طراحی کنترل کننده مدلغزشی برای اتوپایلوت و پایدارساز رول کشتی

ایمنی بالا و صرفه اقتصادی از مهمترین پارامترهای طراحی و ساخت کشتی می باشند. به منظور دست یابی به این اهداف، لازم است حرکت کشتی کنترل شود. بر اساس نوع کشتی و عملیاتی که انجام می دهد، تنظیمات خاصی برای مسیر مورد نظر و همچنین حدود قابل قبول حرکت ناشی از امواج که عملیات تحت آن می تواند انجام گیرد وجود دارد. این محدودیت ها می توانند بر روی حرکت های مطلق یا نسبی شامل جابه جائی، سرعت، شتاب و همچنین پاسخ های منتج شده از جابه جائی ها مانند میزان بروز دریازدگی اعمال شوند. اما باید توجه داشت که دینامیک کشتی به علت وجود عبارت های میرایی غیرخطی و دوران بین دستگاه مختصات متصل به زمین و دستگاه مختصات متصل به بدنه، غیرخطی می باشد. هر چند امکان خطی سازی معادلات دینامیکی و سپس طراحی کنترل کننده خطی وجود دارد، ولی این شیوه کنترلی نمی تواند پایداری جامع سیستم را تضمین کند. همچنین باید توجه داشت که کشتی تحت تاثیر اغتشاش های غیر قابل پیش بینی محیطی مانند امواج و عدم قطعیت هایی ناشی از شرایط سفر دریایی مانند شرایط بارگیری و تراز قرار دارد. از این رو طراحی اتوپایلوت و پایدارساز roll برای کشتی همواره یک مسئله چالش برانگیز بوده است. اما مرور تحقیقات انجام شده نشان می دهد که در اکثر موارد این دو موضوع کنترلی به صورت مجزا در نظر گرفته شده اند. در صورتی که تداخل بین کانالهای yaw و roll غیر قابل اغماض می باشد. همچنین اکثر تحقیقات مبتنی بر کنترل کننده مدلغزشی بر اساس مدل خطی سازی شده کشتی انجام شده اند و در هیچ یک از آنها حدود عدم قطعیت به صورت تحلیلی محاسبه نشده و تنها یک بهره ثابت برای مقابله با عدم قطعیت در نظر گرفته شده است. در این تحقیق ابتدا با استفاده از شیوه کنترل مد لغزشی، دو کنترل کننده غیرخطی یک ورودی-یک خروجی جهت اتوپایلوت (کنترل yaw با استفاده از سکان) و پایدارساز roll (کنترل roll با استفاده از بالک ها) طراحی شده اند. سپس یک کنترل کننده مد لغزشی دو ورودی-دو خروجی غیرخطی نیز برای کنترل توام roll و yaw طراحی شد. همچنین در ادامه، ایده جدید استفاده از بهره سوئیچینگ تعمیم یافته برای افزایش تاثیر ورودی ها در خروجی های کنترلی متقابل پیشرفت داده شد. یکی از خصوصیات برجسته کنترل کننده های طراحی شده این است که در آنها حدود عدم قطعیت به صورت تحلیلی محاسبه شده و مقاومت آنها نسبت به منابع مختلف ایجاد عدم قطعیت، تضمین شده است. البته باید توجه داشت که این شیوه کنترلی دارای مشکلات عملی مانند پدیده چترینگ نیز می باشد. برای کاهش این مشکل در هر مرحله از طراحی، کنترل کننده ها با استفاده از متغیر سوئیچینگ انتگرالی ارتقا داده شدند. در نهایت جهت ارزیابی کارایی کنترل کننده های پیشنهادی، 3 معیار کمی متوسط خطای تعقیب، درصد کاهش roll و تلاش کنترلی در نظر گرفته شد. نتایج شبیه سازی سیستم های کنترلی طراحی شده بر روی مدل غیرخطی کشتی در دو وضعیت مختلف دریای آرام و امواج بسیار سخت بیان گر کارایی بالاتر کنترل کننده مدلغزشی چند متغیره مبتنی بر متغیر سوئیچینگ انتگرالی و بهره سوئیچینگ تعمیم یافته، نسبت به سایر سیستم های کنترلی می باشد.