0-92160

نشریه مهندسی دریــا سال سیزدهم/ شماره52/ بهار و تابستان 6931 )74-21(
طراحی سیستم کنترل برای میرایی حرکت هیو شناور اثرسطحی با استفاده از روش رگولاتور مربعی خطی
احسان اسماعیلیان1*، بهزاد فرزانگان2 ، حمید ملکیزاده3، حسن قاسمی4، منوچهر فدوی5، محمدباقر منهاج6

6 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی دریا دانشگاه صنعتی امیرکبیر؛ ehsanesmaelian@aut.ac.ir
5 دکتری، دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی امیرکبیر؛ b.farzanegan@aut.ac.ir
9دکتری، مهندسی برق، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران؛ h.malekizadeh@srbiau.ac.ir
7 استاد، دانشگاه صنعتی امیرکبیر؛ gasemi@aut.ac.ir
2 استادیار، دانشکده مهندسی دریا دانشگاه صنعتی امیرکبیر؛ fadavie@aut.ac.ir
1 استاد، دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی امیرکبیر؛Menhaj@aut.ac.ir
5410209954768

26112479954768

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:04 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:04 +0330 on Monday October 30th 2017

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این مقاله، هدف کاهش حرکت بین شناور اثرسطحی و توربین باد برای انتقال ایمن تجهیزات و اشخاص از شناور به توربین باد میباشد. شناورهایی با این کاربرد نقش مهمی در بهرهبرداری و نگهداری توربینهای باد دارند. برای این منظور، سیستم کنترل رگولاتور مربعی خطی6 برای میرایی حرکت هیو شناور اثرسطحی طراحی شده است. برای بررسی قابلیت سیستم کنترل طراحیشده، نتایج برای سه وضعیت دریایی شامل امواج منظم با فرکانس بالا، امواج منظم با دامنه بزرگ و موج نامنظم ارزیابی شده است. در تمامی شرایط دریایی ارزیابیشده، سیستم کنترل کنترل رگولاتور مربعی خطی قادر به میرایی بیش از 32 درصد حرکت هیو بود. در هریک از شرایط نتایج با سیستم کنترل تناسبی-انتگرالی-مشتق گیر مقایسه شد. همچنین ،بهمنظور اعتبارسنجی، نتایج با روش کنترلی تناسبی-مشتق گیر مقایسه شد .نتایج نشان داد که روش کنترلی رگولاتور مربعی خطی یک روش کارآمد برای کنترل حرکت هیو است و نسبت به روش کنترلی تناسبی-مشتق گیر ، دارای زمان نشست کمتر و درصد میرایی بیشتری میباشد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 74/71/6932 تاریخ پذیرش مقاله: 70/65/6932

کلمات کلیدی:
شناور اثرسطحی حرکت هیو
روش رگولاتور مربعی خطی توربین باد

Control System Design for a Surface Effect Ship by Linear-Quadratic Regulator Method

Ehsan Esmailian1*, Behzad Farzanegan2, Hamid Malekizadeh3, Hassan Ghassmi1, Manouchehr Fadavi Ardestani1, Mohammad Bagher Menhaj2

Department of Marine Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
Department of Electrical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran 3 Department of Electrical Engineering, SRBIU, Tehran, Iran

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 28 Aug. 2016
Accepted: 26 Feb. 2017
In this paper, the main goal is to reduce the heave motion between a surface effect ship (SES) and a wind turbine in order to safely transfer equipment and person to SES. For this purpose, an LQR control system is designed to damp the vertical motion of the surface effect ship in critical sea states including high-frequency and high amplitude

Keywords:
Surface effect ship Heave
LQR Control System regular waves as well as high frequency irregular waves. The simulation results show the high quality of the system control in the studied sea condition. A comparative analysis of LQR and PID approaches demonstrate the high performance of the new designed control system. The proposed controller outperforms the traditional PD.

74
1- مقدمه
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:04 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:04 +0330 on Monday October 30th 2017

ایدهی اصلی شناورهای اثر سطحی ترکیبی از هاورکرافت و کاتاماران میباشد. شناور اثر سطحی شناوری است که بخشی بزرگی از نیروی لیفت در آن توسط یک یا چند بالشتک تحمل میشود. این در حالی است که در یک شناور جابجایی تمام لیفت ناشی از نیروهای بویانسی و هیدرودینامیکی است. نیروی لیفتی که توسط بالشتک هوا تحمل میشود، حدود 07 درصد شناور اثر سطحی است و بقیهی این نیرو توسط بدنههای کناری تحمل میشود. شناور اثرسطحی دارای بالشتک هوا در زیر عرشهی خود است. بالشتکهایی در جلو و در عقب شناور، مانع از خروج هوا میشوند و بخشهایی از شناور با استفاده از فشار هوای زیر بدنه از آب خارج میگردد و باعث کاهش آبخور شناور میشود و در زمان حرکت سرعت بیشتری را تأمین مینماید )شکل 6(.
برای سیستم های دریایی سیستمهای کنترلی مختلف ارائه شده است[6]. حرکت هیو بهطور کامل در [ 7،9،5] بررسی شده است. برلی کنترل از سیستم لوور9 متشکل از دو شیر در جلوی بالشتک هوا استفاده شده است [2 ]. با باز و بسته شدن شیرها، جریان هوای داخل بالشتک کنترل میشد، طوری که باعث میرایی حرکت هیو شود. در آنجا از سه سنسور فشار و یک سنسور شتاب استفاده شد .با فیلتر مناسب سیگنال خروجی از واحد اندازهگیری و در نظر گرفتن مدل ریاضی، سیستم کنترل سیگنال مناسب برای سیستم لوور را شناسایی میکند .
برای برای مقابله با نیروهای خارجی مربوط به توربین باد و رمپ سیستم کنترلی ارائه شد]1[. سیستم کنترل پیشنهادی قادر به میرایی 10 درصد حرکت هیو بود .یکی از بهترین کارهایی در رابطه با میرایی حرکت هیو شناورهای اثرسطحی استفاده از سیستم کنترل تطبیقی برای انتقال بار در شرایط دریایی معتدل از طریق رمپ بین شناور LMSR و شناور اثرسطحی بوده است[4]. سیستم کنترل پیشنهادشده دارای نتایج خوب بود، ولی پاسخگوی تمامی نیروهای خارجی وارد بر شناور نبود. با اینوجود، سیستم کنترل مطرحشده در شرایط دریایی طوفانی به علت محدودیت در مساحت لوور نتایج خوبی نداشت. همچنین، این سیستم کنترل برای میرایی حرکت پیچ استفاده شد[0]. این سیستم کنترلی برای کاهش اثرات دو مد رزونانسی مختلف بالشتک هوا پیشنهاد شد[3]. یک سیستم کنترلی برای میرایی مد حرکتی دو فرکانس یک کاتاماران بالشتک دار طراحی شد که نتایج خوبی برای فرکانسهای رزونانسی کوچک داشت [67]،.
70

شکل 1 – نمای کلی از شناور اثرسطحی همراه با شماتیک جریان ورودی هوا.

در این مقاله نیز هدف میرایی حرکت هیو بین شناور اثرسطحی و توربین باد است )شکل 5(. بر اساس گزارش آژانس محیطزیست اروپا، پیشبینی میشود نصب توربین باد در سال 5757 افزایش قابلملاحظهای داشته باشد[67]. به دلیل اینکه توربینهای باد نیاز به بازبینی و نگهداری دارند. راهحل اقتصادی برای یک مزرعه توربین باد افزایش قابلیت دسترسی به توربینهای باد است. شناور اثرسطحی درصورتیکه دارای سیستم کنترل مناسب باشد امکان دسترسی آسان اشخاص و انتقال تجهیزات به توربین باد را فراهم میکند[62].
از بارزترین کارهای انجامشده در این زمینه روشPD است. در این مقاله از روش LQR که یک کنترل بهینه است، برای این منظور استفاده میشود. در این سیستم کنترل ضریب بهره، سیستم را بهصورت بهینه تعیین میکند تا عملکرد کنترلر بهینه گردد[69].
این مقاله بهصورت زیر ساختار یافته است. در بخش 6، مدل ریاضی سیستم مطرح میشود. در بخش 5 قانون سیستم کنترل ارائه میشود. شبیهسازی عددی برای سیستم کنترل طراحیشده در سه شرایط موج منظم با فرکانس بالا، دامنه بزرگ و موج نامنظم به ترتیب در بخشهای 9 ارائه میشود. در بخش 7 اعتبارسنجی نتایج انجام میشود .درنهایت در بخش 2 نتیجهگیری ارائه میشود .

1- مدل ریاضی
در این بخش، مدل ریاضی برای حرکت هیو ارائه میشود. بر طبق
[6]، مدل ریاضی برای حرکت هیو را میتوان بهصورت زیر بیان نمود:

562936-58034

(m A 33)3(t)B33 3 (t)C33 3 (t)A P FC C  3e(t)
)6(

شکل2 – شناور اثرسطحی در انتقال به یک توربین باد از طریق رمپ.

که در آن PC ،Ac ، به ترتیب معرف حرکت هیو، مساحت بالشتک و فشار اتمسفر میباشد. برای یک موج فرکانس تنها، نیروی خارجی بهصورت زیر محاسبه میشود:

F3e(t)  K sin(e3  e t ) )5(

که در آن
که در آنKe3  2gekdKL2(C33 e A33 ) )9(
L وK1 (1c0 0hAac) 2 D به ترتیب آبخور و طول بدنههای کناری میباشد. معادله Pپیوستگی برای جریان هوای داخل بالشتک را میتوان بهصورت زیر 0P
1451420-92128

K3 

2c0 (Q02Pq0 QPin 0) )69(d :نوشت
)7( qin (t)qout (t)  dt

(c (t)V (tc )) بر اساس شرط آدیاباتیک ،رابطهی بین فشار و چگالی بهصورت زیر 2- طراحی سیستم کنترل LQR
میباشد: در اینجا از روش LQR برای طراحی سیستم کنترل برای شناور اثرسطحی استفاده میشود .در شکل 9 شماتیک عملکرد سیستم
4044113111816

474781415046

)2( c (t)  Pcc100 (Pc (t))1کنترل برای شناور نمایش دادهشده است.
35509290219

که در آن گرمای ویژه هوا ،cچگالی هوا در فشار تعادلی است .
مشتق زمانی معادله) 7( بهصورت زیر میباشد

3625432-45818



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید