СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОРАБЛЯ ПО ГЛУБИНЕ
METHOD TO CONTROL SHIP DOWNWARD MOTION

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,
зд.
Δh=(h-h) - сигнал задания перехода по глубине,
зд.
h, h - текущая и заданная глубина корабля,
1
соотношение коэффициентов регулирования при K=1:
2
1
3
1
К=(10-70)К, К=(50-200)К.
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;
1
0
- выбор расчетной временной программы первого этапа управления Р производят по начальной (заданной) величине перехода Δh;
2 прог.
2 корр.
одерж.прог.
одерж.прог.
одерж.прог.
2
2
2
2
- выбор и момент включения расчетной временной программы второго этапа управления (Р или P) 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 dh/dt и скорости изменения глубины dh/dt от программных значений ускорения dh/dt и скорости изменения глубины dh/dt в расчетной точке включения второго импульса силы плавучести (при Δh=Δh).
зд.
0
0
зд.
0
0
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 используют для формирования начальной (заданной) величины перехода по глубине: Δh=h-h, где h - глубина в начальный момент перехода. Из блока задания Δh 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.
0
1
2 прог.
2 корр.
Сигнал начальной величины перехода Δh вводят в блок временных программ для выбора расчетных временных программ импульсов силы плавучести Р, Р (P) первого и второго этапов управления цистернами:
1
Сигнал выбранной программы P из блока временных программ вводят на вход двух цистерн.
Формирование сигналов программы второго этапа управления цистернами производится при выполнении условия:
одерж.прог.
3
1
2 прог.
где h=f (P) - расчетное значение глубины, когда должно производиться включение второй расчетной программы управления Р.
Сигнал второй расчетной программы управления формируют вида:
одерж.прог.
одерж.прог.
2
2
где dh/dt - программная скорость изменения глубины в расчетной точке включения второго импульса силы плавучести, dh/dt - программное ускорение глубины в расчетной точке включения второго импульса силы плавучести.
2 прог.
Сигнал второй расчетной программы Р 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:
2 корр.
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 вводят на вход цистерн.
0
Процесс ускоренного перехода корабля по глубине заканчивается, когда сигнал рассогласования по глубине будет меньше допустимой величины С 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,
2
- ускорения глубины с чувствительностью выше 0.01 м/с.
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.
зд.
0
0
зд.
Судоводитель задатчиком глубины 1 вводит заданную глубину h, 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: Δh=h-h.
0
0
0
Сигнал начального перехода по глубине Δh вводят на исполнительную часть штатной системы управления по глубине 3 для отключения ее. Сигнал Δh также вводят на вход блока временных программ 5, в котором осуществляется выбор временной программы заполнения (или продувания) цистерн в функции от перехода по глубине Δh:
1
0
Р=f(t, Δh).
1
1
0
одерж.прог.
1
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 P из блока 5 поступает на управление двумя цистернами 6. Процесс программного импульсного управления P=f(t, Δh) двумя цистернами продолжается до достижения кораблем глубины, соответствующей включению второго этапа управления: |h-h|<C.
одерж.прог.
2 прог.
зд.
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, если удовлетворяется условие (5), сигнал программы Р из блока 5 поступает на управление двумя цистернами 6. Процесс автоматического управления переходом на h заканчивается при удовлетворении условия (6), которое формируется в блоке 5.
2 корр.
зд.
При неудовлетворении условия (5) сформированный сигнал программы Р в соответствии с зависимостью (7) водится на вход двух цистерн 6. Процесс автоматического управления переходом на h 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.