Desarrollo de un sistema de control automático de un hydrofoil en una embarcación de recreo de tipo Flyer 10

Abstract

[ES] El proyecto consiste la selección de un hydrofoil y el diseño de un sistema de control automático para el mismo en una embarcación de tipo Flyer 10. La introducción de un hydrofoil en una embarcación permite una reducción de los consumos para una determinada velocidad basada en la reducción del drag generado sobre la superficie de la embarcación debido a la variación de la obra viva. El proyecto debe seleccionar el perfil alar adecuado para el proceso y diseñar el sistema de control del mismo. Un diseño preliminar del sistema consistiría en la incorporación de dos actuadores hidráulicos en la parte delantera de la embarcación (proa), en los extremos de los cuales se incorporarían los perfiles alares que proporcionaría la sustentación necesaria para elevar la embarcación; de forma que la parte de la embarcación en el interior del agua (obra viva) disminuiría. Por otra parte, se deberá incluir una superficie que proporcione sustentación en la parte trasera de la embarcación (popa) para compensar la variación de ángulo de la embarcación respecto a la horizontal marcada por la superficie del agua. La metodología del estudio a realizar se basa en tres partes interrelacionadas, un estudio hidrodinámico para el entorno de los perfiles alares, un estudio dinámico de la embarcación, y la aplicación de las herramientas de automática y control de procesos. Para el estudio hidrodinámico y aerodinámico se hará uso de herramientas CFD con el objetivo de obtener valores para las fuerzas sobre el perfil y la obra viva con el objetivo de comprender como varían. En primera instancia se realizará un estudio 2D, con el objetivo de simplificar y agilizar los cálculos, de un conjunto de perfiles para obtener uno o varios perfiles sobre los que realizar un estudio más complejo posteriormente. Una vez obtenidos dichos perfiles se incorporarán a un modelo virtual de modo que podamos estudiar con precisión el entorno del perfil. Asumiremos una serie de coeficientes que permitan que los modelos obtenidos se asemejen a la realidad sin añadir coste computacional y tiempo de análisis de flujo turbulento e interfases entre fluidos. De modo que el estudio de mecánica de fluidos (hidrodinámica y aerodinámica) nos permita obtener las variaciones de fuerzas de sustentación y resistencia, así como otras variables. Para la realización de un modelo dinámico se hará uso de las relaciones obtenidas mediante el estudio CFD, de forma que podamos modelizar adecuadamente las variaciones de las variables de salida/control, respecto a las variaciones de las variables de entrada/manipuladas escogidas. Con el modelo dinámico completado pasamos a diseñar el sistema automático basado tanto en control continuo como en control secuencial. Para el diseño del control continuo se hará uso de control PID. Se realizar un estudio en simulación que permita validar la propuesta.

[EN] The project consists of the selection of a hydrofoil and the design of an automatic control system for it in a Flyer 10 type boat. The introduction of a hydrofoil in a boat allows a reduction in consumption for a certain speed based on the reduction of the drag generated on the surface of the boat due to the variation of the live work. The project must select the appropriate wing profile for the process and design its control system. A preliminary design of the system would consist of the incorporation of two hydraulic actuators in the front part of the boat (bow), at the ends of which the wing profiles would be incorporated that would provide the necessary lift to raise the boat; so that the part of the boat in the interior of the water (living work) would decrease. On the other hand, a surface that provides lift must be included in the rear part of the boat (stern) to compensate for the variation in the angle of the boat with respect to the horizontal marked by the surface of the water. The methodology of the study to be carried out is based on three interrelated parts, a hydrodynamic study for the environment of the wing profiles, a dynamic study of the vessel, and the application of automatic and process control tools. For the hydrodynamic and aerodynamic study, CFD tools will be used in order to obtain values for the forces on the profile and the live work in order to understand how they vary. In the first instance, a 2D study will be carried out, with the aim of simplifying and speeding up the calculations, of a set of profiles to obtain one or more profiles on which to carry out a more complex study later. Once these profiles have been obtained, they will be incorporated into a virtual model so that we can precisely study the environment of the profile. We will assume a series of coefficients that allow the obtained models to resemble reality without adding computational cost and analysis time of turbulent flow and interfaces between fluids. So that the study of fluid mechanics (hydrodynamics and aerodynamics) allows us to obtain the variations in lift forces and resistance, as well as other variables. To carry out a dynamic model, the relationships obtained through the CFD study will be used, so that we can adequately model the variations of the output / control variables, with respect to the variations of the chosen input / manipulated variables. With the dynamic model completed, we went on to design the automatic system based on both continuous control and sequential control. For the design of continuous control, use of PID control will be used. A simulation study will be carried out to validate the proposal.

[CA] El projecte consisteix la selecció d'un *hydrofoil i el disseny d'un sistema de control automàtic per al mateix en una embarcació de tipus Full de mà 10. La introducció d'un *hydrofoil en una embarcació permet una reducció dels consums per a una determinada velocitat basada en la reducció del *drag generat sobre la superfície de l'embarcació a causa de la variació de l'obra viva. El projecte ha de seleccionar el perfil alar adequat per al procés i dissenyar el sistema de control d'aquest. Un disseny preliminar del sistema consistiria en la incorporació de dos actuadors hidràulics en la part davantera de l'embarcació (proa), en els extrems dels quals s'incorporarien els perfils alars que proporcionaria la sustentació necessària per a elevar l'embarcació; de manera que la part de l'embarcació a l'interior de l'aigua (obra viva) disminuiria. D'altra banda, s'haurà d'incloure una superfície que proporcione sustentació en la part posterior de l'embarcació (popa) per a compensar la variació d'angle de l'embarcació respecte a l'horitzontal marcada per la superfície de l'aigua. La metodologia de l'estudi a realitzar es basa en tres parts interrelacionades, un estudi hidrodinàmic per a l'entorn dels perfils alars, un estudi dinàmic de l'embarcació, i l'aplicació de les eines d'automàtica i control de processos. Per a l'estudi hidrodinàmic i aerodinàmic es farà ús d'eines *CFD amb l'objectiu d'obtindre valors per a les forces sobre el perfil i l'obra viva amb l'objectiu de comprendre com varien. En primera instància es realitzarà un estudi 2D, amb l'objectiu de simplificar i agilitar els càlculs, d'un conjunt de perfils per a obtindre un o diversos perfils sobre els quals realitzar un estudi més complex posteriorment. Una vegada obtinguts aquests perfils s'incorporaran a un model virtual de manera que puguem estudiar amb precisió l'entorn del perfil. Assumirem una sèrie de coeficients que permeten que els models obtinguts s'assemblen a la realitat sense afegir cost computacional i temps d'anàlisi de flux turbulent i interfases entre fluids. De manera que l'estudi de mecànica de fluids (hidrodinàmica i aerodinàmica) ens permeta obtindre les variacions de forces de sustentació i resistència, així com altres variables. Per a la realització d'un model dinàmic es farà ús de les relacions obtingudes mitjançant l'estudi *CFD, de manera que podem *modelizar adequadament les variacions de les variables d'eixida/control, respecte a les variacions de les variables d'entrada/manipulades triades. Amb el model dinàmic completat passem a dissenyar el sistema automàtic basat tant en control continu com en control seqüencial. Per al disseny del control continu es farà ús de control PID. Es realitzar un estudi en simulació que permeta validar la proposta