Cfd-based pı/pıd controller for velocıty and headıngcontrol of the darpa suboff
Had tabanlı PI/PID kontrol yaklaşımı ile darpa suboffdenizaltısının hız ve rota kontrolü
- Tez No: 942971
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHAD DELEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Bu tez çalışması, denizaltıların su altı rotasını güvenli, kararlı ve enerji verimli bir şekilde koruyabilmesi amacıyla, Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği (Computational Fluid Dynamics – CFD) temelli bir kontrol yaklaşımı geliştirmektedir. Çalışmanın ana hedefi, rota sapmalarını en aza indirgeyerek denizaltının hedef rotasında kararlı şekilde seyretmesini sağlayan, fiziksel gerçekliğe dayalı ve otomatik bir PID (Oransal–İntegral–Türevsel) kontrol modelinin oluşturulmasıdır. Su altı ortamı, yüzey araçlarına kıyasla daha karmaşık akış koşullarına sahiptir. Akıntılar, basınç değişimleri ve gövde etrafında oluşan girdap yapıları gibi etkiler, denizaltının yönelim kararlılığını doğrudan etkileyen önemli dış kuvvetlerdir. Bu nedenle, klasik açık çevrim kontrol sistemleri yerine, çevresel değişkenlere duyarlı, geri beslemeli ve gerçek zamanlı güncellenebilir kontrol sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu bağlamda geliştirilen sistem, hem yön sapmalarını etkin biçimde bastırabilecek hem de farklı hız ve yönelme senaryolarında yüksek kararlılık sağlayabilecek bir çözüm sunmaktadır. Kontrol sistemi, modern bir ticari HAD çözücüsüne Java tabanlı özel bir makro aracılığıyla doğrudan entegre edilmiştir. Bu sayede, sistem harici bir yazılım ya da son işlem adımı gerektirmeksizin gerçek zamanlı dümen komutu üretip uygulayabilmektedir. Geliştirilen PID tabanlı kontrol sistemi, CFD ortamında elde edilen hidrodinamik verilerle doğrudan ilişkilendirilmiş; böylece kontrol kazançlarının sabit değerlerden ziyade fiziksel kuvvet dengelerine göre belirlenmesi mümkün kılınmıştır. Bu çalışmada önerilen yöntem, CFD tabanlı kuvvet verilerinin doğrudan kontrolör tasarımına entegre edilmesi bakımından literatürdeki önceki yaklaşımlardan ayrılmaktadır. Geleneksel çalışmalarda genellikle sabit katsayılar veya ampirik tablolar üzerinden kontrolör tasarımı yapılırken; burada akışa duyarlı, fizik-temelli ve gerçek zamanlı güncellenebilir bir kontrol yaklaşımı geliştirilmiştir. Bu yaklaşım sayesinde sistem, değişen çevresel koşullara gerçek zamanlı olarak adapte olabilen ve akışa duyarlı bir yapı kazanmıştır. PID kontrolörler, kontrol mühendisliğinde en yaygın kullanılan algoritmalardan biridir. Bu kontrolörler; mevcut hata miktarına (P), geçmiş hataların birikimine (I) ve hatanın değişim hızına (D) dayalı olarak sistem girişini günceller. PID sistemlerinin en önemli avantajları arasında basitlik, düşük maliyet, kolay uygulanabilirlik ve yüksek kararlılık yer alır. Denizcilik sektöründe, özellikle de otonom su altı araçlarında (AUV), bu tarz kontrol sistemleri yön kararlılığı sağlama ve rota sapmalarını önleme amacıyla yaygın şekilde tercih edilmektedir. Simülasyonlarda kullanılan fiziksel modeller arasında RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) tabanlı çözümler ve SST k-ω türbülans modeli yer almaktadır. Denklemler, kontrol hacmi bazında korunum sağlayacak şekilde Sonlu Hacimler Yöntemi (Finite Volume Method – FVM) ile ayrıklaştırılmıştır. Çözümde segregated (ayrık) akış yaklaşımı benimsenmiş; basınç ve hız alanları, SIMPLE algoritması ile kararlı ve etkili bir şekilde çözdürülmüştür. Yakın duvar bölgesindeki türbülans etkilerinin doğru modellenmesi için y+ duvar bölgesi çözümlemesi (y+ wall treatment) uygulanmıştır. Manevra hareketlerinin gerçekçi şekilde modellenebilmesi için, hareketli gövde etkileşimleri DFBI (Dynamic Fluid-Body Interaction) yöntemi ile simüle edilmiştir. Pervane hareketi, Hareketli Referans Çerçevesi (MRF) yaklaşımıyla; dümen hareketi ise Rijit Cisim Hareketi (RBM) yöntemiyle modellenmiştir. Pervane dönüş modellemesi için MRF ve dümen hareketi için RBM kullanımı, fiziksel doğruluktan ödün vermeden hesaplama süresini ve maliyetini önemli ölçüde düşüren simülasyonlara olanak sağladı. Bu nedenle, benimsenen CFD kurulumu, manevra ve tahrik analizi için önemli olan temel hidrodinamik fenomenlerin (akış ayrılması, girdap ayrışması, basınç dağılımı vb.) verimli ve doğru bir şekilde tahmin edilmesini sağladı. Tez çalışması iki ana aşamaya ayrılmıştır. İlk olarak, farklı hız değerlerinde (2.75 m/s, 6.096 m/s ve 9.152 m/s) öz-itme koşulları elde edilmiştir. Öz-itme, denizaltı pervanesinden elde edilen itmenin gövde direnci ile dengelendiği durumları ifade eder ve PI (Oransal–İntegral) kontrol sistemi ile bu denge yakalanmıştır. Bu süreçte denizaltı sadece ileri yöndeki (öteleme – surge) harekete serbestken, diğer hareketlere karşı ise engellenmiştir. Bu analiz, daha sonra gerçekleştirilecek olan manevra analizleri için doğru başlangıç koşullarının oluşturulmasını sağlamıştır. Kullanılan özgün PI kontrolörü, itki ve direnç dengesini yüksek hassasiyetle sağlayarak öz-itme noktasının kesin biçimde tayin edilmesini mümkün kılmıştır. Elde edilen pervane devir sayıları, literatürdeki deneysel ve CFD çalışmalarla karşılaştırılmış ve sonuçlar %0.22'den düşük farkla uyum göstermiştir. İkinci aşamada, üç serbestlik dereceli (ileri ve yan öteleme, savrulma) 10/10 derecelik zikzak manevraları ile denizaltının yönelme dinamikleri analiz edilmiştir. Zikzak manevraları sonucunda elde edilen rota açısı (ψ), dümen açısı (rudder angle) ve savrulma oranı (yaw rate) verileri, Nomoto modeline uygulanarak kontrolcü katsayıları olan K ve T parametreleri hesaplanmıştır. Bu katsayılar, PID kontrolörün kazançlarını (K_p, K_i, K_D) belirlemek için doğrudan kullanılmıştır. Nomoto modeli, deniz araçlarının yönelme davranışlarını basitleştirilmiş bir matematiksel yapı ile açıklayan ve denizcilikte sıkça kullanılan bir modeldir. Bu model, PID gibi klasik kontrol algoritmalarının sistemle entegre edilmesinde oldukça etkilidir. Geliştirilen PID kontrolörü Java tabanlı bir makro aracılığıyla modern bir ticari HAD çözücüsü içerisinde devreye alınmıştır. PID kontrolör, hedef baş doğrultusu ile mevcut baş doğrultusu arasındaki sapmayı sürekli olarak değerlendirerek, dümen açısını otomatik şekilde güncellemektedir. Bu kontrol döngüsünde dümen alçak geçirgen filtre ile yumuşatılmış, maksimum dümen açısı 20 derece ile sınırlandırılmış ve kontrol komutlarının fiziksel gerçekliğe uygun şekilde uygulanması sağlanmıştır. Böylece sistemin ani ve kararsız tepkiler vermesi engellenmiştir. Doğrulama (verification) sürecinde, GCI (Grid Convergence Index) yöntemiyle üç farklı ağ yoğunluğunda analizler yapılmış ve çözümün ağdan bağımsızlığı %1.1'in altında bir belirsizlik ile sağlanmıştır. Geçerlilik (validation) analizleri ise 2.75 m/s için literatürde yer alan deneysel ve HAD çalışmalarıyla kapsamlı olarak yapılmıştır. Özellikle pervane dönüş hızı, itme (K_T) ve tork (K_Q) katsayıları açısından yüksek düzeyde uyum yakalanmıştır. Bu sonuçlar, kullanılan fizik modellerin doğruluğunu ve güvenilirliğini ortaya koymaktadır. Aktif rota kontrolünü uygulamadan önce, modelin doğal rota tutma kabiliyeti değerlendirilmiştir. Herhangi bir dümen girdisi olmaksızın (δ=0.0 derece) serbest çalışma şartlarında ilerleyen DARPA modeli rotasını koruyamamış ve belirgin bir dönüş manevrası gerçekleştirmiştir. Bu durumda boyutsuz savrulma oranı (r') yaklaşık 0.308 olarak ölçülmüştür. Bu değer, gövde formunun kendiliğinden kararlı olmadığını ve yönelme eğiliminde önemli bir sapma bulunduğunu göstermektedir. Dolayısıyla, güvenilir ve istikrarlı bir rota tutma performansı sağlanabilmesi için aktif bir kontrol sisteminin uygulanması kaçınılmaz hale gelmiştir. Aktif rota kontrolünün olduğu durumlarda, geliştirilen PID kontrolörün yönelme sapmalarını başarıyla önlediğini göstermektedir. Özellikle 0.0, 5.0 ve 15.0 derece gibi farklı hedef doğrultu koşullarında sistemin, hem düşük hızda hem de yüksek hızda hedef rotayı kısa sürede yakaladığı ve yön kararlılığını sürdürdüğü gözlemlenmiştir. Kontrolör aktif olmadığı senaryoda denizaltının rotadan saparak dairesel hareketlere yönelirken, aktif kontrol uygulandığında bu savrulmaların etkin şekilde giderildiği tespit edilmiştir. Bu davranış, geliştirilen PID sistemin dinamik çevresel koşullara etkin biçimde yanıt verdiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışma, CFD ile kontrolör tasarımını kapalı çevrim bir yapıda entegre ederek literatürdeki benzerlerinden ayrışmaktadır. Geleneksel çalışmalar çoğunlukla PID kazançlarını deneysel verilerden veya sabit formüllerden türetirken; bu tez çalışması, kazançları doğrudan CFD ortamında gerçekleştirilmiş zikzak manevraları üzerinden Nomoto modeli sayesinde hesaplamış ve bu verileri simülasyonla doğrulamıştır. Böylece sistem hem fiziksel hem de sayısal düzlemde optimize edilmiştir. Mühendislik uygulamaları açısından bakıldığında, bu yöntem denizaltı tasarım sürecinde zaman ve maliyet açısından büyük avantaj sağlar. Özellikle deneysel testlerin pahalı ve zaman alıcı olduğu erken tasarım aşamalarında, CFD ile bütünleşik kontrol sistemleri sayesinde denizaltının yönelme karakteristikleri önceden belirlenebilir ve tasarım buna göre optimize edilebilir. Savunma sanayii, araştırma denizaltıları ve otonom su altı araçları (AUV) gibi alanlarda bu tarz gelişmiş kontrol sistemleri büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, yalnızca akademik katkılar sağlamakla kalmamış, aynı zamanda sektörel olarak uygulanabilir, sağlam ve güvenilir bir rota kontrol sistemi geliştirme yolunda önemli bir adım atmıştır. Ayrıca çalışmada önerilen yöntem, farklı denizaltı geometrilerine, farklı hız aralıklarına ve farklı çevresel koşullara da kolaylıkla adapte edilebilecek esneklikte bir yaklaşımdır. Gelecek çalışmalarda, bu yapının altı serbestlik dereceli (6-DOF) hareketleri kapsayacak şekilde genişletilmesi, farklı seyir durumları (tamamen dalmış, şnorkel ve satıh seyirleri) ve akıntı gibi çevresel etkilerin modele entegre edilmesi ve yapay zekâ tabanlı kontrol algoritmalarıyla karşılaştırmalı olarak analiz edilmesi önerilmektedir. Ayrıca, deneysel verilerle karşılaştırmalı testler gerçekleştirilerek sistemin gerçek zamanlı uygulamalara entegrasyonu sağlanabilir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a control approach developed through Computational Fluid Dynamics (CFD) to maintain the underwater route of submarines in a stable and consistent manner. The main focus of the study is the DARPA SUBOFF model with the E1619 model propeller, a widely used standard hull form in international hydrodynamic research. The study investigates the heading control performance of this model at various velocities and heading angles under free-running conditions. Compared to surface vessels, submerged bodies are exposed to significantly more external influences—such as currents, pressure fluctuations, and vortex structures around the hull—which complicate directional stability. Therefore, more precise and responsive control systems are necessary. The CFD framework was based on the incompressible Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (URANS) equations discretized using the Finite Volume Method (FVM) to ensure conservation across control volumes. A segregated solver with SIMPLE coupling and the Shear Stress Transport (SST) k–ω turbulence model was employed for stability and near-wall accuracy. The y+ wall treatment ensured proper resolution of near-wall turbulence effects. A Dynamic Fluid-Body Interaction (DFBI) method was employed for maneuvering motions to simulate dynamic interactions and control inputs. Propeller rotation and rudder motion were modeled using the Moving Reference Frame (MRF) and Rotating Body Motion (RBM) methods enabling efficient quasi-steady simulations with reduced computational cost and maintained accuracy. Thus, the adopted CFD setup enabled efficient and accurate prediction of key hydrodynamic phenomena (such as flow separation, vortex shedding, and pressure distribution) essential for maneuvering and propulsion analysis. This study presents a CFD-integrated classical PID controller for submarine heading control, selected for its proven stability and interpretability in marine applications. Unlike conventional methods that rely on empirical tuning or simplified analytical models, the control gains in this work are systematically derived from high-fidelity CFD-based free-running maneuvering simulations. A custom Java-based macro was seamlessly embedded into the CFD solver, enabling real-time dynamic control and capturing the physical interaction between the vehicle and the surrounding flow field with high fidelity. To verify the accuracy and reliability of the developed CFD model, a comprehensive Verification and Validation (V&V) study was conducted. The verification process was conducted through free-running self-propulsion simulations, where the Grid Convergence Index (GCI) method was employed to assess mesh uncertainty, resulting in an uncertainty level of less than 1.1%. In the validation step, the computed rotation rate, thrust and torque coefficients at a velocity of 2.75 m/s were compared with benchmark experimental and CFD data, showing strong agreement and confirming the model's numerical accuracy and predictive capability. Prior to implementing active heading control, the intrinsic course-keeping ability of the DARPA SUBOFF model was assessed. A free-running simulation without any rudder input (δ=0.0 deg) was performed, and the resulting steady-state yaw rate (r^\prime) was measured to be approximately 0.308. The elevated yaw rate indicates limited inherent course-keeping ability of the hull, highlighting the necessity of an active control system to maintain stable and accurate heading under realistic conditions. The study consists of two main simulation stages. In the first stage, self-propulsion points were determined at three different velocities (2.750 m/s, 6.096 m/s, and 9.152 m/s). These points indicate where propeller thrust balances the hull resistance. A custom-designed Proportional–Integral (PI) controller was implemented to precisely identify the self-propulsion points, ensuring that propeller thrust accurately balanced the hull's resistance forces. This specialized PI controller provided precision, crucial for establishing a stable propulsion baseline. The resulting propeller rotation rates (n) were compared with benchmark experimental and CFD data in the literature, showing a discrepancy of less than 0.22%, thus confirming the reliability and precision of the propulsion model. In the second stage, 10/10-degree zigzag maneuvers were performed. Parameters such as heading angle (ψ), yaw rate, and rudder angle (δ) were recorded during these tests. These data were used to extract the K (maneuvering gain) and T (hydrodynamic time constant) coefficients of the Nomoto model, which describes the relationship between rudder input and yaw response in submarine steering dynamics. This model is widely used in marine control applications to simplify and quantify the dynamics of course-keeping behavior, including heading control system design, autopilot tuning, and maneuvering performance analysis. The developed PID control system continuously measured heading deviations and dynamically updated the rudder angle, effectively minimizing deviations from the desired course at target heading angles of 0.0, 5.0, and 15.0 degrees. Even at higher velocities, the controller maintained performance with low overshoot. In the simulation environment, a low-pass filter was applied to the rudder commands, and both rudder angles and rotation rates were constrained within specified physical limits. This ensured both physically meaningful motion and numerical stability. In conclusion, this thesis demonstrates that PID controllers integrated with CFD can be effectively used for submarine heading control tasks. It enables the determination of control parameters during the design phase, potentially eliminating the need for expensive and time-consuming sea trials. Moreover, it provides a robust, energy-efficient, and environmentally adaptable heading control solution for autonomous underwater vehicles. A notable contribution of this study is the seamless integration of the control system into the CFD environment via a custom Java-based macro, enabling real-time rudder control without external processing. Furthermore, a key innovation lies in achieving dynamic, physically consistent heading control by directly coupling CFD-derived force responses with the control system. This approach significantly enhances the system's adaptability to varying flow and operating conditions. For future work, it is recommended to extend this approach to six degrees of freedom (6-DOF) simulations, include environmental effects such as different operating conditions (fully submerged, snorkel, and surface navigation) and ocean currents, and perform comparative analyses with artificial intelligence-based control algorithms. This would contribute to the development of smarter, faster-responding, and more environmentally adaptable autonomous submarine systems.
Benzer Tezler
- Rüzgar tarlası verisi kullanılarak analitik rüzgar türbin izi modellerinin performanslarının değerlendirilmesi
Evaluation of performances of analytical wind turbine wake models using wind farm data
TARIK KAYTANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
- Recursive least squares estimator based adaptive slidingmode controller for an autonomous underwater vehicle
Bir otonom su altı aracı için yinelemeli en küçükkareler kestirimcisi tabanlı uyarlanabilir kayan kiplikontrolcü
SERTAÇ ÇAKIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA MERT ANKARALI
- Multi-Scale Modeling and Simulation of Intensified Reactive-Separation Processes for Hydrogen Production and CO2 Capture via the Water-Gas Shift Reaction (WGSR)
Su-Gaz Değişimi Reaksiyonu (WGSR) Yoluyla Hidrojen Üretimi ve CO2 Yakalama için Yoğunlaştırılmış Reaktif Ayırma Proseslerinin Çok Ölçekli Modellenmesi ve Simülasyonu
SEÇKİN KARAGÖZ
Doktora
İngilizce
2018
EnerjiTexas A&M UniversityMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. Vasilios Manousiouthakis
- Multi-scale modeling and simulation of intensified reactive-separation processes for hydrogen production and CO2 capture via the water-gas shift reaction (WGSR)
Başlık çevirisi yok
SEÇGİN KARAGÖZ
Doktora
İngilizce
2018
Kimya MühendisliğiUniversity of California Los AngelesPROF. VASILIOS MANOUSİOUTHAKIS
- Transonik dış akımın sonlu hacimler yöntemiyle çözülmesi
Transonic external flow calculations using a finite volume method
FIRAT OĞUZ EDİS