Otomatik kontrol sistemlerinin gemiler arası ikmal operasyonlarında uygulanması

Abstract

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.