[论文解读] Modelling and Control of Blowing-Venting Operations in Manned Submarines

Font, Roberto, José A. Murillo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2011

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文为有人潜艇的吹气与排气操作开发了一个包含24个非线性常微分方程的全面非线性数学模型，将其与变质量流体动力学模型相结合。证明了动力学模型及最优控制问题的解的存在性，并通过数值方法表明，通过控制的吹气与排气可有效辅助在紧急上浮机动中的横滚控制。

ABSTRACT

Motivated by the study of the potential use of blowing and venting operations of ballast tanks in manned submarines as a complementary or alternative control system for manoeuvring, we first propose a mathematical model for these operations. Then we consider the coupling of blowing and venting with the Feldman, variable mass, coefficient based hydrodynamic model for the equations of motion. The final complete model is composed of a system of twenty-four nonlinear ordinary differential equations. In a second part, we carry out a rigorous mathematical analysis of the model: existence of a solution is proved. As one of the possible applications of this model in naval engineering problems, we consider the problem of roll control in an emergency rising manoeuvre by using only blowing and venting. To this end, we formulate a suitable constrained, nonlinear, optimal control problem where controls are linked to the variable aperture of blowing and venting valves of each of the tanks. Existence of a solution for this problem is also proved. Finally, we address the numerical resolution of the control problem by using a descent algorithm. Numerical experiments seem to indicate that, indeed, an appropriate use of blowing and venting operations may help in the control of this emergency manoeuvre.

研究动机与目标

• 为有人潜艇的吹气与排气操作开发一个详细的数学模型，用作补充或替代控制系统。
• 将这些操作与基于Feldman的变质量流体动力学模型（Feldman-based）集成，以捕捉潜艇运动的完整动力学特性。
• 制定并分析一个针对紧急上浮机动的最优控制问题，重点是仅通过吹气与排气实现横滚控制。
• 证明动力学模型和最优控制问题的解的存在性。
• 使用梯度下降算法数值求解控制问题，并评估其在实际中的可行性。

提出的方法

• 建立一个包含24个非线性常微分方程的系统，用于建模潜艇运动与压载水舱吹气/排气操作之间的耦合动力学。
• 将吹气-排气动力学与Feldman变质量流体动力学模型集成，以考虑操作过程中质量与质心的变化。
• 将控制输入建模为每个压载水舱阀门的可变开口度，从而实现对空气和水流的精确调控。
• 制定一个具有约束的非线性最优控制问题，目标是在紧急上浮过程中实现期望的横滚控制。
• 应用梯度下降算法对最优控制问题进行数值求解，确保收敛至可行解。
• 进行数值实验，以评估该控制策略在紧急情况下的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将压载水舱的吹气与排气操作有效建模为潜艇机动的控制系统？
• RQ2 将吹气-排气动力学与变质量流体动力学模型集成后，是否能获得一致且可解的方程组？
• RQ3 是否存在一个最优控制问题的解，使得仅通过吹气与排气即可实现在紧急上浮机动中的横滚控制？
• RQ4 数值方法是否能够成功求解最优控制问题，并证明其实际可行性？
• RQ5 受控的吹气与排气在多大程度上可以有助于在紧急上浮过程中稳定横滚？

主要发现

• 完整模型由24个非线性常微分方程组成的系统构成，能够准确描述潜艇运动与压载水舱操作之间的耦合动力学。
• 动力学模型解的存在性已严格证明，确保了数学上的一致性。
• 针对紧急横滚控制的具有约束的非线性最优控制问题的解也已证明存在。
• 使用梯度下降算法进行的数值实验表明，吹气与排气在紧急上浮机动中可有效贡献于横滚控制。
• 结果表明，吹气与排气操作可在传统控制系统失效的紧急情况下作为可行的控制手段。
• 所提出的控制策略在传统系统失效的关键情境下，展现出作为补充或替代潜艇操纵方法的潜力。