نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی برق گرایش کنترل دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

2 دانشیار دانشکده مهندسی برق دانشگاه علم و صنعت ایران

3 استادیار دانشکده مهندسی راه‌آهن دانشگاه علم و صنعت ایران

4 استادیار دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

چکیده

یکی از مهم‌ترین حرکات یک شناور در امواج دریا، حرکت غلتش عرضی می‌باشد. شتاب‌های عرضی و عمودی ناشی از این حرکت، باعث اختلال در عملکرد خدمه، افزایش زمان مأموریت، دریازدگی کارکنان، آسیب رساندن به محموله، ناکارآمدی و کاهش عملکرد تجهیزات الکترونیکی، واژگونی شناور، افزایش مصرف انرژی و در کل سبب ناپایداری عرضی شناور می‌گردد. جهت جلوگیری از این پیامدها، انتخاب پایدارساز و سیستم کنترلی مناسب ضروری است. هدف از این تحقیق این است که ضمن آنالیز حرکت غلتش عرضی یک شناور نظامی، کنترل‌کننده مناسب جهت کاهش دامنه این حرکت با استفاده از پایدارساز باله‌های فعال طراحی گردد. بدین منظور ابتدا مدل مناسب برای حرکت غلتش عرضی شناور و همچنین پایدارساز باله استخراج شده است. از آنالیز دینامیک سیالات محاسباتی به منظور بررسی رفتار باله‌ها با سیال و همچنین محاسبه ضریب نیروی برآ باله‌ها استفاده شده است. یک کنترل کننده LQR مقید به منظور کنترل حرکت غلتش عرضی در حضور محدودیت‌های عملگر الکتروهیدرولیکی باله‌ها طراحی و استفاده شده است. به منظور افزایش اعتبار نتایج این تحقیق، عملکرد این کنترل کننده با نتایج یک کنترل کننده PID مقایسه شده است. نتایج شبیه‌سازی کاهش قابل توجه دامنه غلتش عرضی و دست‌یابی به استاندارد ناتو در این زمینه را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analyze and constrained control of ship roll motion for frigate navy with active fins

نویسندگان [English]

  • H malekizadeh 1
  • m.r jahed-motlagh 2
  • b moaveni 3
  • A moarefianpur 4

1 teacher of university

چکیده [English]

One of the most important of ship motions in sea waves is roll, which causes transverse and vertical accelerations and loss of operational performance of the frigate warship by making limitation in comfort, workability, safety, reduce the performance of weapons and navigation equipment as well as increase the mission time and energy consumption. To prevent these events it is essential selection of suitable stabilizer and control system .The purpose of this research is, analayze of roll motion and suitable controller design for decreasing the amplitude of this motion. for this is extracted suitable fin-roll model as well as computational fluid dynamics method for the fin-roll stabilizer, and flow analysis was done. Because there are fin constraints, in particular the dynamic stall and mechanical fin angle saturation, the constrained control was designed for fin-roll system and the results were compared with PID controller results. The results showed the LQR control had positive effects on significant reduction in the roll amplitude and achieving to the roll operational performance of the frigate warship according to NATO standard.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ship roll motion
  • Active fins
  • CFD analayze
  • Constrained LQR controller

[1] Perez, T., Blanke, M. “Ship Roll Damping Control”, Annual Reviews in Control. Vol. 36, pp. 129-147, Apr. 2012.

 [2] Perez, T. “Ship Motion Control: Course Keeping and Roll Stabilization using Rudder and Fins”, Springer-Verlog., London, 2005.

 [3] Perez, T., Goodwin, G. C. “Constrained Predictive Control of Ship Fin Stabilizers to Prevent Dynamic Stall”, Control Eng. Practice, Vol. 16, pp. 482-494, Apr. 2008.

[4] Lewis, V.E. “Principles of Novel Architecture Vol. III, Motion in Waves and Controllability”, The Society of Nav. Archit. And Marine Eng., Jersey City, 1989.

[5] Lloyd, R. J. M. A. “Sea keeping: Ship Behavior in Rough Weather”, Ellis Horwood Ltd, Chichester, UK, 1989.

[6] Sellars, F. H., Martin, J. P. “Selection and Evaluation of Ship Rol Stabilization Systems. Marine Technology”, SNAME. Vol. 29, pp. 84-101, Feb. 1991.

[7] Ghaemi, R., Sun, J., Kolmanovsky, I.V. “Robust Control of Ship Fin Stabilizers Subject to Disturbances and Constraints”, American Control Conference.  pp. 537-542, Jun. 2009.

[8] Gaillarde, G. “Dynamic Behavior and Operation Limits of Stabilizer Fins”, In IMAM International Maritime Association of the Mediterranean, Creta, Greece, 2002.

[9] Lee, C. M., Park, I. R., Chun, H. H., Lee, S. J. “Effect of Free Surface and Strut on Fins Attached to a Strut”, Ocean Eng. Vol. 28, pp. 159–177, 2000.

[10] Surendran, S., Lee, S.K., Kim, S.Y. “Studies on an Algorithm to Control the Roll Motion using Active Fins”, Ocean Eng., Vol. 34, pp. 542–551 Apr. 2007.

[11] Whicker, L. F., Fehlner, L.F. “Free-Stream Characteristics of a Family of Low Aspect-Ratio, All-Movable Control Surface for Application to Ship Design”, DTMB Report, 1958.

[12] Alarçin, F. “Conventional PID and Modified PID Controller Design for Roll Fin Electro-Hydraulic Actuator”, Acta Polytechnica Hungarica, Vol. 11, No.3, pp. 233-248, Jan.2014.

[13] Demirel, H. “Modified Pid Control Design for Roll Fin Actuator of Nonlinear Modelling of the Fishing Boat”. Polish Maritime Research, Vol. 21, pp.3-8, Jan.2014.

 [14] Moradi, M., Malekizade, H., “Robust Adaptive First-Second-Order Sliding Mode Control to Stabilize the Uncertainfin-roll Dynamic”, Ocean Eng., Vol. 69, pp. 18–23, 2013.

[15] Sungkyun Lee, Key-Pyo  Rhee, Jin-Woo  Choi,  “Design  of  the  Roll  Stabilization  Controller,  using  Fin Stabilizers  And pod propellers”, Applied  Ocean  Research, Vol. 33, pp. 229-239, 2011.

[16] Hinostroza, M. A., Luo, W., Soares, C. G. “Robust Fin Control for Ship Roll Stabilization based on L2-gain Design”, Ocean Engineering. Vol. 94, pp. 126-131, Jan. 2015.

[17] Pascoal, R., Rodrigues, B., Soares, C.G.  “Forced Rolling Trials On Board a Portuguese Navy Frigate”, Marine Technology. Vol. 43, No. 3, pp. 115–125, Jul. 2006.

 [18] Zhang J. W. , Andrews D. J. “Roll Damping Characteristics of a Trimaran Displacement Ship”,

      International Shipbuilding Progress. Vol. 46, pp. 445-472, 1999.

[19] Johansen, T. A., Petersen, I., Slupphaug, O. “On Explicit Suboptimal LQR with State and Input Constraints”, On proceedings of The 39th IEEE Conference. Vol.1, pp. 1-8, 2000.

[20] Stathopoulos, G., Korda, M., Jones, C. “Solving the Infinite-Horizon Constrained LQR Problem using Splitting Techniques”, EPFL-REPORT-197368, 2014.

 [21] Crossland, P. “The Effect of Roll-Stabilization Controllers on Warship Operational Performance”, Control Eng. Practice. Vol. 11, pp.423–431, 2003.