İbrahimTuğrulArdıç_508172005_sunum.pptx

GEMİLERDE YALPA ÖNLEYİCİ FİNLERİN KONVANSİYONEL PID
VE BULANIK MANTIKLA (FLC) KONTROLÜ
Y. MÜH. İ. TUĞRUL ARDIÇ
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

GEMİLERDE YALPA ÖNLEYİCİ FİNLERİN KONVANSİYONEL PID VE BULANIK
MANTIKLA KONTROLÜ – GİRİŞ
Yalpa hareketi yapan bir gemide karşılaşılan başlıca sorunlar;
 yüklerin hasar görmesi,
 yolcular için rahat bir seyahat ortamı sağlanamaması,
 gemideki personelin işlerini gerektiği gibi ve zamanında
yapamaması,
 gemi rotasının dalgalara göre sürekli değiştirilmesi ve gemi
mukavemeti açısından ortaya çıkan problemlerdir.
Bu sebeple yalpa önleyici finlerin tasarımında yapıya etkiyen
sürtünme ve kaldırma kuvvetlerinin doğru bir şekilde
belirlenebilmesi önem arz etmektedir.
Sürtünme ve kaldırma kuvvetlerinin hesaplanmasında
I. deneysel metotlar,
II. hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD),
III. yarı ampirik formüllere dayalı metotlar
kullanılmaktadır.

MANTIKLA KONTROLÜ – LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
1. Taylan [1,2]
zaman domeninde Krylov-Bogoliubov metodunu kullanmıştır.
* lineer olmayan doğrultucu kuvvetler üçüncü dereceden polinomlarla,
* lineer olmayan sönüm etkisi ise ikinci dereceden polinomlarla temsil edilmiştir.
2. Surendran ve diğ. [3]
 ele aldıkları fırkateynin lineer olmayan yalpa hareketlerinin PID
tipte bir kontolör kullanılarak azaltılabileceğini göstermişlerdir.
3. Guan ve Zhang [4]
 lineer olmayan sönüm etkilerinin geri adımlı integratör teorisi ile ele almışlardır.
 konvansiyonel PID tipte kontrolör tasarlanmış
 yüksek dereceden lineer olmayan terimleri ihmal etmişlerdir.
4. Deticek [5]
 bulanık mantık tabanlı ve konvansiyonel tipte kontrolörler için özgün bir kontrol stratejisi
önermiştir.
 Tasarlanan konvansiyonel tipte PID, bulanık mantık temelli FLC ve hibrid bulanık PID
[HFPID] kontrolörlerin performansları karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

MANTIKLA KONTROLÜ – LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
6. Ertogan ve diğ. [7]
• Oransal – Türev – 2. Türev (PDD2) yaklaşımı ile parçacık
kümesi optimizasyonu (PSO) birlikte kullanılmıştır.
• Sönüm katsayısı (B) ve geminin düşey ağırlık merkezi (C)
deney sonuçlarından elde edilmiştir.
5. Guo ve diğ. [6]
Adaptif Ağ Tabanlı Bulanık Çıkarım Sistemi (ANFIS) yaklaşımı
benimsenmiştir.
1. tabaka: bulanıklaştırma tabakası (fuzzified layer)
2. tabaka: kural/kuralların aktive olması (rule firing layer)
3. tabaka: üyelik derecelerinin normalizasyonu (normalized strength layer)
4. tabaka: bulanık çıktının elde edilmesi (computing output of fuzzy rules)
5. tabaka: berraklaştırma aşaması (defuzzification)

MANTIKLA KONTROLÜ – MATEMATİK MODEL
yalpa hareketi denklemi:
 STAR CCM yazılımı (CFD)
 RANS (Reynolds Averaged Navier-
Stokes) yaklaşımı
I ve J: geminin kütle atalet momenti ile eksu kütlesi atalet momenti
B1, B2, ve B3: yalpa sönüm katsayıları
c1, c3, c5, ve c7: doğrultucu kuvvet katsayıları
Δ: geminin deplasman ağırlığı
𝜱, 𝜱, 𝜱: geminin yalpa açısı, hızı ve ivmesi
ωe: dalga karşılaşma frekansı
αm: maksimum dalga eğimi

Sönüm
katsayıları
Doğrultucu
moment
katsayıları
 𝜱𝒗: stabilitenin kaybolduğu açı
 𝑨𝜱𝒗: GZ eğrisinin altında kalan
alan
 GM: geminin ağırlık merkezinin
metasantr noktasına olan
uzaklığı

GEMİLERİN ENİNE STABİLİTESİ

CFD ANALİZİNDEN ELDE EDİLEN 𝐶𝐿 DEĞERLERİ
FİNİN HIZ VE BASINÇ GRADYENLERİ

Elektro-Hidrolik Servo Sistemin Dinamiği
Pistonun hareket denklemi
Hidrolik finin servo sistemine ait tahrik edici, valf ve kuvvet
dinamiği etkilerini içeren matematik model aşağıdaki gibidir
Denklem takımının çözülmesiyle hidrolik
servonun cevabı elde edilir.
Geminin yalpa hareketi
denkleminin çözülmesinden
ve CFD analizinden elde
edilen değerler

MANTIKLA KONTROLÜ – KONTROLÖR DİZAYNI
Kontrol sistemi dizaynında temel amaç, yalpa önleyici finlerin
hücum açısını, belirli bir giriş voltajı vererek istenilen
pozisyona getirmektir.
Finin hareketleri, verilen giriş sinyaline bağlı olarak, pompa
yardımıyla gerçekleşir. Gemi istenilen pozisyona ulaştığında,
pompanın çalışması durur ve bu durumda yalpa önleyici fine
ait blok diyagramı yandaki gibidir.
Bu durumda yalpa önleyici finin tahrik edici elektro-hidrolik
sisteminin dinamiği aşağıdaki eşitlikle ifade edilebilir
𝜶𝒇: gerçek fin açısı (actual fin angle)
u : elektro-hidrolik sistem tarafından
fine aktarılan girdi
KONTROLÖR DİZAYNI

Konvansiyonel PID kontrolör tarafından üretilen çıktı
aşağıdaki şekilde tanımlanır
KONVANSİYONEL PID KONTROLÖR
αd t : fine ait referans açı değeri,
αf t : finin çıktısı (açı değeri),
e(t): sistemdeki hata
uf t : kontrol sinyali (PID ya da FLC)

BULANIK MANTIK TABANLI KONTROLÖR (FLC)
Bu çalışmada tasarlanan bulanık mantık tabanlı kontrolör, üç
girdi ve bir çıktıdan oluşmaktadır.
sistemin girdileri,
 pozisyon hatası (e)
 pozisyon hatasının anlık değişimi (de/dt)
 kontrolör tarafından servoya sağlanan referans değer (αd t )
Kontrolörün girdileri aşağıdaki gibi tanımlanmıştır
sistemin çıktısı ise bulanık kontrolörün çıktısının bir
fonksiyonu olacak şekilde tanımlanmıştır

BULANIK MANTIK TABANLI KONTROLÖR (FLC)
1. İlk adımda, üyelik fonksiyonları ile her bir üyelik
fonksiyonunun destek aralığı belirlenmiştir.
2. İkinci aşamada kontrolörün kural tabanı
oluşturulmuş, oluşturulan bu kural tabanı aracılığıyla,
hata ve hatanın türevi için aktive olan kurallar
yardımıyla, kontrolörün çıktısı elde edilmiştir.
3. Ardından uygun berraklaştırma yöntemi
kullanılarak, kontrolörün çıktısı crisp value olarak
elde edilmiştir.

MANTIKLA KONTROLÜ – SONUÇLAR
SİMÜLASYON SONUÇLARI
 Bu çalışma kapsamında Aydın ve Akyıldız [8]
tarafından tasarlanmış balıkçı teknesi ele alınmıştır.
 Balıkçı teknesi ile yalpa önleyici finin ana
boyutları ile boyutsuz katsayıları Tablo 3'de
görülmektedir.
 Boyutsuz sönüm ve doğrultucu moment
katsayıları ise Tablo 4'de tanımlanmıştır.

 Simülasyon sonuçları,
konvansiyonel PID ve
bulanık kontrolörün
yalpa açısı ve yalpa
hızı üzerindeki
etkisini gösterecek
şekilde Şekil 12 ve
Şekil 13'de
sunulmuştur.
 Konvansiyonel PID
kontrolörün kazanç
katsayıları Kp, Ki ve
Kd Ziegler Nichols
yöntemiyle Kp=
0,2145 Kd= 1,2288 ve
Ki= 2,89 olarak elde
edilmiştir.
 Bulanık kontrolörün sistem cevabının, konvansiyonel PID
kontrolöre göre daha iyi olduğu gözlemlenmiştir.

 Yönetici diferansiyel denklemler çözülürken Runge Kutta
ve Dorman Prince Couple metotlarını içeren MATLAB ode45
fonksiyonu kullanılmıştır.
 Bulanık kontrolör tasarımında ise MATLAB Simulink'in
bulanık mantık araç çubuğu tercih edilmiştir.
 Konvansiyonel PID ve bulanık kontrolörün yatışma
süresi (settling time) sırasıyla 3 ve 1,5 saniyedir.
 Hidrolik sisteminin konum ve hız hatalarının,
bulanık kontrolöründe daha düşük olduğu
gözlemlenmektedir.

 Hidrolik silindirin A ve B yüzeyindeki basınç dağılımı Şekil 16 ve Şekil 17'de görülmektedir.
 Bulanık mantık kontrolör kullanıldığı durumda, silindir üzerinde daha düzgün basınç dağılımı meydana geldiği
görülmektedir.

MANTIKLA KONTROLÜ – ÖNERİLER VE DEĞERLENDİRMELER
ÖNERİLER VE DEĞERLENDİRMELER
1. Bu çalışmada açısal hata ile hatanın türevi için 5’er üyelik fonksiyonu belirlenmiştir. Bulanık mantık kontrolörünün
girdileri için belirlenen üyelik fonksiyonu sayısı artırılabilir, üyelik fonksiyonlarının destek genişliği değiştirilebilir,
ya da üyelik fonksiyonlarının sağ ve sol destek aralıkları artırılıp azaltılarak, sistemin cevabı üzerindeki etkileri
araştırılabilir.
2. Bulanık kontrolün bu çalışma kapsamında kullanılan klasik formu bazı durumlarda karmaşık sistemlerle başa
çıkmada sınırlı uyarlanabilirlik ve revizyon imkanı sebebiyle yeterli olamamaktadır. Bu çalışmanın devamı olarak
hibrit bulanık mantık – yapay sinir ağları mantığında (ANFIS) kendi kendine öğrenen bir kontrolör tasarlanabilir. Bu
tip hibrit sistemler iki kural tabanının hiyerarşik yapısına sahiptir. Bunlardan ilki denetleyicinin genel kural tabanıdır.
İkincisi yapay muhakeme yeteneğine sahip; sistemin genel performansına göre ana kural tabanını oluşturma ve
edindiği tecrübeye bağlı olarak kural tabanını değiştirme becerisi olan yapılardır (Deticek, [5]).
3. Bu çalışmada başlangıç koşulu olarak belirlenen finin hücum açısında, geminin stabil olduğu kabul edilmiştir. Fakat
geminin operasyon esnasında (balık avlama vb.), şiddetli yanal rüzgar etkisi altında veya ağır deniz koşullarında
çalışabileceği göz önünde bulundurulduğunda, geminin öncelikle stabilite koşullarını sağlayıp sağlamadığı tespit
edilmelidir. Bu sebeple bulanık mantık tabanlı yalpa fini dizaynında, stabilite koşullarının sağlandığı (Lyapunov
Metodu vb.) gösterildikten sonra kontrolörün performansının incelenmesi gerçekleştirilen çalışmanın gerçek
durumla daha çok bağdaşmasını sağlayacaktır. (Alarçin ve diğ. [9])

ÖNERİLER VE DEĞERLENDİRMELER
4. Yine bu çalışma kapsamında yalpa hareketi denkleminde yer alan devirici fin momentini (fin roll moment)
hesaplayabilmek amacıyla finin kaldırma kuv. katsayısı (lift coefficient), RANS (Reynolds Average Navier Stokes)
yaklaşımıyla, CFD paket problemi kullanılarak hesaplanmıştır. Yalpa finlerinin açısı değiştikçe iz bölgesinde
türbülans etkilerinin oldukça baskın olduğu bilinmektedir fakat, RANS metodu türbülans bölgesinin, finin kaldırma
kuvveti etkisini modellemekte oldukça yetersiz kalmaktadır. Bu sebeple CFD analizinde daha gelişmiş bir türbülans
modeli kullanılabilir (LES, DNS vb.) veya kaldırma kuvveti katsayısı deneysel olarak daha isabetli bir şekilde
hesaplanabilir.
5. Elektro-Hidrolik sistemin matematik modeli oluşturulurken, sistem doğası gereği ortaya çıkan birçok lineer olmayan
etki (pistonun sıcaklıkla genleşmesi, hidrolik yağı sızıntısı vb.) modele dahil edilmemiş, bunun yanı sıra hangi lineer
olmayan etkilerin modele dahil edildiği açıkça belirtilmemiştir. Bu sebeple elektro-hidrolik sistemin matematik
modeli oluşturulurken, makul sayıda lineer olmayan etkinin sisteme dahil edilmesi ve sisteme dahil edilen non-lineer
terimlerin açıkça belirtilmesi gerçekleştirilen çalışmanın değerini artıracaktır.

TEMEL REFERANS
1. Taylan, M.: Solution of the nonlinear roll model by a generalized asymptotic method. Ocean Eng. 26,
1169–1181 (1999)
2. Taylan, M.: The effect of nonlinear damping and restoring in ship rolling. Ocean Eng. 27, 921–932
(2000)
3. Surendran, S., Lee, S.K., Kim, S.Y.: Studies on an algorithm to control the roll motion using active
fins. Ocean Eng. 34, 542–551 (2007)
4. Guan, W., Zhang, X.K.: Concise robust fin roll stabilizer design based on integrator backstepping and
CGSA. In: 3rd International Symposium on Systems and Control Aeronautics and Astronautics, Harbin,
pp. 1392–1397 (2010)
5. Deticek, E.: A fuzzy self-learning position control of hydraulic drive. Cybern. Syst. 31(8), 821–836
(2000)
Alarçin, F.: Nonlinear modelling of a fishing boat and Fuzzy Logic Control design for electro-hydraulic
fin stabilizer system . Nonlinear Dynamics. (2013)
DİĞER REFERANSLAR

6. Guo, C., Simaan, M. A., Sun, Z.: Neuro-Fuzzy Intelligent Controller for Ship Roll Motion
Stabilization. Proceedings of the 2003 IEEE International Symposium on Intelligent Control Houston.
Texas. pp. 182-187 (2003)2. Taylan, M.: The effect of nonlinear damping and restoring in ship rolling.
Ocean Eng. 27, 921–932 (2000)
7. Ertogan, M., Ertuğrul, S., Taylan, M.: Application of particle swarm optimized PDD2 control for ship
roll motion with active fins. IEEE Transactions pp. 1-12 (2015)
8. Aydın, M., Akyıldız, H.: Assessment of the intact stability characteristics of the fishing boats suitable
for Turkish water. ITU Publ. 4(6) (2005). ISSN 1307-703X
9. Alarcin, F., Demirel, H., Su, M. E., Yurtseven, A., Conventional PID and Modified PID Controller
Design for Roll Fin Electro-Hydraulic Actuator. Acta Polytechnica Hungarica. 11(3). pp. 233-248
(2014)

İbrahimTuğrulArdıç_508172005_sunum.pptx

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

İbrahimTuğrulArdıç_508172005_sunum.pptx