СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ ОБЪЕКТОМ
METHOD OF CONTROLLING UNDERWATER OBJECT

Изобретение относится к автоматическому управлению подводными объектами с использованием судовых спускоподъемных устройств.
5
Известен способ управления подводным объектом [SU 714606 A1, МПК Н02Р 5/06, опубл. 05.02.1980], в котором управление скоростью судовой лебедки в режимах спуска и подъема подводного объекта осуществляют по сигналу с пульта управления, а в режиме стабилизации глубины погружения подводного объекта - по скорости качки грузового блока и по отклонению глубины погружения подводного объекта.
Указанное техническое решение не обеспечивает быстродействие контура управления подводным объектом на больших глубинах из-за упругих свойств кабель-троса и появления резонансов. Кроме того, резко сокращается срок службы кабель-троса из-за его частых изгибных деформаций при сматывании-наматывании на барабан лебедки, так как кабель-трос при прохождении через блоки допускает всего 1000-2000 изгибов.
6
Известен способ управления подводным объектом [RU 2114756 C1, МПК В63В 27/08, опубл. 10.07.1998], заключающийся в изменении длины, составленной из двух частей гибкой механической связи между подводным объектом и судном. Основное перемещение подводного объекта по вертикали при погружении осуществляют со стороны судна изменением длины первой части указанной связи, а дополнительное перемещение для стабилизации глубины погружения подводного объекта при морском волнении осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части гибкой связи.
Это изобретение не исключает появления ударных воздействий на подводный объект при достижении предельных изменений длины каната.
7
Известен способ управления подводным объектом [RU 2261191 C1, МПК В63В 27/08, опубл. 27.09.2005], заключающийся в изменении длины, составленной из двух частей гибкой механической связи между подводным объектом и судном. Основное перемещение подводного объекта по вертикали при погружении осуществляют со стороны судна изменением длины первой части указанной связи, а дополнительное перемещение подводного объекта для стабилизации глубины его погружения при морском волнении осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части гибкой связи, причем первое слагаемое усилия во второй части этой связи равно весу подводного объекта в воде, второе слагаемое усилия пропорционально отклонению длины этой части гибкой связи от ее математического ожидания, а третье слагаемое - пропорционально скорости изменения длины второй части гибкой связи. При этом дополнительные перемещения ограничивают пределами, которые определяют с учетом минимального и максимального допустимых значений длины второй части гибкой связи, а также математического ожидания и дисперсии ее длины, которые измеряют до времени выполнения дополнительного перемещения.
В этом изобретении для погружения и стабилизации подводного объекта в условиях морской качки формируют дополнительные перемещения подводного объекта на основе сигнала, полученного по косвенному показателю - математическому ожиданию изменения длины каната. Для вычисления этого показателя требуется определенное время, приводящее к запаздыванию дополнительного перемещения подводного объекта.
Известен способ управления подводным объектом [RU 2495784 C1, МПК В63В 27/08, опубл. 20.10.2013], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в изменении длины, составленной из двух частей гибкой механической связи между подводным объектом и судном. Основное перемещение подводного объекта по вертикали осуществляют со стороны судна изменением длины первой части указанной связи, а дополнительное перемещение осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части гибкой связи. Первое слагаемое усилия во второй части гибкой связи поддерживают равным весу подводного объекта в воде, а его дополнительное перемещение ограничивают пределами, которые определяют с учетом минимального и максимального допустимых значений длины второй части гибкой связи. Для дополнительного перемещения подводного объекта в процессе его погружения и последующей стабилизации используют заданную скорость судовой лебедки и измеряют скорость вертикального перемещения подводного объекта, затем сравнивают эти скорости и на основе их разности формируют второе слагаемое усилия во второй части гибкой связи для компенсации влияния морской качки.
Это изобретение не обеспечивает высокую точность стабилизации положения подводного объекта на заданной глубине в связи с большой погрешностью измерения малых вертикальных скоростей перемещения подводного объекта от действия морской качки.
Задачей изобретения является повышение точности стабилизации положения подводного объекта на требуемой глубине в условиях действия морской качки.
Поставленная задача решена за счет того, что способ управления подводным объектом, так же как в прототипе, заключается в изменении длины, составленной из двух частей механической связи между этим объектом и судном. Основное перемещение подводного объекта по вертикали осуществляют со стороны судна изменением длины первой части указанной связи, а дополнительное перемещение осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части механической связи. При этом первую составляющую усилия во второй части механической связи поддерживают равной весу подводного объекта в воде, а его дополнительное перемещение ограничивают пределами, которые определяют с учетом минимального и максимального допустимых значений длины второй части механической связи. Для дополнительного перемещения подводного объекта в процессе его погружения используют заданную скорость судовой лебедки и измеряют скорость вертикального перемещения подводного объекта, затем сравнивают эти скорости и на основе их разности формируют вторую составляющую усилия во второй части механической связи для компенсации влияния морской качки.
Согласно изобретению, при достижении подводным объектом заданной глубины погружения и переводе его в режим стабилизации измеряют отклонение натяжения каната от значения, соответствующего весу подводного объекта, и формируют вторую составляющую усилия во второй части механической связи для компенсации влияния морской качки.
В предложенном способе управления подводным объектом в режиме его стабилизации для компенсации влияния морской качки сигнал управления амортизирующей лебедкой формируют на основе отклонения натяжения каната от значения, соответствующего весу подводного объекта, а не на основе реального отклонения скорости вертикального перемещения подводного объекта от заданной скорости судовой лебедки, как в прототипе. Это обеспечивает компенсацию влияния на подводный объект морской качки и тем самым стабилизацию его положения на заданной глубине с высокой точностью.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства для управления подводным объектом.
На фиг. 2 представлен вид сигнала задатчика скорости судовой лебедки.
На фиг. 3 представлен сигнал скорости вертикального перемещения судна-носителя под действием морской качки.
На фиг. 4 представлен сигнал скорости вертикального перемещения подводного объекта в режиме погружения при морской качке с использованием заявляемого способа.
На фиг. 5 представлены графики сигналов скорости вертикального перемещения подводного объекта при морской качке, где а) - при стабилизации положения подводного объекта по сигналу отклонения натяжения каната, б) - при стабилизации по сигналу разностей скоростей судовой лебедки и подводного объекта.
На фиг. 6 представлены графики частотных характеристик, где а) - при стабилизации положения подводного объекта по сигналу отклонения натяжения каната, б) - при стабилизации положения подводного объекта по сигналу разностей скоростей судовой лебедки и подводного объекта.
Способ управления подводным объектом осуществлен с помощью устройства для управления подводным объектом 1 (ПО) (фиг. 1), который содержит судовую лебедку 2 (СЛ), установленную на судне-носителе 3 (СН), и амортизирующую лебедку 4 (АЛ), установленную на подводном объекте 1 (ПО). Кабель-трос 5 верхним концом намотан на барабан 6 судовой лебедки 2 (СЛ), а нижний конец кабель-троса 5 через крепление 7 прикреплен к корпусу подводного объекта 1 (ПО) с образованием петли между замковым соединением 8 и креплением 7. Верхний конец кабель-троса 5 через замковое соединение 8 и металлический стержень 9 связан с датчиком отклонения натяжения каната 10 (ДОНК). Верхний конец каната 11 связан с датчиком отклонения натяжения каната 10 (ДОНК), а нижний конец каната 11 намотан на барабан 12 амортизирующей лебедки 4 (АЛ).
Задатчик скорости 13 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ) соединен с входом первого управляющего блока 14 (УБ1), выход которого связан с управляющим входом электропривода 15 (ЭП1) судовой лебедки 2 (СЛ). На валу электропривода 15 (ЭП1) судовой лебедки 2 (СЛ) установлены барабан 6 и токосъемник 16 (ТС).
Выход второго управляющего блока 17 (УБ2) подключен ко входу электропривода 18 (ЭП2) амортизирующей лебедки 4 (АЛ). На валу электропривода 18 (ЭП2) установлены барабан 12 и измерительный преобразователь 19 (ИП) длины каната 11. Выход измерительного преобразователя 19 (ИП) подключен ко входу первого вычислительного блока 20 (ВБ1), первый и второй выход которого соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычислительного блока 21 (ВБ2). Третий вход второго вычислительного блока 21 (ВБ2) через крепление 7, нижний конец кабель-троса 5, замковое соединение 8, верхний конец кабель-троса 5, барабан 6 и первый вход токосъемника 16 (ТС) связан с задатчиком среднего значения 22 (ЗСЗ) длины каната 11, смотанного с барабана 12. Выход второго вычислительного блока 21 (ВБ2) связан с первым входом второго управляющего блока 17 (УБ2).
К первому входу сравнивающего устройства 23 (СУ) подключен выход измерительного преобразователя скорости вертикального перемещения 24 (ИПС) подводного объекта 1 (ПО). Второй вход сравнивающего устройства 23 (СУ) связан с задатчиком скорости 13 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ) через крепление 7, нижний конец кабель-троса 5, замковое соединение 8, верхний конец кабель-троса 5, барабан 6 и второй вход токосъемника 16 (ТС). Выход сравнивающего устройства 23 (СУ) подключен к первому входу переключателя 25 (П), второй вход которого подключен к выходу датчика отклонения натяжения каната 10 (ДОНК) натяжения каната 11. Выход переключателя 25 (П) подключен к входу второго управляющего блока 17 (УБ2).
В качестве электроприводов 15 (ЭП1), 18 (ЭП2) могут быть использованы электроприводы серии ЭПВ, выпускаемые предприятием «Электропривод». В состав электроприводов 15 (ЭП1), 18 (ЭП2) входят управляющие блоки 14 (УБ1) и 17 (УБ2), которые реализованы в виде усилителя полупроводникового линейного нереверсивного. В состав электропривода 15 (ЭП1) входит задатчик скорости 13, который представляет собой S-образный задатчик интенсивности. В качестве токосъемника 16 (ТС) может быть использован кольцевой токосъемник с двумя сигнальными контактами серии IST-SR060 компании «Kubler». Измерительный преобразователь 19 (ИП) длины каната 11 представляет собой датчик перемещения, выполненный на базе контактных потенциометрических преобразователей или на базе индуктивных, кодовых или иных бесконтактных преобразователей. Вычислительные блоки 20 (ВБ1) и 21 (ВБ2) могут быть представлены в виде контроллера или микроконтроллера. В качестве задатчика среднего значения 22 (ЗСЗ) длины каната можно использовать задатчик ручной РЗД-12. Сравнивающее устройство 23 (СУ) выполнено на базе операционного усилителя с отрицательной обратной связью. В качестве измерительного преобразователя скорости вертикального перемещения 24 (ИПС) можно использовать преобразователь скорости «Зенит-ИГП», выпускаемый ОАО «НТП НАВИ-ДАЛС».
В качестве переключателя 25 (П) может быть использован электронный коммутатор сигналов NM2113, а в качестве датчика отклонения натяжения каната 10 (ДОНК) - динамометр растяжения ДОР-3-100И (2).
Для проверки работоспособности способа управления подводным объектом 1 (ПО) проведено моделирование процессов управления в условиях морской качки с помощью приложения Simulink в пакете Matlab. Для этого выбраны минимальное и максимальное значения длины каната 11, равные соответственно 2 метра и 20 метров [Г.Е. Кувшинов, Л.А. Наумов, К.В. Чупина. Система управления глубиной погружения буксируемых объектов. Владивосток: Дальнаука, 2006. - 270 с.]. Вес подводного объекта 1 (ПО) был принят 5860 кг [Г.Е. Кувшинов, Л.А. Наумов, К.В. Чупина. Система управления глубиной погружения буксируемых объектов. Владивосток: Дальнаука, 2006. - 294 с.].
Работа судовой лебедки 2 (СЛ) определяется сигналом задатчика скорости 13 (ЗС) (фиг. 2) [Г.Е. Кувшинов, Л.А. Наумов, К.В. Чупина. Система управления глубиной погружения буксируемых объектов. Владивосток: Дальнаука, 2006. - 225 с.] и имеет режим разгона на интервале времени (t1-t2), режим работы с постоянной скоростью (t2-t3) и режим торможения (t3-t4). С момента времени t4 начинается режим стабилизации положения подводного объекта 1 (ПО).
В режиме погружения при поступлении сигнала задатчика скорости 13 (ЗС) на управляющий блок 14 (УБ1) электропривода 15 (ЭП1) судовая лебедка 2 (СЛ) начинает сматывать кабель-трос 5 с барабана 6 со скоростью, пропорциональной сигналу задатчика скорости 13 (ЗС). При этом подводный объект 1 (ПО), соединенный канатом 11 через датчик отклонения натяжения каната 10 (ДОНК), металлический стержень 9, замковое соединение 8 с кабель-тросом 5, начинает совершать вертикальное перемещение вниз.
В режиме погружения при отсутствии качки судна-носителя 3 (СН) скорость вертикального перемещения подводного объекта 1 (ПО) будет совпадать со скоростью судовой лебедки 2 (СЛ). В этом случае сигнал с измерительного преобразователя скорости 24 (ИПС) подводного объекта 1 (ПО) будет равен сигналу с задатчика скорости 13 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ) и выходной сигнал сравнивающего устройства 23 (СУ) будет равен нулю.
Влияние морской качки моделируется гармоническим сигналом скорости подъема и опускания судна-носителя 3 (СН) с амплитудой 1 м/с и частотой 1,5 рад/сек (фиг. 3).
В режиме погружения сигнал измерительного преобразователя скорости 24 (ИПС) подводного объекта 1 (ПО) вычитается в сравнивающем устройстве 23 (СУ) из сигнала задатчика скорости 13 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ). Выходной сигнал сравнивающего устройства 23 (СУ) проходит через переключатель 25 (П), управляющий блок 17 (УБ2) и поступает на электропривод 18 (ЭП2) амортизирующей лебедки 4 (АЛ), которая будет сматывать или наматывать канат 11 на барабан 12 в соответствии с сигналом сравнивающего устройства 23 (СУ). В результате амплитуда колебаний скорости подводного объекта 1 (ПО) от действия морской качки существенно снижается и имеет максимальное значение 0,01 м/с (фиг. 4).
-5
При достижении подводным объектом 1 (ПО) заданной глубины погружения (35 метров) сигнал задатчика скорости 13 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ) отключают и судовая лебедка 2 (СЛ) останавливается. С помощью переключателя 25 (Π) режим работы переключают с режима погружения на режим стабилизации положения подводного объекта 1 (ПО) в условиях морской качки. В этом режиме измеряют отклонение натяжения каната от значения, соответствующего весу подводного объекта 1 (ПО) с помощью датчика отклонения натяжения каната 10 (ДОНК) и его выходной сигнал подается на управляющий блок 17 (УБ2). Во время подъема судна-носителя 3 (СН) на волне натяжение в канате 11 возрастает, датчик отклонения натяжения каната 10 (ДОНК) измеряет значение положительного отклонения натяжения в канате 11 и после его усиления в управляющем блоке 17 (УБ2) амортизирующая лебедка 4 (АЛ) сматывает трос с барабана 12, не давая тем самым подниматься подводному объекту 1 (ПО). При опускании судна-носителя 3 (СН) на волне натяжение в канате 11 уменьшается, датчик отклонения натяжения каната 10 (ДОНК) измеряет значение отрицательного отклонения натяжения в канате 11 и после его усиления в управляющем блоке 17 (УБ2) амортизирующая лебедка 4 (АЛ) наматывает трос на свой барабан 12, что препятствует отпусканию подводного объекта 1 (ПО). Таким образом, обеспечивается демпфирование морской качки и сохранение практически неподвижного состояния подводного объекта 1 (ПО) на заданной глубине (максимальная скорость вертикального перемещения подводного объекта при амплитуде морской качки 1 м/с составляет всего 2,2×10 м/с, (фиг. 5, а). Если же в режиме стабилизации положения подводного объекта использовать способ управления, как в прототипе, по сигналу разностей скоростей судовой лебедки 2 (СЛ) и подводного объекта 1 (ПО), то подводный объект будет совершать вертикальные колебания со значительно большей скоростью, равной 0,01 м/с, что подтверждается путем проведенного моделирования (фиг. 5, б).
Анализ частотных характеристик по сигналу отклонения натяжения каната 11 (фиг. 6, а) и по сигналу разностей скоростей судовой лебедки 2 (СЛ) и подводного объекта 1 (ПО) (фиг. 6, б) показывает, что управление по сигналу отклонения натяжения каната 11 обеспечивает больший запас устойчивости, что увеличивает точность стабилизации положения подводного объекта 1 (ПО).