СПУСКОПОДЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО
LAUNCHING AND LIFTING GEAR

Изобретение относится к судовой технике, а именно к тем судовым спускоподъемным устройствам, которые выполняют операции спуска и подъема подводных объектов, связанных с судном кабель-тросом.
Известно спускоподъемное устройство, содержащее установленную на судне подъемную лебедку с устройством управления приводом этой лебедки, трос, один конец которого заведен на барабан подъемной лебедки, а другой прикреплен к подводному объекту, а также задатчик и измеритель скорости троса, акселерометр, подвешенный к оси грузового блока лебедки, и интегрирующий фильтр. Входы устройства управления приводом подъемной лебедки подключены к выходам задатчика и измерителя скорости троса, а также к выходу интегрирующего фильтра, вход которого соединен с выходом акселерометра [1]. При отсутствии качки судна устройство управления воздействует на привод лебедки по принципу отрицательной обратной связи так, чтобы разность выходных сигналов задатчика и измерителя скорости троса равнялась нулю. При этом скорость, с которой трос уходит в воду, равна заданной скорости. При наличии качки акселерометр измеряет вертикальную составляющую ускорения качки оси грузового блока лебедки, а выходной сигнал интегрирующего фильтра пропорционален вертикальной составляющей скорости качки оси грузового блока лебедки. Этот сигнал вычитается из задающего сигнала; Поэтому скорость перемещения троса относительно судна равна разности скоростей: заданной и качки, а по отношению к невзволнованной поверхности воды скорость троса практически равна заданной скорости. Тем самым происходит компенсация влияния качки судна на скорость перемещения подводного объекта при вертикальном направлении схода троса с грузового блока под воду.
У этого известного устройства имеются следующие недостатки. Во-первых, компенсация скорости, с которой перемещается ось грузового блока лебедки при качке судна, является неполной, когда судно находится в дрейфе, или на подводный объект действует течение. По этим причинам направление схода троса с грузового блока под воду отличается от вертикали. Во-вторых, подвешенный акселерометр раскачивается под действием других, кроме вертикальной, видов качки. При этом возникают две дополнительные погрешности измерения ускорения. Первая из них вызвана отклонением оси акселерометра от вертикали. Вторая погрешность связана с тем, что акселерометр, подвешенный к оси грузового блока лебедки, измеряет не только ускорение качки, но и центробежное ускорение, вызванное его качанием вокруг оси подвеса.
Эти недостатки отсутствуют у второго аналога [2], защищенного авторским свидетельством на 32 года ранее публикации заявки на патент по первому аналогу [1]. Отличие второго аналога от первого заключается в том, что у второго аналога акселерометр установлен на подвижном основании, один конец которого шарнирно закреплен на оси, совпадающей с осью грузового блока, а другой опирается на сходящую с грузового блока ветвь троса. Тем самым свободное качание акселерометра вокруг оси подвеса отсутствует. Акселерометр измеряет только ту составляющую качки оси грузового блока, которая направлена вдоль ветви троса, сходящей с этого блока в воду.
У первого и второго аналогов имеются два общих существенных недостатка. Первый из них заключается в том, что в процессе компенсации влияния качки судна-носителя при малой или нулевой заданной скорости происходит непрерывное сматывание-наматывание троса на барабан лебедки. Такое движение троса сопровождается его изгибными деформациями при прохождении блоков лебедки. Медные жилы кабель-троса допускают всего 1000-2000 изгибов при прохождении через блоки. Этот ресурс может быть израсходован за несколько часов непрерывной работы лебедки. Поэтому оба аналога можно использовать только в том случае, когда судно и подводный объект связаны не кабель-тросом, а простым тросом (канатом), что исключает возможность передачи электроэнергии на подводный объект.
Второй общий недостаток обоих аналогов - это их неспособность удерживать подводный объект на постоянной глубине в автоматическом режиме. Глубина погружения подводного объекта определяется средним по времени значением длины троса, смотанного с барабана лебедки. Как глубина погружения, так и длина троса в системах автоматического управления указанных аналогов являются ненаблюдаемыми величинами. Поэтому даже при заданном с задатчика нулевом значении скорости троса и идеальной работе акселерометра и интегрирующего фильтра глубина погружения подводного объекта будет непрерывно изменяться. Одним из факторов такого поведения системы автоматического управления скоростью лебедки является вес троса. При подъеме грузового блока под действием качки судна длина участка троса, находящегося между грузовым блоком и подводным объектом, под действием сигнала интегрирующего фильтра увеличится. Появится дополнительное усилие в тросе, вызванное приращением веса указанной части троса. Это усилие будет препятствовать полному возвращению смотанного участка троса обратно на барабан лебедки во время опускания грузового блока. Без вмешательства оператора с барабана лебедки постепенно сойдет весь трос, и подводный объект окажется на максимальной глубине.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа спускоподъемное устройство. Оно содержит установленную на судне подъемную лебедку, кабель-трос, один конец которого заведен на барабан подъемной лебедки, а другой прикреплен к подводному объекту, компенсаторное устройство, акселерометр, первый и второй командные блоки, а также первый и второй управляющие блоки. Подвижным элементом компенсаторного устройства является снабженная приводом подъемно-опускная стрела, у которой ось вращения, расположенная в плоскости, параллельной плоскости ватерлинии судна, закреплена в установленной на судне колонне компенсаторного устройства. Головной и дополнительный блоки этой стрелы охвачены кабель-тросом. Вход первого управляющего блока подключен к первому командному блоку, а выход - к управляющему входу двигательного устройства привода подъемной лебедки. Первый и второй выходы второго управляющего блока подключены соответственно к первому и второму управляющим входам двигательного устройства привода подъемно-опускной стрелы. Первый вход второго управляющего блока подключен ко второму командному блоку, а второй вход этого блока, подключенный к выходу акселерометра, связан внутри второго управляющего блока с его вторым выходом. Привод подъемно-опускной стрелы выполняет функцию системы автоматического управления тем приложенным к подъемно-опускной стреле моментом, который создает двигательное устройство этого привода.
Дополнительный блок прикреплен к той части подъемно-опускной стрелы, которая прилегает к ее оси. Акселерометр установлен на головную часть стрелы так, что его ось чувствительности направлена перпендикулярно продольной оси стрелы [3].
Основное перемещение подводного объекта по вертикали производится подъемной лебедкой: по команде первого командного блока привод этой лебедки обеспечивает пуск и остановку привода подъемной лебедки, а также сматывание или наматывание кабель-троса на барабан этой лебедки с заданной скоростью. Второй командный блок через второй управляющий блок задает первую составляющую сигнала, поступающего на первый управляющий вход двигательного устройства привода подъемно-опускной стрелы. Этой составляющей управляющего сигнала соответствует такое значение момента, приложенного к подъемно-опускной стреле со стороны ее привода, который уравновешивает сумму тех моментов, также приложенных к подъемно-опускной стреле, которые обусловлены весом этой стрелы, кабель-троса и подводного объекта в воде. Пока сигнал от акселерометра не передается на управляющий вход двигательного устройства привода подъемно-опускной стрелы, она остается неподвижной по отношению к корпусу судна, чему способствуют силы трения, действующие в механической части привода стрелы. При достижении подводным объектом нужной глубины по команде второго командного блока из выходного сигнала акселерометра начинает формироваться вторая составляющая сигнала, поступающего на управляющий вход привода подъемно-опускной стрелы. Способ формирования указанного сигнала в простейшем случае - это усиление выходного сигнала акселерометра. Указанной второй составляющей управляющего сигнала соответствует приложенный к стреле со стороны ее привода динамический момент, который равен произведению эквивалентного момента инерции механической части привода, приведенного к оси стрелы, на угловое ускорение стрелы. Под действием указанной второй составляющей управляющего сигнала начинает работать привод подъемно-опускной стрелы, изменяя угол ее наклона относительно корпуса судна. При этом соответствующим образом изменяется высота оси головного блока, и тем самым компенсируется влияние его качки. Система автоматического управления этим приводом действует так, чтобы сигнал акселерометра поддерживать вблизи его нулевого значения. Когда, например, под воздействием морского волнения судно опускается, эта система автоматического управления поднимает стрелу. При этом направленное вниз ускорение качки судна уравновешивается направленным вверх ускорением головного конца стрелы относительно корпуса судна. И, наоборот, при движении судна вверх стрела опускается. При идеальной компенсации, когда сигнал акселерометра равен нулю, усилие в тросе ниже головного блока неизменно, оно равно сумме веса подводного объекта и троса в воде. Поэтому, как декларируется в заявке на патент [3], глубина погружения подводного объекта остается неизменной. (В действительности же она, как показано ниже, медленно изменяется.) Информация о физических полях океана на этой глубине, полученная приборами подводного объекта, передается по кабель-тросу на судно. Трос при идеальной компенсации не перетягивается взад-вперед по блокам лебедки, изгибные деформации участков троса, прилегающих к дополнительному и головному блокам, пренебрежимо малы. Благодаря таким особенностям работы прототип в отличие от первого и второго аналогов позволяет использовать для связи с подводным объектом не только трос, но и кабель-трос. При этом время наработки кабель-троса на отказ из-за обрыва медных жил достаточно велико.
Прототипу присущи четыре основных недостатка. Первый, наиболее важный, недостаток аналогичен второму общему недостатку обоих аналогов. Прототип не обеспечивает постоянство глубины погружения подводного объекта в течение сколько-нибудь продолжительного интервала времени, по отношению к периоду качки судна. Положение стрелы и ее скорость относительно корпуса судна являются с точки зрения теории автоматического управления ненаблюдаемыми величинами. Наблюдаемая величина - ускорение головного участка стрелы - является не первой, как у аналогов, а второй производной регулируемой величины, то есть положения подвижного элемента - головного участка стрелы. Поэтому у прототипа в еще большей мере, чем у аналогов, проявляется указанный недостаток - с течением времени глубина погружения подводного объекта увеличивается. Помимо качаний относительно своей оси, у стрелы имеется еще одна составляющая ее движения - постепенный поворот вниз. Через некоторое время стрела станет останавливаться в нижнем предельном положении на все более продолжительный период. При этом компенсация влияния качки судна сначала нарушается, а затем полностью исключается. Одним из факторов такого поведения компенсаторного устройства является проявление сил трения в оси стрелы и в остальных элементах механической части привода стрелы. Момент всех сил трения, приведенный к оси стрелы, арифметически складывается с суммой моментов нагрузки от веса стрелы, кабель-троса и подводного объекта, также приведенных к указанной оси, при движении стрелы вверх. При обратном движении стрелы момент трения вычитается из этой суммы. Результатом того, что момент двигателя, необходимый для движения стрелы вверх, больше, чем в обратном направлении, и является наличие постоянной составляющей скорости ее движения вниз.
Второй недостаток этого устройства - недостаточная и кратковременная компенсация влияния качки судна при постоянной скорости подъемной лебедки. При перемещении подводного объекта в кабель-тросе возникает дополнительное усилие, вызванное трением этого объекта и кабель-троса о воду. Оно проявляется аналогично рассмотренному действию сил трения в механизме компенсаторного устройства: при работе подъемной лебедки на подъем стрела получит направленную вниз постоянную составляющую своей скорости, пока не займет крайнее нижнее положение. А при работе подъемной лебедки на спуск стрела переместится в крайнее верхнее положение.
Третий недостаток этого устройства заключается в том, что из-за принятого расположения дополнительного блока (ось дополнительного блока не совпадает с осью стрелы) компенсация вызванного качкой судна перемещения головного блока стрелы является неполной. При движении головного участка стрелы вверх относительно корпуса судна длина участка троса от барабана подъемной лебедки до точки схода кабель-троса с головного блока увеличивается. Следовательно, при остановленной подъемной лебедке во время такого движения, несмотря на сохранение постоянной высоты оси головного блока относительно дна моря, подводный объект будет перемещаться вверх, а при движении стрелы в обратном направлении подводный объект станет опускаться. Кроме того, непрерывное протягивание кабель-троса через головной блок стрелы сопровождается его изгибными деформациями, что сокращает его срок службы.
Четвертый недостаток прототипа - это пониженная надежность проводов электрических линий, по одной из которых подается питание акселерометра, а по другой передается его выходной сигнал. Эти провода переходят с неподвижной, по отношению к судну, части устройства на подъемно-опускную стрелу, к головной части которой прикреплен акселерометр. При работе компенсаторного устройства указанные провода подвергаются непрерывным изгибным деформациям, сокращающим время безотказной работы этих линий.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности использования подводного объекта путем уменьшения отклонений глубины погружения подводного объекта под действием качки судна-носителя, обеспечения постоянства среднего значения как глубины погружения подводного объекта, так и скорости изменения этой глубины, а также повышение надежности работы спускоподъемного устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в спускоподъемное устройство, содержащее установленную на судне подъемную лебедку, кабель-трос, один конец которого заведен на барабан подъемной лебедки, а другой прикреплен к подводному объекту, компенсаторное устройство, подвижным элементом которого является снабженная приводом подъемно-опускная стрела, у которой ось вращения, расположенная в плоскости, параллельной плоскости ватерлинии судна, закреплена в установленной на судне колонне компенсаторного устройства, а головной и дополнительный блоки этой стрелы охвачены кабель-тросом, а также акселерометр, первый и второй командные блоки, первый управляющий блок, вход которого подключен к первому командному блоку, а выход - к управляющему входу двигательного устройства привода подъемной лебедки, и второй управляющий блок, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму управляющим входам двигательного устройства привода подъемно-опускной стрелы, первый вход второго управляющего блока подключен ко второму командному блоку, а второй вход второго управляющего блока подключен к выходу акселерометра, причем привод подъемно-опускной стрелы выполняет функцию системы автоматического управления тем приложенным к подъемно-опускной стреле моментом, который создает двигательное устройство этого привода, введены первый и второй интегрирующие фильтры, компаратор, а также измерительные преобразователи перемещения и скорости перемещения подъемно-опускной стрелы относительно основания компенсаторного устройства, кроме того, дополнительный блок свободно насажен на оси вращения подъемно-опускной стрелы, а акселерометр прикреплен к колонне компенсаторного устройства так, что направление измеряемого им ускорения перпендикулярно плоскости ватерлинии судна, выход акселерометра подключен к входу первого интегрирующего фильтра, выход которого подключен к третьему входу второго управляющего блока и к входу второго интегрирующего фильтра, выход которого подключен к четвертому входу второго управляющего блока, пятый и шестой входы которого подключены соответственно к выходам измерительных преобразователей перемещения и скорости перемещения подъемно-опускной стрелы, первый, второй и третий входы компаратора подключены соответственно к выходам второго командного блока, второго интегрирующего фильтра и измерительного преобразователя перемещения подъемно-опускной, стрелы, а выход компаратора подключен к седьмому входу второго управляющего блока.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи.
Признаки «…в спускоподъемное устройство… введены первый и второй интегрирующие фильтры, …выход акселерометра подключен к входу первого интегрирующего фильтра, выход которого подключен к третьему входу второго управляющего блока и к входу второго интегрирующего фильтра, выход которого подключен к четвертому входу второго управляющего блока…» позволяют осуществить управление приводом подъемно-опускной стрелы по возмущению - по значениям вызванных качкой судна перемещения, а также скорости и ускорения оси подъемно-опускной стрелы. Тем самым компенсируется влияние инерционных свойств элементов указанного привода, а также сил трения в его механической части.
Признаки «…в спускоподъемное устройство… введены измерительные преобразователи перемещения и скорости перемещения подъемно-опускной стрелы относительно основания компенсаторного устройства, …пятый и шестой входы второго управляющего блока подключены соответственно к выходам измерительных преобразователей перемещения и скорости перемещения подъемно-опускной стрелы» позволяют осуществить управление приводом подъемно-опускной стрелы по отклонению значений указанных величин от соответствующих им заданных значений перемещения и скорости перемещения оси подъемно-опускной стрелы. Первое из этих значений задается командным блоком, а второе выработано во втором управляющем блоке. При этом во время качки судна сохраняется постоянной высота оси головного блока стрелы относительно морского дна, что компенсирует влияние качки судна на глубину погружения подводного объекта.
Признак «…дополнительный блок свободно насажен на оси вращения подъемно-опускной стрелы…» позволяет достигнуть постоянства длины участка троса от барабана подъемной лебедки до точки схода кабель-троса с головного блока при изменении угла наклона этой стрелы по отношению к корпусу судна. Тем самым повышается точность компенсации влияния качки судна на глубину погружения подводного объекта.
Признак «…акселерометр прикреплен к колонне компенсаторного устройства так, что направление измеряемого им ускорения перпендикулярно плоскости ватерлинии судна…» позволяет исключить изгибные деформации проводов электрических линий, подключенных к акселерометру, и измерять ускорение оси подъемно-опускной стрелы в указанном направлении.
Признак «…в спускоподъемное устройство введен… компаратор, первый, второй и третий входы компаратора подключены соответственно к выходам второго командного блока, второго интегрирующего фильтра и измерительного преобразователя перемещения подъемно-опускной стрелы, а выход компаратора подключен к седьмому входу второго управляющего блока» позволяет сократить время переходного процесса, возникающего при переводе спускоподъемного устройства в режим работы с компенсацией влияния качки судна.
Технический результат, который достигается при решении такой задачи, выражается в следующем:
для обеспечения сколь угодно длительной, выполняемой с высокой точностью, компенсации влияния качки судна на глубину погружения подводного объекта как при остановленном, так и при работающем приводе подъемной лебедки, в систему автоматического управления компенсаторным устройством вносятся следующие изменения:
а) перемещение головного участка подъемно-опускной стрелы по отношению к корпусу судна и скорость этого перемещения становятся наблюдаемыми величинами,
б) регулирование этих величин производится как в функции их отклонения от заданных значений, так и по возмущению - по значениям вызванных качкой судна перемещения, а также скорости и ускорения оси подъемно-опускной стрелы,
в) ось дополнительного блока совмещается с осью подъемно-опускной стрелы, при этом изменения угла наклона этой стрелы по отношению к корпусу судна не влияют на длину участка троса от барабана подъемной лебедки до точки схода кабель-троса с головного блока, что исключает причину неполной компенсации влияния качки судна;
г) акселерометр помещается не на подъемно-опускной стреле, а на неподвижной по отношению к корпусу судна конструкции, что исключает появление изгибных деформаций проводов электрических линий, подключенных к акселерометру.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено расположение элементов судового спускоподъемного устройства; на фиг.2 показан вид спускоподъемного устройства сверху, совмещенный с разрезом по А-А и с функциональной схемой спускоподъемного устройства; на фиг.3 приведена развернутая структурная схема системы автоматического управления положением подъемно-опускной стрелы.
Спускоподъемное устройство 1, предназначенное для спуска и подъема подводного объекта 2, содержит установленную на судне-носителе 3 подъемную лебедку 4. На барабан 5 этой лебедки запасован верхний конец кабель-троса 6, а его нижний конец соединен с подводным объектом 2. Установленное на судне-носителе 3 компенсаторное устройство 7 имеет подвижный элемент, выполненный в виде подъемно-опускной стрелы 8. Ось 9 крепления стрелы 8, расположенная в плоскости, параллельной плоскости ватерлинии судна, закреплена в колонне 10 компенсаторного устройства 7. Указанная колонна установлена на судне-носителе 3. Стрела 8 соединена с приводом 11 компенсаторного устройства 7. Передаточное устройство привода 11, предназначенное для поворота стрелы 8 вокруг оси 9, показано условно в виде механизма с передачей, содержащей зубчатую рейку 12, ось 13 которой закреплена в стреле 8, и зубчатое колесо 14. Возможно и какое-либо другое конструктивное исполнение указанного привода для изменения угла наклона стрелы 8, например с задним стреловым полиспастом. Кабель-трос 6 охватывает головной блок 15 стрелы 8 и дополнительный блок 16, свободно насаженный на ось 9 этой стрелы.
Функциональная схема спускоподъемного устройства приведена на фиг.2. Управляющий вход двигательного устройства 17 привода подъемной лебедки 4 подключен к выходу первого управляющего блока 18, вход которого подключен к первому командному блоку 19. Первый и второй управляющие входы двигательного устройства 20 привода подъемно-опускной стрелы 8 подключены соответственно к первому и второму выходам второго управляющего блока 21, первый вход которого подключен к второму командному блоку 22. В устройство входят также измерительные преобразователи перемещения 23 и скорости перемещения 24 подъемно-опускной стрелы 8 относительно колонны 10 (относительно основания компенсаторного устройства). Кроме того, устройство содержит акселерометр 25, который прикреплен к колонне 10 компенсаторного устройства так, что направление измеряемого им ускорения перпендикулярно плоскости ватерлинии судна, а также первый 26 и второй 27 интегрирующие фильтры. Выход акселерометра 25 подключен к второму входу второго управляющего блока 21 и к входу первого интегрирующего фильтра 26, выход которого подключен к третьему входу второго управляющего блока 21 и к входу второго интегрирующего фильтра 27. Выход фильтра 27 подключен к четвертому входу второго управляющего блока 21, пятый и шестой входы которого подключены соответственно к выходам измерительных преобразователей перемещения 23 и скорости перемещения 24 подъемно-опускной стрелы. Первый вход компаратора 28 соединен с выходом командного блока 22, второй вход компаратора 28 - с выходом второго интегрирующего фильтра 27, а третий вход компаратора 28 - с выходом измерительного преобразователя перемещения 23 подъемно-опускной стрелы 8. Выход компаратора 28 подключен к седьмому входу второго управляющего блока 21.
u
a
Двигательное устройство 20 привода подъемно-опускной стрелы 8 входит в состав системы автоматического управления (САУ) тем приложенным к подъемно-опускной стреле моментом, который создает это двигательное устройство. Структурная схема САУ указанным моментом показана на фиг.3. В контур управления этой САУ входят сумматор 29 и регулятор 30 того момента, который приложен к этой стреле со стороны двигательного устройства 20. На первый вход сумматора 29 момента, подключенный к первому управляющему входу двигательного устройства 20, с первого выхода второго управляющего блока 21 поступает выходной сигнал M этого блока. На второй вход сумматора 29 момента, подключенный к второму управляющему входу двигательного устройства 20, через второй управляющий блок 21 поступает выходной сигнал M акселерометра 25. Выход сумматора 29 момента с выходным сигналом ΔM подключен к входу упомянутого регулятора 30 момента. Выходной сигнал u регулятора 30 момента подводится к управляющему входу преобразователя 31. Этот преобразователь управляет параметрами энергии, которая поступает в двигатель 32 и преобразуется в нем в механическую работу. САУ моментом двигательного устройства 20 является системой с регулированием по отклонению указанного момента от суммы значений моментов, заданных на первом и втором входах сумматора 29 момента. Для обеспечения такой функции с выхода преобразователя 31 на третий вход упомянутого сумматора момента подается, с обратным знаком, сигнал M, пропорциональный моменту двигателя 32. В зависимости от разновидности применяемого двигателя (гидравлический, электрический постоянного или переменного тока) этот сигнал получается измерением какой-то физической величины, которая функционально связана с моментом двигателя 32. В частности, при использовании двигателя постоянного тока, в том числе бесконтактного, такой величиной является ток двигателя. Пропорционально-интегральный (или какой-либо подобный ему) регулятор 30 момента обеспечивает необходимое быстродействие и точность работы привода 20.
САУ моментом двигательного устройства 20 является подсистемой САУ более высокого уровня - САУ положением стрелы 8. В состав этой САУ входят и другие, показанные на фиг.2, элементы спускоподъемного устройства 1: второй командный блок 22, второй управляющий блок 21, акселерометр 25, первый 26 и второй 27 интегрирующие фильтры, измерительные преобразователи 23 (перемещения - угла наклона) и 24 (скорости перемещения - угловой скорости) стрелы 8, а также компаратор 28.
a
u
a
a
u
u
a
САУ положением (перемещением) стрелы 8 может иметь различную структуру. Наиболее простыми и удобными в настройке являются системы подчиненного регулирования. Дальнейшее описание работы устройства будет дано на примере трехконтурной системы подчиненного регулирования, структурная схема которой показана на фиг.3. В этой САУ, помимо регулирования по отклонению положения и скорости стрелы 8, осуществляется регулирование и по вызванным качкой судна 3 возмущениям: ускорению, скорости и перемещению оси 9 крепления стрелы 8. Эти сигналы подаются в САУ через ключи 33, 34 и 35, управляющие входы которых подключены к выходу компаратора 28. В состав такой САУ, кроме перечисленных выше элементов, входят включенные в состав второго управляющего блока 21 сумматор 36 и регулятор 37 скорости стрелы 8, а также сумматор 38 и регулятор 39 положения стрелы 8. Внутренний контур, контур момента двигателя 32, образует описанную выше САУ моментом двигательного устройства 20. Регулирование по возмущению (ускорению оси 9 крепления стрелы 8) осуществляется с помощью сигнала M акселерометра 25, выход которого через ключ 33 соединен со вторым входом сумматора 29 момента. Контур момента охвачен контуром скорости стрелы 8, в который входят упомянутые сумматор 36 и регулятор 37 скорости. Выход последнего подключен к первому входу сумматора 29 момента, а вход - к выходу упомянутого сумматора 36 скорости стрелы 8. На первый и второй входы этого сумматора подаются соответственно выходной сигнал ν регулятора 39 положения стрелы 8 и, с обратным знаком, через шестой вход второго управляющего блока 21, выходной сигнал ν измерительного преобразователя 24 скорости перемещения стрелы 8. Третий вход сумматора 36 скорости соединен через третий вход второго управляющего блока 21 и ключ 34 с выходом первого интегрирующего фильтра 26, выходной сигнал которого ν пропорционален скорости качки оси 9 крепления стрелы 8. Выходной сигнал Δν сумматора 36 скорости подводится к входу регулятора 37 скорости, например пропорциональному. Этот регулятор, при отсутствии сигнала ν с выхода первого интегрирующего фильтра 26, поддерживает заданное с выхода регулятора 39 положения стрелы 8 значение ν угловой скорости стрелы по отношению к корпусу судна 3. Контур скорости ν стрелы 8 охвачен контуром положения стрелы 8, в который входит находящийся в составе управляющего блока 21 регулятор 39 положения. Вход этого регулятора подключен к выходу сумматора 38 положения стрелы 8. На первый и второй входы этого сумматора подаются соответственно выходной сигнал h второго командного блока 22 через первый вход второго управляющего блока 21 и, с обратным знаком, через пятый вход второго управляющего блока 21 выходной сигнал h измерительного преобразователя 23 перемещения стрелы 8. Третий вход сумматора 38 положения стрелы 8 соединен через четвертый вход второго управляющего блока 21 и ключ 35 с выходом второго интегрирующего фильтра 27, выходной сигнал h которого пропорционален вызванному качкой судна перемещению оси 9 крепления стрелы 8. Выходной сигнал Δh сумматора 38 положения подводится к входу регулятора 39 положения, например пропорциональному. Этот регулятор, при отсутствии сигнала с выхода второго интегрирующего фильтра 27, поддерживает заданное с выхода второго командного блока 22 значение угла наклона стрелы по отношению к корпусу судна 3. Перемещение h оси головного блока стрелы 8 относительно плоскости, которая параллельна плоскости ватерлинии судна и проходит через ось 9 стрелы 8, определяется выражением h=Lsinφ, где L - расстояние между осью 9 стрелы 8 и осью головного блока 15, φ - угол наклона стрелы 8 к плоскости ватерлинии судна. При небольших углах поворота стрелы 8, по отношению к плоскости ватерлинии судна, приведенное выражение принимает вид h=Lφ. Следовательно, выходной сигнал преобразователя 23, измеряющего угол φ, пропорционален перемещению h. На том же основании выходной сигнал преобразователя 24, измеряющего угловую скорость стрелы 8, пропорционален не только угловой скорости ω двигателя 32, но и скорости  перемещения оси головного блока 15 относительно плоскости ватерлинии, где t - время.
В спускоподъемном устройстве используются не интеграторы, а интегрирующие фильтры, чтобы исключить наличие постоянных составляющих выходных сигналов этих элементов. Указанные постоянные составляющие определяются моментом времени, с которого начинается процесс интегрирования. Акселерометр 25 измеряет ускорение оси подъемно-опускной стрелы в направлении, которое перпендикулярно плоскости ватерлинии судна. В установившемся режиме преобразования сигнала акселерометра 25 выходные сигналы первого интегрирующего фильтра 26 и второго интегрирующего фильтра 27 пропорциональны соответственно вызванным качкой судна составляющим скорости и перемещения оси 9 подъемно-опускной стрелы 8 в том же направлении. В измерительной технике, используемой для измерения переменной величины по доступному сигналу производной этой величины, часто применяют простейшие интегрирующие фильтры, передаточная функция которых, как у апериодического звена первого порядка. Возникающая постоянная составляющая выходного сигнала затухает с постоянной времени фильтра. Применительно к рассматриваемому случаю для обеспечения требуемой точности интегрирования переменной составляющей входного сигнала эта постоянная времени должна быть во много раз (в десятки и сотни) больше, чем средний период качки судна. Начальный переходный процесс в фильтре можно считать завершенным, когда после включения фильтра пройдет время, которое превосходит указанную постоянную времени не менее чем в 5 раз. Это время составляет около 10 минут. Интегрирующие фильтры более высокого порядка могут обеспечивать меньшую погрешность интегрирования переменной величины при меньшей продолжительности начального переходного процесса.
Спускоподъемное устройство работает следующим образом.
Акселерометр 25, первый интегрирующий фильтр 26 и второй интегрирующий фильтр 27 вводятся в действие до начала спускоподъемных операций на время, которое превосходит продолжительность переходных процессов, сопровождающих начало работы указанных фильтров.
Основное перемещение подводного объекта (опускание на поверхность воды, выход на заданную глубину погружения, подъем на судно) осуществляют путем сматывания или наматывания кабель-троса 6 на барабан 5 подъемной лебедки 4 под действием двигательного устройства 17 этой лебедки со скоростью, заданной первым командным блоком 19. Заданное значение скорости поступает на управляющий вход двигательного устройства 17 через первый управляющий блок 18.
u
Работа спускоподъемного устройства начинается с выполнения предварительных операций: подъема подводного объекта с палубы судна и перемещения его в забортное пространства. Эти операции производятся при отключенных от САУ положением стрелы 8 сигналах акселерометра 25 и интегрирующих фильтров 26 и 27 (ключи 33, 34 и 35 находятся в разомкнутом состоянии). Сначала по сигналу командного блока 22 стрела 8 переводится в крайнее положение, в котором высота головного блока 15 по отношению к палубе судна 3 имеет максимальное значение. Потом с помощью подъемной лебедки 4 подводный объект поднимается над палубой, а по сигналу второго командного блока 22 стрела 8 переводится в среднее положение, при котором подводный объект оказывается в забортном пространстве судна 3. Переходный процесс перемещения стрелы заканчивается, когда заданное с командного блока 22 значение h угла поворота стрелы относительно плоскости ватерлинии судна, например нулевое, становится равным значению h, измеренному преобразователем 23.
a
a
a
По сигналу, поданному командным блоком 22, вступает в действие компаратор 28, который сравнивает выходные сигналы измерительного преобразователя 23 h и интегрирующего фильтра 27 h. В момент, когда оба этих сигнала становятся равными друг другу, компаратор 28 подает во второй управляющий блок 21 сигнал на начало работы компенсаторного устройства. По этому сигналу ключи 33, 34 и 35 замыкаются, при этом выходы акселерометра 25, первого 26 и второго 27 интегрирующих фильтров подключаются соответственно к второму входу сумматора 29 момента, третьему входу сумматора 36 скорости стрелы 8 и третьему входу сумматора 38 положения стрелы 8. В этот момент выходные сигналы второго интегрирующего фильтра 27 h и акселерометра 25 M близки к нулевым значениям.
a
a
С этого момента времени САУ положением стрелы 8 начинает работать по отработке основного возмущения - скорости качки, которое в виде сигнала ν задается с выхода первого интегрирующего фильтра 26. Эта САУ поддерживает скорость  головного блока 15 стрелы 8 относительно плоскости ватерлинии, равной и противоположной по направлению скорости ν перемещения оси 15 стрелы 8 относительно той же плоскости. В результате действия САУ скорость оси головного блока 15 относительно невзволнованной поверхности воды (или морского дна) практически равна нулю.
a
u
a
u
u
В САУ положением стрелы 8 имеются элементы, обладающие инерционностью: двигатель и механическая часть привода компенсаторного устройства 7. Поэтому компенсация влияния качки судна происходит с некоторой погрешностью. Для снижения ее в САУ вводится еще один сигнал регулирования по возмущению. Это выходной сигнал M акселерометра 25, подаваемый на вход сумматора 29 момента. Такой сигнал способствует снижению времени запаздывания действия компенсаторного устройства 7 по отношению к процессу качки оси стрелы 8. У наружного контура положения стрелы 8 частота среза во много раз меньше частот качки судна. Поэтому этот контур выполняет, в основном, свою главную функцию - стабилизацию заданного среднего значения угла наклона стрелы 8. Однако этот контур может практически полностью подавить переменные составляющие в выходном сигнале ν регулятора 39 положения только при крайне низкой частоте среза. При этом быстродействие такого контура регулирования становится недопустимо малым. Это противоречие удается устранить тем, что на третий вход сумматора 38 положения стрелы 8 подается выходной сигнал h второго интегрирующего фильтра 27. В итоге в выходном сигнале ν регулятора 39 положения будет присутствовать постоянная составляющая, которая пропорциональна среднему значению отклонения стрелы 8 от заданного положения. На выходе регулятора скорости эта составляющая превратится в составляющую M, которая приведет к появлению постоянной составляющей, обеспечивающей необходимое среднее значение приложенного к стреле 8 момента двигательного устройства 20. Эта составляющая момента уравновешивает момент от веса стрелы 8, подводного объекта 2 и кабель-троса 6. Перемещения головного блока 15 практически полностью компенсируют перемещения оси стрелы 8, а усилие в кабель-тросе 6 в точке, где он сходит с блока 15, не изменяется и равно весу соответствующего участка кабель-троса и подводного объекта.
Спуск подводного объекта в воду осуществляется с помощью подъемной лебедки 4. Вес подводного объекта в воде меньше, чем на воздухе, а вода оказывает сопротивление его перемещению. Поэтому при вхождении подводного объекта в воду среднее значение угла наклона стрелы 8 начнет уменьшаться (колебания головной части стрелы немного переместятся вверх). По мере увеличения глубины погружения подводного объекта и роста длины и веса кабель-троса, находящегося в воде, среднее значение угла наклона стрелы 8 будет увеличиваться. Еще больше вырастет среднее значение этого угла при работе подъемной лебедки 4 на подъем подводного объекта. Это произойдет из-за изменения направления той составляющей усилия в кабель-тросе, которая обусловлена трением подводного объекта 2 и кабель-троса 6 о воду. Параметры регуляторов 37 и 39, входящих в управляющий блок 21, можно выбрать такими, что указанные отклонения среднего значения угла наклона стрелы 8 не будут превосходить нескольких градусов.
При остановленной подъемной лебедке и наличии перемещений стрелы 8, которые компенсируют влияние качки судна, головной 15 и дополнительный 16 блоки стрелы 8 практически не вращаются. Возникающие при этом изгибные деформации кабель-троса в местах его подхода к блоку 16 и схода с блока 15 незначительны и мало влияют на износ кабель-троса, что выгодно отличает предлагаемое устройство от его аналогов. Действие САУ положением стрелы 8 с отрицательной обратной связью по углу наклона стрелы 8 обеспечивает стабилизацию глубины погружения подводного объекта 2 при остановленной подъемной лебедке. Это свойство предлагаемого устройства выгодно отличает его от прототипа.
Таким образом, применение заявленного устройства повышает эффективность использования подводного объекта при нахождении его под водой в условиях развитого морского волнения.
Источники информации
1. United States Patent Application Publication, Pub. No.: 2005/0242332. / Shuji Ueki, Hirohumi Doi, Shogo Miyajima, Kenzo Hasegava, Hiroshi Satoh. Pub. Date: Jul.2, 2009. ([0026]-[0042], Fig.1, 2, 3 - первый аналог).
2. Авторское свидетельство СССР №559350, кл. Н02Р 5/06, В63В 27/08. Устройство для управления электродвигателем судовой лебедки. / Кувшинов Г.Е., Урываев К.П. // 1977, БИ №19 - второй аналог.
3. United States Patent Application Publication, Pub. No.: 2005/0242332. / Shuji Ueki, Hirohumi Dot, Shogo Miyajima, Kenzo Hasegava, Hiroshi Satoh. Pub. Date: Jul.2, 2009. ([0007]-[0009], Fig.4 - прототип).