СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОРАБЛЯ ПО ГЛУБИНЕ

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения, в частности автоматическому управлению движением корабля без хода в вертикальной плоскости.

Известны способы автоматического управления движением корабля в вертикальной плоскости, обеспечивающие переход корабля по глубине с использованием гидродинамических исполнительных средств [Патент России №2305050, б.и. №24 от 27.08.07]. Также известен способ управления движением подводного аппарата без хода, принятый нами в качестве прототипа, с использованием цистерн, скорость изменении силы плавучести в которых не больше 30 кг/с [Корчанов В.М. и др. Исследование задачи управления морскими подвижными объектами при потере хода. // Труды XXXI V Всероссийской конференции. ИПУ РАН, 2007, а также патент России №2306239, б.и. №26 от 20.09.06]. В известном способе закон управления цистернами имеет вид:

где Р - сила плавучести, создаваемая продуванием-заполнением цистерн,

Δh=(h-h_зд.) - сигнал задания перехода по глубине,

h, h_зд. - текущая и заданная глубина корабля,

соотношение коэффициентов регулирования при K₁=1:

К₂=(10-70)К₁, К₃=(50-200)К₁.

Приведенный закон управления предусматривает использование первой и второй производных от h с высокой крутизной, а также цистерн с производительностью <0.03 т/с.

Водоизмещение корабля превышает десятки тысяч тонн, поэтому переход по глубине корабля без хода будет весьма затянут. Ускорить процесс перехода при замкнутом законе управления (1) нельзя. Применение замкнутого закона управления цистернами с высокой производительностью при недостоверном измерении силы плавучести приведет к раскачке замкнутой системы управления. Неэффективность использования рассмотренного способа автоматического управления очевидна.

Цель изобретения - создать способ автоматического перехода корабля без хода по глубине с высокой скоростью изменения глубины в процессе перехода.

Предлагаемый способ управления позволяет осуществить ускоренный переход корабля по глубине с использованием больших сил плавучести Р (по сравнению со способом, приведенным выше), т.к. базируется на двух этапах программного разомкнутого временного управления:

- с использованием при переходе на заданную глубину по одному программному импульсу силы плавучести в каждом этапе управления;

- с использованием двух цистерн, расположенных в районе центра тяжести корабля, причем в исходном (балансировочном) состоянии первая цистерна полностью продута, а вторая полностью заполнена водой (это позволяет реализовать более точно заданный импульс силы плавучести);

- при погружении корабля на первом этапе управления заполняется первая цистерна до заданного временной программой уровня с последующим полным продуванием;

- при всплытии корабля на первом этапе управления продувается вторая цистерна по программе до заданной величины с последующим полным заполнением;

- выбор расчетной временной программы первого этапа управления Р₁ производят по начальной (заданной) величине перехода Δh₀;

- выбор и момент включения расчетной временной программы второго этапа управления (Р_{2 прог.} или P_{2 корр.}) производят с устранением накопившихся ошибок при выполнении программного управления первого этапа. Момент включения осуществляют при достижении измеренным сигналом величины перехода (рассогласования) по глубине расчетного программного значения, а выбор вида программы второго этапа производят с учетом величины отклонения текущего (измеренного) ускорения d²h/dt² и скорости изменения глубины dh/dt от программных значений ускорения d²h _{одерж.прог.}/dt² и скорости изменения глубины dh _{одерж.прог.}/dt в расчетной точке включения второго импульса силы плавучести (при Δh=Δh _{одерж.прог.}).

Реализация способа ускоренного перехода корабля по глубине основана на использовании датчика и задатчика глубины, блока задания и штатной системы управления по глубине. Сигналы текущей и заданной глубины h, h_зд. используют для формирования начальной (заданной) величины перехода по глубине: Δh₀=h₀-h_зд., где h₀ - глубина в начальный момент перехода. Из блока задания Δh₀ подают в штатную систему управления по глубине для отключения ее.

Для формирования импульсов силы плавучести используют: блок временных программ, две цистерны (быстрого заполнения-продувания), датчики ускорения и скорости изменения глубины корабля.

Сигнал начальной величины перехода Δh₀ вводят в блок временных программ для выбора расчетных временных программ импульсов силы плавучести Р₁, Р_{2 прог.} (P_{2 корр.}) первого и второго этапов управления цистернами:

Сигнал выбранной программы P₁ из блока временных программ вводят на вход двух цистерн.

Формирование сигналов программы второго этапа управления цистернами производится при выполнении условия:

где h _{одерж.прог.}=f₃ (P₁) - расчетное значение глубины, когда должно производиться включение второй расчетной программы управления Р_{2 прог.}.

Сигнал второй расчетной программы управления формируют вида:

где dh _{одерж.прог.}/dt - программная скорость изменения глубины в расчетной точке включения второго импульса силы плавучести, d²h _{одерж.прог.}/dt² - программное ускорение глубины в расчетной точке включения второго импульса силы плавучести.

Сигнал второй расчетной программы Р_{2 прог.} вводится для управления цистернами быстрого заполнения-продувания, если удовлетворяются неравенства, формируемые в блоке временных программ:

Процесс управления переходом заканчивается, когда сигнал рассогласования по глубине будет:

Если зависимость (5) не удовлетворяется, то в блоке временных программ формируют сигнал корректированной программы второго этапа управления цистернами Р_{2 корр.}:

Сигнал корректированной программы Р_{2 корр.} вводят на вход цистерн.

Процесс ускоренного перехода корабля по глубине заканчивается, когда сигнал рассогласования по глубине будет меньше допустимой величины С₀ в соответствии с зависимостью (6).

Описание работы аппаратуры ускоренного перехода корабля по глубине (см. чертеж).

На чертеже приведена блок-схема аппаратуры ускоренного перехода корабля по глубине, содержащая: задатчик глубины 1, блок задания 2, штатную систему управления по глубине 3, датчик глубины 4, блок временных программ 5, две цистерны (быстрого заполнения-продувания) 6, датчики ускорения и скорости изменения глубины 7, 8.

Аппаратура может реализовываться с использованием типовых датчиков измерителей:

- глубины 4 с чувствительностью измерения выше 1 м.

- скорости изменения глубины 8 с чувствительностью выше 0.3 м/с,

- ускорения глубины с чувствительностью выше 0.01 м/с².

В качестве блока временных программ 5 может использоваться типовой микроконтроллер. Блок формирования задания 2 может реализовываться на микросхеме 140 УД 8. Две цистерны быстрого изменения плавучести 6 должны быть равнозначными по емкости.

Судоводитель задатчиком глубины 1 вводит заданную глубину h_зд., которая поступает в блок задания 2. В блок 2 также вводится сигнал текущей глубины h с датчика глубины 4 для формирования сигнала задания начального (заданного) перехода по глубине: Δh₀=h₀-h_зд..

Сигнал начального перехода по глубине Δh₀ вводят на исполнительную часть штатной системы управления по глубине 3 для отключения ее. Сигнал Δh₀ также вводят на вход блока временных программ 5, в котором осуществляется выбор временной программы заполнения (или продувания) цистерн в функции от перехода по глубине Δh₀:

Р₁=f(t, Δh₀).

В блок 5 введены расчетные временные программы первого и второго этапов перехода по глубине автоматизируемого корабля. Программы составлены на основе моделирования оптимального по времени (или экономичности) перехода корабля на заданную глубину. Сигнал программы P₁ из блока 5 поступает на управление двумя цистернами 6. Процесс программного импульсного управления P₁=f(t, Δh₀) двумя цистернами продолжается до достижения кораблем глубины, соответствующей включению второго этапа управления: |h-h _{одерж.прог.}|<C₁.

В процессе перехода корабля по глубине измеряются текущие ускорения и скорость изменения глубины датчиками 7, 8, выходы которых подключены к блоку программного управления 5. В момент равенства текущей измеренной глубины h программному значению глубины сдерживания h _{одерж.прог.}, если удовлетворяется условие (5), сигнал программы Р_{2 прог.} из блока 5 поступает на управление двумя цистернами 6. Процесс автоматического управления переходом на h_зд. заканчивается при удовлетворении условия (6), которое формируется в блоке 5.

При неудовлетворении условия (5) сформированный сигнал программы Р_{2 корр.} в соответствии с зависимостью (7) водится на вход двух цистерн 6. Процесс автоматического управления переходом на h_зд. заканчивается при удовлетворении условия (6).

Проведенное моделирование автоматического перехода по глубине с использованием описанной выше аппаратуры позволяет утверждать, что время перехода может быть сокращено более чем на порядок по сравнению с известными способами управления.