NONLINEAR LATERAL MODELING AND NDI-BASED YAW CONTROL OF A SUPERCAVITATING UNDERWATER VEHICLE
BİR SÜPERKAVİTE SU ALTI ARACININ DOĞRUSAL OLMAYAN YANAL DİNAMİK MODELLEMESİ VE DİNAMİK TERSLEME TABANLI SAPMA KONTROLÜ
- Tez No: 1014058
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BAHA ZAFER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Marine Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Süperkavitasyon, yüksek hızlı su altı araçlarının etrafında gaz veya buhar fazından oluşan bir kavitasyon zarfı meydana getirerek aracın su ile temas eden yüzey alanını önemli ölçüde azaltan bir akış rejimidir. Islak yüzey alanındaki azalma, özellikle viskoz sürükleme kuvvetinin düşmesini sağlayarak geleneksel su altı araçlarına kıyasla daha yüksek seyir hızlarına ulaşılmasına imkân vermektedir. Bununla birlikte, araç gövdesinin büyük bölümünün sıvı ortamdan ayrılması, geleneksel gövde kaldırma kuvvetinin ve hidrodinamik sönümün azalmasına neden olmaktadır. Kavitatör, dümenler ve kavitasyon zarfı arasındaki doğrusal olmayan etkileşimler de aracın kararlılık ve kontrol problemlerini zorlaştırmaktadır. Bu nedenle süperkavite su altı araçlarının hareketinin modellenmesi ve kontrolü için doğrusal olmayan dinamiklerin doğrudan dikkate alındığı yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışmasında, daha önce Kefeli tarafından geliştirilen süperkavite su altı aracı tasarımı ve bu araca ait hesaplamalı akışkanlar dinamiği tabanlı hidrodinamik katsayılar kullanılmıştır. Ele alınan araç, 2 m uzunluğa, 0,15 m gövde çapına, 0,05 m çapında disk tipi bir kavitatöre ve yaklaşık 63 kg toplam kütleye sahip narin ve eksenel simetrik bir gövdeden oluşmaktadır. Önceki çalışmada gerçekleştirilen araç tasarımı, hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ve hidrodinamik veritabanı oluşturma işlemleri bu tez kapsamında tekrarlanmamıştır. Bunun yerine, mevcut hidrodinamik katsayıların doğrusal olmayan zaman alanı benzetim modeline aktarılması ve kontrol amaçlı kullanılabilir bir dinamik yapıya dönüştürülmesi amaçlanmıştır. Araç hareketi yatay düzlemde ilerleme, yanal öteleme ve sapma hareketlerini içeren üç serbestlik dereceli bir model ile temsil edilmiştir. Dinamik değişkenler ilerleme hızı, yanal hız ve sapma açısal hızı; kinematik değişkenler ise kuzey ve doğu doğrultularındaki konumlar ile sapma açısı olarak tanımlanmıştır. Kontrol girdileri, amudi dümen sapma açısı ve kavitatörün yanal sapma açısıdır. Toplam hız büyüklüğü, ilerleme ve yanal hız bileşenleri kullanılarak hesaplanmış; boyutsuz eksenel kuvvet, yanal kuvvet ve sapma momenti katsayıları bu hız büyüklüğü ile normalize edilen değişkenler cinsinden ifade edilmiştir. Boyutsuz katsayılar, dinamik basınç ile araç uzunluğuna bağlı kuvvet ve moment ölçekleri kullanılarak boyutlu kuvvet ve momentlere dönüştürülmüştür. Doğrusal olmayan dinamik model MATLAB/Simulink R2021b ortamında oluşturulmuştur. Modelde serbest yüzey, deniz tabanı, dalga ve akıntı etkileri ihmal edilmiş; su yoğunluğu sabit kabul edilmiştir. Araç rijit ve sabit kütleli olarak ele alınmış, geometrik simetriden dolayı yuvarlanma hareketi modele dahil edilmemiştir. Düşey düzlem hareketleri, planing kuvvetleri, açık kavitasyon zarfı dinamikleri ve kavitasyon zarfına ait zaman gecikmesi etkileri de çalışmanın kapsamı dışında bırakılmıştır. Kavitasyon etkilerinin, kullanılan hidrodinamik katsayılar içerisinde temsil edildiği kabul edilmiştir. Sapma hareketinin kontrolü için doğrusal olmayan dinamik tersleme tabanlı bir kontrol mimarisi geliştirilmiştir. Kontrolcü tasarımında araç modeli herhangi bir trim noktası etrafında doğrusallaştırılmamış ve sabit durum uzayı matrisleri kullanılmamıştır. Bunun yerine, doğrusal olmayan sürüklenme dinamikleri ve duruma bağlı kontrol etkinlik matrisi her benzetim adımında doğrudan değerlendirilmiştir. Dış çevrimde sapma açısı hatasından sapma açısal hızı komutu üretilmiş, iç çevrimde ise istenen yanal ve açısal ivmeler doğrusal olmayan dinamik tersleme yöntemiyle amudi dümen ve yanal kavitatör komutlarına dönüştürülmüştür. Böylece doğrusal olmayan yanal dinamiklerin modellenen bölümü kontrol yasası içerisinde telafi edilmiştir. Hidrodinamik modelin oluşturulmasında eksenel kuvvet, yanal kuvvet ve sapma momenti için ayrı boyutsuz katsayı ifadeleri kullanılmıştır. Katsayılar; normalize edilmiş yanal hızın doğrusal ve yüksek dereceli terimleri ile dümen ve kavitatör sapmalarının etkilerini içermektedir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği verilerinden elde edilen bu polinom yapıları, her zaman adımında aracın anlık durum ve eyleyici değerleri kullanılarak değerlendirilmiştir. İleri hızdaki değişimin kuvvet ve moment seviyelerine etkisi, sırasıyla dinamik basınç ile araç boyutlarını içeren ölçekleme çarpanları üzerinden modele aktarılmıştır. Bu yaklaşım sayesinde hidrodinamik veritabanı yalnızca durağan katsayıların saklandığı bir kaynak olmaktan çıkarılarak zaman alanında çalışan, durum bağımlı bir benzetim modeline dönüştürülmüştür. Modelin kullanımı sırasında katsayıların üretildiği çalışma zarfının dışına taşılmamasına dikkat edilmiş; özellikle 160, 180 ve 200 knot hız durumları aynı boyutsuz katsayı yapısının dinamik basınçla ölçeklendiği karşılaştırma koşulları olarak ele alınmıştır. Kontrol tasarımında yanal kuvvet ve sapma momenti kanalları birlikte değerlendirilmiştir. Yanal hız ve sapma açısal hızına ait doğrusal olmayan sürüklenme terimleri bir sürüklenme vektöründe, amudi dümen ile yanal kavitatörün etkileri ise hıza bağlı ikiye iki kontrol etkinlik matrisinde toplanmıştır. İstenen yanal ve sapma ivmeleri ile mevcut doğrusal olmayan dinamikler arasındaki fark bu matrisin tersi kullanılarak fiziksel eyleyici komutlarına çevrilmiştir. Kontrol etkinlik matrisinin elemanları hızın karesiyle, determinantı ise hızın dördüncü kuvvetiyle ölçeklenmektedir. İncelenen hız aralığında determinantın sıfırdan farklı kalması, kullanılan iki kontrol girdisinin model kapsamında bağımsız yanal kuvvet ve sapma momenti üretme yeteneğini koruduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, matrisin terslenebilir olması tek başına fiziksel uygulanabilirliği garanti etmediğinden dümen için ±6°, yanal kavitatör için ±20° sapma sınırları benzetimlerde ayrıca uygulanmıştır. Benzetim planı, modelin ve kontrolcünün farklı özelliklerini ayrı ayrı sınayacak biçimde düzenlenmiştir. Açık çevrim çift darbe girdisiyle modelin temel yanal tepkisi gözlenmiş; sinüzoidal sapma takibiyle sürekli referans izleme başarımı, yön değiştirme manevrasıyla geçici rejim davranışı ve eyleyici koordinasyonu değerlendirilmiştir. Hız duyarlılığı incelemesinde aynı kontrol yapısı 160, 180 ve 200 knot ileri hızlarda çalıştırılmıştır. Hidrodinamik belirsizlik durumlarında yanal kuvvet ve sapma momenti katsayıları değiştirilmiş, ayrıca çoklu rastgele örneklerden oluşan Monte Carlo senaryosu kullanılmıştır. Eyleyici doyumu ve bozucu etki senaryoları ise nominal koşulların dışındaki performans kaybını ortaya koymak amacıyla uygulanmıştır. Karşılaştırma için, aynı iki eyleyiciyi kullanan kademeli bir PID denetleyici de kurulmuş ve doğrusal olmayan dinamik tersleme yaklaşımının izleme hızı ile eyleyici kullanımı bakımından sağladığı davranış bu temel yapı üzerinden incelenmiştir. Nicel sonuçlar, nominal sinüzoidal izleme durumunda sapma açısı karesel ortalama hata değerinin 0,342°, en büyük sapma hatasının ise 0,524° olduğunu göstermiştir. Yön değiştirme manevrasında karesel ortalama hata 0,572° olarak hesaplanmış; en büyük dümen ve kavitatör sapmaları sırasıyla 2,879° ve 5,300° düzeyinde kalmıştır. Hız duyarlılığı durumlarında izleme başarımının birbirine yakın olduğu, ancak düşük hızda aynı kontrol etkisini oluşturmak için daha büyük eyleyici sapmalarına ihtiyaç duyulduğu görülmüştür. Doyum senaryosunda hata artmasına rağmen nominal manevralarda eyleyicilerin fiziksel sınırlar içinde kaldığı belirlenmiştir. Bu sonuçlar, geliştirilen denetleyicinin ele alınan azaltılmış yatay düzlem modeli ve kabul edilen hidrodinamik geçerlilik zarfı içinde etkili olduğunu göstermekte; tam altı serbestlik dereceli kararlılık, deneysel doğrulama veya biçimsel gürbüz kararlılık kanıtı olarak yorumlanmamaktadır. Geliştirilen model ve kontrolcü; açık çevrim hareketleri, sapma açısı takibi, yön değiştirme manevrası, farklı ileri hız koşulları, hidrodinamik katsayı belirsizlikleri ve eyleyici doyumları altında incelenmiştir. Benzetim sonuçları, doğrusal olmayan dinamik tersleme tabanlı kontrolcünün referans sapma açısını kararlı biçimde takip edebildiğini, yanal hız ve sapma açısal hızını sınırlı tutabildiğini ve kavitatör ile dümen komutlarını koordineli olarak üretebildiğini göstermiştir. Ayrıca, kontrol etkinliğinin araç hızına bağlı olarak değiştiği ve model belirsizliklerinin dinamik tersleme performansını doğrudan etkilediği görülmüştür. Elde edilen sonuçlar, kullanılan hidrodinamik katsayıların geçerlilik aralığı ve çalışmada kabul edilen varsayımlar kapsamında değerlendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Supercavitation is a flow regime in which a gas- or vapor-filled cavity surrounds a high-speed underwater vehicle and substantially reduces the wetted area of its body. The resulting reduction in wetted surface decreases viscous drag and enables underwater vehicles to achieve significantly higher speeds than conventional fully wetted configurations. However, isolating most of the vehicle body from the surrounding liquid also reduces conventional hull-generated lift and hydrodynamic damping. Furthermore, nonlinear interactions among the cavitator, control surfaces, and cavity introduce considerable stability and control challenges. Consequently, the dynamics and control of supercavitating underwater vehicles require modeling approaches that directly account for nonlinear vehicle behavior. In this thesis, the supercavitating underwater vehicle configuration and computational-fluid-dynamics-based hydrodynamic coefficients previously developed by Kefeli were adopted. The considered vehicle consists of a slender axisymmetric body with a length of 2 m, a body diameter of 0.15 m, a disk-type cavitator with a diameter of 0.05 m, and a total mass of approximately 63 kg. The vehicle design, computational fluid dynamics analyses, and hydrodynamic database generation performed in the previous study were not repeated. Instead, the present work focused on incorporating the available hydrodynamic coefficients into a nonlinear time-domain simulation model and transforming the resulting equations into a form suitable for nonlinear control design. The vehicle motion was represented by a three-degree-of-freedom horizontal-plane model including surge, sway, and yaw. The dynamic variables were defined as surge velocity, sway velocity, and yaw rate, whereas the kinematic variables consisted of the north and east positions and the yaw angle. The control inputs were the rudder deflection and the lateral cavitator deflection. The total velocity magnitude was calculated from the surge and sway velocity components. The nondimensional axial-force, lateral-force, and yaw-moment coefficients were expressed in terms of velocity-normalized variables and control-surface deflections. These nondimensional coefficients were subsequently converted into dimensional forces and moments using dynamic-pressure-based force and moment scaling expressions defined with respect to the vehicle length. The nonlinear dynamic model was implemented in MATLAB/Simulink R2021b. Free-surface, seabed, wave, and ocean-current effects were neglected, and the water density was assumed to remain constant. The vehicle was treated as a rigid body with constant mass and constant mass distribution. Roll motion was excluded because of the assumed geometric symmetry, while vertical-plane dynamics were decoupled from the horizontal-plane model. Explicit planing forces, cavity-memory effects, and cavity-convection delays were not included. The influence of supercavitation was assumed to be embedded in the adopted hydrodynamic coefficients. A nonlinear dynamic inversion-based control architecture was developed for yaw control. In contrast to conventional locally linear control approaches, the controller was not derived by linearizing the vehicle dynamics around a trim condition. No fixed state-space matrices associated with a nominal operating point were used for controller synthesis. Instead, the nonlinear drift dynamics and the state-dependent control-effectiveness matrix were evaluated directly at each simulation step. An outer yaw-angle loop generated a commanded yaw rate, while the inner nonlinear dynamic inversion loop transformed the desired sway and yaw accelerations into coordinated rudder and lateral cavitator commands. Through this formulation, the modeled nonlinear lateral dynamics were explicitly compensated within the control law. The developed model and controller were evaluated through open-loop responses, yaw-angle tracking manoeuvres, heading reversals, forward-speed variations, hydrodynamic-coefficient uncertainties, and actuator-saturation cases. The simulation results indicated that the nonlinear dynamic inversion controller was capable of achieving stable yaw-reference tracking while maintaining bounded sway velocity and yaw rate. The rudder and lateral cavitator were coordinated to generate the required lateral force and yawing moment, and their commanded deflections remained physically feasible under the nominal manoeuvring conditions. The results also demonstrated that control effectiveness varied with vehicle speed and that hydrodynamic-model uncertainty directly influenced the accuracy of the nonlinear inversion. The conclusions of this study are valid within the operating envelope of the adopted hydrodynamic coefficients and under the assumptions introduced in the reduced-order model. The developed framework provides a basis for future studies involving additional degrees of freedom, explicit cavity dynamics, planing-force models, robust or adaptive nonlinear dynamic inversion, and experimental or hardware-in-the-loop validation.
Benzer Tezler
- Design a variable stability systems with nonlinear and linear approaches for a continuous flight envelope
Değişken kararlılık sisteminin doğrusal ve doğrusal olmayan yaklaşımlarla geniş bir uçuş zarfında tasarımı
SADETTİN BALCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKER ÜSTOĞLU
- Deep neural networks for robust time delay fault tolerant autonomous landing control system design under severe disturbances
Ağır bozuntular altında derin öğrenme tabanlı gürbüz zaman gecikmeli arıza toleranslı otomatik ıniş kontrol sistemi tasarımı
MUSTAFA ÇAĞATAY ŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NAZIM KEMAL ÜRE
- Yapı sistemlerinin dinamik dış etkiler altındaki davranışlarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
YAVUZ DURGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiYapı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ÖZER
- Gemi etrafındaki sınır tabakanın incelenmesi
A Study on the boundary layer surrocnding ship hulls
BARIŞ BARLAS