Design of an Optimal Controller for the Roll Stabilization of Surface Ships with Active Fins

Gemilerin Aktif Kanatla Yalpa Stabilizasyonu için Bir Optimal Kontrolcü Tasarımı

Abstract

In this paper, an optimal controller is designed to control the undesired roll motion of a ship under theeffect of sea waves by using active fin stabilizers. The roll dynamics is described by a single-degree-offreedom nonlinear model. An actuator dynamics is also included to the dynamic system. Sinusoidal andrandom wave models are used to describe the wave elevation that causes disturbance moments in theship. A worst-case scenario is the application of the periodic wave to bring the ship resonance, whereasthe random waves are used to test the system at the smooth and moderate sea states. In designing thecontroller, the energy optimal control method, which allows both the closed-loop and real-time controlof dynamic systems, is employed, and the control law is obtained analytically. The performance of thecontroller, under the effect of environmental disturbances, is tested by computer simulations and theresults are compared with those from LQR controlled ship.

Özet

Bu çalışmada, dalga etkisi nedeniyle istenmeyen yalpa hareketi yapan bir geminin aktif kanat dengeleme sistemi vasıtasıyla kontrolü için bir optimal kontrolcü tasarımı yapılmıştır. Tek serbestlik derecesine sahip doğrusal olmayan bir model kullanılarak yalpa dinamiği tanımlanmıştır. Ayrıca, kanatlara ait aktüatör modeli de sisteme eklenmiştir. Gemiye bozucu etki yapan deniz dalgalarının modellenmesinde, dalga yüksekliğinin sinüzoidal bir fonksiyon ve rastgele dalga modeli kullanılmasıyla iki yaklaşım benimsenmiştir. Periyodik dalga ile geminin doğal frekansında rezonansa getirilmesiyle olabilecek en kötü durum test edilmeye çalışılırken, küçük ve orta dalgalı deniz durumlarına karşılık gelen iki ayrı rastgele dalga modeli ile gerçekte karşılaşılabilecek durumlar test edilmeye çalışılmıştır. Kontrolcü tasarımında, dinamik sistemlerin gerçek zamanlı ve kapalı çevrim kontrolüne imkan veren enerji optimal kontrol metodu kullanılmıştır. Analitik olarak elde edilen kontrol kuralı vasıtasıyla, bahsedilen bozucu etkiler altında, kontrol performansı bilgisayar simülasyonları ile test edilerek istenmeyen yalpa hareketinin azaltıldığı gösterilmiştir ve bir LQR kontrolcü ile kontrol edilmiş geminin yalpa hareketleriyle karşılaştırılmıştır.