طراحی و بررسی عملکرد کنترلر پیشرفته مقاوم برای یک وسیله زیر آب

وسایل پرنده زیر آب می توانند به کمک تشکیل حباب در اطراف خود، به سرعتهای بالایی دست یابند؛ با این حال، رسیدن به این سرعتها چالش های زیادی در پایداری و عملکرد پروازی وسیله در برخواهد داشت. در یک سناریوی پروازی ایده آل، کل وسیله در داخل حباب قرار دارد. اما، در عمل اغتشاشات باعث می شوند تا وسیله به مرز بین آب و گاز برخورد نماید. در این مواقع، نیروهای تولید شده در مرز حباب به عنوان نیروهای پلنینگ شناخته می شوند. این پایان نامه، به بحث در مورد دینامیک و کنترل اجسام پر سرعت زیر آب می پردازد. معادلات حرکت وسیله همراه با اثرات غیرخطی برخورد به دیواره حباب، نیروهای پلنینگ، در مدلسازیها بررسی شده است. در مرحله اول، برای اعتبار سنجی مدل سازی نیروی پلنینگ، دو مدل در دسترس و یک مدل تجربی جدید برای پیش بینی این نیرو در نظر گرفته شده است. با ترکیب و بهره گیری از این مدلها، در ابتدا چهار روش معرفی و سپس این روشها، از طریق شبیه سازی پروازی دو مورد نتایج تجربی در دسترس مقایسه گردیده است. در مرحله بعد، کنترلر pid در کنار دینامیک غیر خطی پیچیده این وسیله، با توجه به نیروی پلنینگ، مانور چرخش به سمت همراه با غلتیدن آن و اثرات تحریک ناقص بررسی شده است. بالک کنترلی حباب ساز ، تنها دارای یک درجه آزادی در کانال پیچ است که وسیله را ملزم به مانورچرخش به سمت همراه با غلتیدن می نماید. علاوه بر این، به دلیل استفاده از تنها دو ورودی کنترلی، بالک کنترلی حباب ساز و شهپر ، این وسیله پر سرعت از نوع سیستمهای تحریک ناقص می باشد. کنترل این وسیله به دلیل این پدیده های پیچیده و همچنین اثرات غیرخطی تعامل با حباب و محدودیت شدید استفاده از حسگرها در زیر آب چالش برانگیز است. برای تعیین عمق در این وسیله با توجه به وجود حباب در اطراف بدنه نمی توان از سنسور فشار استاتیک استفاده نمود؛ با این وجود در روشی ابتکاری در راستای به دست آوردن عمق وسیله، از این حسگر برای اندازه گیری فشار درون حباب، که شامل فشار گاز تزریقی و بخار آب است، استفاده شده است. عملکرد سیستم کنترل با مقایسه نتایج شبیه سازی و داده های دردسترس آزمایش تجربی در شرایط پرواز واقعی مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین مقاومت سیستم کنترل، با انجام تجزیه و تحلیل اولیه خطای پارامترها بررسی شده است. برای بهبود عملکرد خلبان خودکار، یک کنترل سوئیچینگ ترکیبی مقاوم برای مقابله با رفتار غیر خطی این وسیله در هنگام برخورد با مرز آب و حباب به کار گرفته شده است. در حالت کلی، مقدار نیروی پلنینگ و اثر آن بر دینامیک وسیله قابل توجه است. اما، مدلسازی این نیرو با توجه به اینکه مدل سازی تعامل بین وسیله، آب و حباب هنوز به خوبی درک نشده است، معمولا ساده شده و در نتیجه غیر دقیق است. بنابراین، شناسایی نیروی پلنینگ از اهمیت زیادی برخوردار است. برای این منظور، مدل سازی نیروی پلنینگ درحالت سه بعدی بهبود داده شد. سپس، شناسایی برخط این نیرو بر اساس به کارگیری تئوری لیاپانوف در طراحی کنترلر مذکور در نظر گرفته شد که در نتیجه پایداری سیستم تضمین می شود. همچنین نیروی پلنینگ شناسایی شده، همراه با مقادیر اصلی در حرکت طولی و عرضی مورد بحث قرار گرفته است. در ادامه، عملکرد سیستم کنترل در حضور تاخیر زمانی حباب (اثر حافظه ) و دو نوع مانور مختلف چرخش به سمت همراه با غلتیدن و چرخش به سمت همراه با سرخوردن مورد بررسی قرار گرفته است. در پایان، عملکرد دو روش کنترل کلاسیک (pid) و کنترل تطبیقی سوئیچینگ هیبرید پیشنهادی، برای کنترل این وسیله مورد مطالعه قرار گرفته است. در این راستا، مقایسه ارزیابی عملکرد این دو کنترلر از طریق شبیه سازی مونت کارلو جهت بررسی احتمال برخورد انجام گرفته است. نتایج 200 اجرای شبیه سازی مونت کارلو، مقاومت بهتر سیستم کنترل پیشنهادی در حضور عدم قطعیت پارامترها در دینامیک وسیله، شرایط پرواز، مدلسازی سنسورها، و مدل نیروی پیشبرندگی را نشان می دهد.