مدلسازي شتابگيري شناور پلنينگ در حوزه زمان و كنترل بهينه آن براي رسيدن به سرعت نهايي در حداقل زمان ممكن

Modeling the forward accelerated motion of planing craft and its optimal control to minimize the time to reach final speed

تنظيم درست زاويه تريم شناور پلنينگ در فاز شتابگيري براي عبور آسان از قله مقاومت از اهميت ويژه اي برخوردار است. افزون بر آن، در موارد خاصي مانند شناورهاي مسابقه اي يا برخي كاربردهاي نظامي، هدف رسيدن به سرعت نهايي در حداقل زمان ممكن است. اين مقاله ضمن معرفي كاربرد جديدي براي تيوري كنترل بهينه در حوزه كنترل شناورهاي پلنينگ سعي دارد به اين پرسش پاسخ دهد كه در طول شتابگيري شناور پلنينگ زاويه اعمال شده به سيستم رانش يا يك المان كنترلي همچون تريم تب چگونه بايد تغيير يابند تا زمان رسيدن به يك سرعت مشخص كمينه شود. براي پاسخ به اين پرسش نيازمند يك مدل ديناميكي از شناور براي فاز شتابگيري آن هستيم. در اين تحقيق چنين مدلي بر اساس روش هاي تيوري و تجربي موجود براي محاسبه نيروهاي هيدروديناميكي و آيروديناميكي، سيستم رانش و المان كنترلي بر بدنه ارايه مي شود. كل مجموعه سيستم رانش شامل موتور، سيستم درايو و پروانه به نحو ساده شده اي مدل شده اند. در ادامه، مسيله كنترل بهينه معرفي و نحوه حل آن توضيح داده شده است. در نهايت نتايج حل مسيله براي يك شناور پلنينگ تك بدنه و يك كاتاماران مسابقه اي ارايه شده اند.

It is of crucial importance to adjust the trim angle properly during the forward acceleration of a planning craft in cases such as sport competitions and military missions. In these applications, the goal of trim adjustment is to reach the final cruising speed as soon as possible. Present study tries to answer this question: How should the angles of the drive system and/or a control element be changed during acceleration phase in order for the craft to reach its final speed in the minimum possible time? This is an optimal control problem with the drive and control element angles as its control variables. To solve such problem, a 3-DOF dynamic model is developed based on the theoretical and empirical methods. Both propeller operation and the engine are taken into account for the propulsion system. Then, the solution algorithm of time-optimal control problem is explained according to an indirect method. Results for a planning mono-hull with two different weight distributions show a similarity in trend between the optimal solution for control variables and the hull instantaneous trim angle. As the second case study, the solution for an aerodynamiccally alleviated racing catamaran is presented.