
Zeki
Otopilotlar
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
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
Kaynaklar
[1] Fossen, T.I., ‘Guidance and Control of Ocean Vehicles’, John Wiley&Sons, 1994.
[2] K. Ogata, Modern Control Engineering, New Jersey, Prentice-Hall, 1990.
[3] Skjetne, R., Aotopilot Design Proposal for a Large Ship, March 27, 2001.
[4] Amerongen, J., (1980), “Criteria for Optimum Steering of Ships”, Symposium on Ship
Steering Automatic Control, 25-27 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, 441-449.
[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 TrackKeeping,Control Engineering Practice, 11, 2003, 433-443.
[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, 47-53.
[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, 47-53.
[14] Abril, J., Salom, J., Calvo, O., (1997), “Fuzzy Control of a Sailboat”, International
Journal of Approximate Reasoning, Vol. 16, 359-375.
[15] Sgobbo, J.N., (1999), “Rudder/Fin Roll Stabilization of the USCG WMEC 901 Class
Vessel”, Marine Technology, Vol.36, No.3, pp.157-170.
384
[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. 117-124.
385