Mejora de la maniobrabilidad de submarinos tripulados mediante control óptimo de tanques de lastre

Abstract

[SPA] Los submarinos tripulados están equipados con un cierto número de tanques de lastre distribuidos a lo largo de su casco que, cuando están llenos de agua, proporcionan al submarino el peso necesario para sumergirse. En caso de emergencia, los tanques de lastre pueden actuar como un mecanismo de seguridad, permitiendo llevar el vehículo a la superficie con rapidez. Para ello, se inyecta en los tanques aire a alta presión que fuerza la salida del agua al exterior. De este modo el submarino pierde peso, su flotabilidad aumenta, y puede emerger más rápidamente. Para el llenado de los tanques, se abre una válvula localizada en su parte superior, de forma que el aire escapa al exterior permitiendo la entrada de agua. Estos procesos se conocen, respectivamente, como soplado y ventilación de los tanques de lastre. Nuestro propósito es estudiar estos procesos proporcionando, en primer lugar, las herramientas matemáticas necesarias para su análisis, simulación y control. Analizamos, en segundo lugar, el posible uso de estos procesos como un mecanismo de control adicional que permita mejorar la maniobrabilidad del vehículo en determinadas situaciones. Estudiamos, en concreto, el aumento de la estabilidad durante maniobras de ascenso de emergencia y la posibilidad de realizar hovering, es decir, de mantener la cota en ausencia de velocidad de avance. Esta última capacidad resulta esencial, por ejemplo, para el lanzamiento y recogida de vehículos autónomos (AUVs), un asunto que ha despertado un enorme grado de interés en los últimos tiempos. Proponemos en primer lugar un modelo matemático para los procesos de soplado y ventilación acoplado con las ecuaciones cinemáticas y dinámicas del movimiento del vehículo. Realizamos un riguroso análisis matemático de la ley de estado resultante. Formulamos el problema de control como un problema de control óptimo de Bolza para el que probamos la existencia de solución y que es resuelto mediante un método de descenso tipo gradiente. A continuación proponemos un algoritmo de control en lazo cerrado que permite seguir en presencia de incertidumbres las trayectorias óptimas obtenidas como solución de este problema de Bolza. Para el estudio del hovering, se propone una ley de control basada en el control en modo deslizante. Las simulaciones numéricas llevadas a cabo muestran que, en efecto, el uso de los procesos de soplado y ventilación como un mecanismo de control puede ser una herramienta de gran valía tanto en el control del hovering como para la mejora de la seguridad durante maniobras de emergencia. [ENG] Manned submarines are equipped with a number of ballast tanks distributed along the hull. When these tanks are filled with water, they contribute with the submarine mass allowing it to submerge. In case of emergency they can act as a safety mechanism to drive the vehicle to surface: air is blown into the ballast tanks from very high pressure bottles expelling the water out of the tanks. This way the submarine loses weight, its buoyancy is higher, and it can emerge quicker. To fill the tanks with water, a valve located on the top of the tanks is opened, air escapes outside, and water ows into the tanks. These processes are known, respectively, as blowing and venting of ballast tanks. Our aim is to study these processes providing all the necessary mathematical tools for their analysis, simulation and control. As a second step, we explore the potential use of these processes as a complementary control mechanism that could improve the manoeuvrability of manned submarines in certain situations. Particularly, we address the improvement of safety and stability in emergency rising manoeuvres and the control of hovering manoeuvres. Accurate hovering, the action of statically keep a desired depth, is essential, for example, for the launch and recovery of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs), a subject that has recently raised an extraordinary interest. We first propose a mathematical model for the blowing and venting processes which is coupled with the usual 6 degree of freedom kinematic and dynamic equations of motion. A rigorous mathematical analysis of the resulting state law is carried out. The control problem is formulated as a Bolza-type optimal control problem. Existence of solution for this problem is proved and the numerical resolution using a gradient descent method is addressed. We then propose a feedback control scheme for the tracking of the optimal trajectories obtained as a solution of this optimal control problem. For the hovering control, we propose a control law consisting of a sliding mode controller acting on a previously input-output exactly linearized system. The numerical simulations carried out show that, indeed, an appropriate control of these processes can help in a significant way to improve stability and safety during emergency manoeuvres as well as be an invaluable tool for the hovering control.