автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Стабилизация глубины погружения подводной зарядной станции для автономного необитаемого подводного аппарата

На правах рукописи

ЧЕПУРИН ПАВЕЛ ИГОРЕВИЧ

СТАБИЛИЗАЦИЯ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ ПОДВОДНОЙ ЗАРЯДНОЙ СТАНЦИИ ДЛЯ АНПА

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С ЛЕК 2013

Владивосток 2010

004617505

Работа выполнена в Институте проблем морских технологий ДВО РАН

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

заслуженный энергетик РФ, доктор технических наук, профессор Г. Е. Кувшинов

доктор технических наук,

профессор

А.А. Дыда

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ■ К.П. Урываев

Ведущая организация:

Дальневосточный федеральный университет

Защита состоится «29» декабря 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 212.055.03 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, Владивосток, Аксаковский переулок, 3, ауд. Б-107

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан ноября 2010 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Ю.М. Горбенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Прогресс в области исследования и освоения Мирового океана обусловлен, главным образом, развитием новых технических средств, в том числе, подводных аппаратов (ПА), среди которых особое место занимают быстро развивающиеся автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). Несмотря на многочисленные преимущества, АНПА присущ один существенный недостаток - это ограниченное время непрерывной работы, которое зависит от класса аппарата и его энерговооруженности. АНПА должен периодически возвращаться к судну-носителю из-за необходимости восстанавливать необходимую ёмкость аккумуляторной батареи (АБ), разряжающейся во время выполнения подводных работ. Кроме того, доля рабочего времени АНПА в общей продолжительности нахождения судна-носителя в районе проведения подводных работ сокращается также тем, что операции спуска АНПА на воду и его подъёма на борт судна можно проводить только при малой интенсивности морского волнения.

Можно значительно уменьшить указанные потери времени, если заряжать АБ АНПА под водой, поблизости от места его работы. Для этого с судна-носителя опускается подводная зарядная станция (ПЗС). В её состав входит подводный блок зарядного устройства, к которому пристыковывается АНПА на время зарядки его АБ.

Целесообразно выполнение функций спуска под воду и подъёма на борт судна АНПА и ПЗС возложить на одно спускоподъёмное устройство (СПУ). При этом эффективность использования АНПА можно значительно увеличить, если СПУ способно компенсировать влияние качки судна на глубину погружения ПЗС при допустимой интенсивности морского волнения. Без этого возможность проведения операции стыковки АНПА с ПЗС при наличии выраженного морского волнения или чрезвычайно затруднена, или полностью исключается. Как правило, для крупных АНПА СПУ размещаются на корме судна-носителя, поэтому для снижения амплитуды качки грузового блока СПУ, судно располагают встречно волнению. В этом случае на грузовой блок СПУ будет действовать преимущественно продольная качка, которая совмещает два вида качки: вертикальную и килевую.

Обычно используемое при проектировании морских подвижных объектов исследование влияния морского волнения в частотной области не может достоверно разрешить некоторые важные задачи, например, учёт влияния ограничений приводов СПУ по скорости и моменту. Известные методики, обеспечивающие моделирование во временной области ряда случайных процессов, не позволяют моделировать совместное действие вертикальной и килевой качек судна. Обладают недостатком и известные математические модели нерегулярного морского волнения: у моделируемого морского волнения завышена ширина спектра, что проявляется в чрезмерном увеличении дисперсии ускорений ординат волнения.

Отсутствие адекватных математических моделей волнения моря и продольной качки судна может стать причиной неверного выбора параметров

СПУ, компенсирующего влияние качки судна на глубину погружения ПЗС. Это может привести не к уменьшению, а к увеличению размаха колебаний в воде.

Создание новых методик и математических моделей позволит разработать новое поколение СПУ, более надежных, эффективных и приспособленных для эксплуатации в условиях развитого морского волнения.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - разработка такого расположенного на судне спускоподъёмного устройства ПЗС, которое может компенсировать влияние на глубину погружения ПЗС совместного действия вертикальной и килевой качек судна-носителя, не вызывая повышенный износ троса.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Моделирование процесса качки точки подвеса троса СПУ, расположенного на корме, при продольной качке судна на встречном волнении.

2. Определение конструктивных особенностей СПУ с двумя электроприводами: спускоподъемным и компенсирующим влияние качки судна.

3. Разработка методики определения основных параметров СПУ, пригодных для расчёта мощности электроприводов СПУ.

4. Синтез комбинированной системы автоматического управления (САУ) глубиной погружения ПЗС с регулированием как по возмущению, так и по отклонению от заданного положения.

5. Определение параметров интегрирующих фильтров, предназначенных для расчёта скорости и перемещения качки точки расположения акселерометра, который измеряет ускорение качки.

6. Оценка погрешностей компенсации влияния нерегулярного морского волнения на работу САУ глубиной погружения ПЗС при продольной качке судна.

7. Исследование влияния ограничений САУ по скорости и моменту двигателя компенсаторного электропривода на погрешность компенсации влияния качки в зависимости от интенсивности морского волнения.

Объектом исследования является спускоподъёмное устройство ПЗС для автономного подводного аппарата, которое компенсирует влияние качки судна, а предметом исследования - совершенствование системы стабилизации и управления глубиной погружения привязного подводного объекта, подверженного совместному действию вертикальной и килевой качек судна-носителя.

Методы исследований, достоверность результатов. Решение поставленных задач основано на использовании теории корабля, теоретической механики и теории автоматического управления. Решение дифференциальных уравнений выполнено с помощью преобразования Лапласа. Широко применялись методы аппроксимации, численного моделирования, теории вероятностей и математической статистики. Исследование предложенных в работе методов и математических моделей проводилось с использованием прикладного пакета МАТЬАВ 7.0, а также системы символьной математики Мар1е 13.

Достоверность проведённых исследований подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью изучаемым процессам, близостью полученных теоретических результатов с данными эксперимен-

тов и результатами исследований других авторов. Анализ показал, что результаты, полученные путём расчёта в частотной области и путём моделирования во времени, близки между собой, тем самым подтверждается их достоверность.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана методика получения дробно-рациональной аппроксимации расчётного спектра морского волнения, позволяющая производить расчёты во временной области с требуемой точностью, находить ширину спектра, дисперсию ускорений и рывков волновых ординат, а также средний период скоростей и ускорений волновых ординат. В частности, синтезирована дробно-рациональная спектральная плотность SAS{x), которая аппроксимирует международный спектр 12-ой МКОБ. Особенности спектра Sn(x) позволяют, во-первых, уменьшить отличие дробно-рационального спектра от исходного экспоненциального спектра, и, во-вторых, снизить излишнюю хаотичность имитируемого случайного процесса.

2. Разработана методика синтеза передаточной функции вертикальной качки судна на основании полного дифференциального уравнения с использованием постоянных значений её параметров, соответствующих значению собственной угловой частоты этой качки, значительно снижающая трудоёмкость вычислений. Это упрощение, открывающее возможность моделировать случайный процесс вертикальной качки, не приводит к заметному отличию известной и полученной, на основании указанной передаточной функции, частотных характеристик вертикальной качки.

3. Синтезированная линеаризованная передаточная функция килевой качки судна пригодна для численного моделирования этого процесса. При этом отличие частотных характеристик известных моделей килевой качки и соответствующей предложенной передаточной функции находится в допустимых пределах. Известные модели килевой качки, в виде её частотных характеристик не позволяют непосредственно перейти от них к передаточной функции, что исключало ранее возможность моделирования процесса килевой качки во временной области.

4. Предложен способ замены редукционных функций вертикальной и килевой качек судна, расположенного навстречу морскому волнению, передаточными функциями, что позволяет при моделировании продольной качки во временной области учитывать отношение длины волны к длине судна, а также форму его ватерлинии.

5. Синтезирована методика аппроксимации модуля редукционных коэффициентов вертикальной и килевой качек.

6. Предложен и разработан способ компенсации влияния продольной качки судна-носителя на глубину погружения ПЗС. Такое решение повышает эффективность использования ПЗС при нахождении её под водой в условиях развитого морского волнения. Возникающие при компенсации качки судна изгиб-ные деформации кабель-троса СПУ незначительны и мало влияют на его износ, что выгодно отличает предлагаемое устройство от его аналогов.

7. Разработана методика выбора параметров компенсаторного привода, обеспечивающего практически идеальную компенсацию продольной качки судна при допустимой интенсивности волнения.

8. Синтезирована комбинированная система автоматического управления глубиной погружения подводного объекта с управлением по одному задающему и трём основным возмущающим воздействиям: по ускорению, скорости и ординате качки судна.

9. Предложена схема ограничения выходных координат у регуляторов системы подчинённого регулирования.

Практическая ценность состоит в решении ряда важных прикладных задач, связанных с достижением высокой эффективности управления вертикальными перемещениями морских подводных объектов и расширением их функциональных возможностей. Проведенные исследования выполнялись в ИПМТ ДВО РАН в рамках госбюджетной темы «Исследование и разработка принципов создания многофункциональных и специализированных автономных необитаемых подводных аппаратов на основе прогрессивных технологий и роботизированных систем» № 01 2009 55364.

Разработанные методики и полученные результаты приведут к созданию нового поколения судовых спускоподъёмных устройств, более надежных и эффективных, конструктивные особенности которых и особенности их систем автоматического управления позволят практически идеально компенсировать влияние продольной качки судна на глубину погружения подводного объекта в условиях морского волнения. При этом увеличивается вероятность возможности проведения спускоподъёмных операций для АНПА и повышается надёжность предназначенного для этого оборудования.

Разработка подобного рода СПУ приведёт к значительному снижению затрат при проведении различного рода миссий, выполняемых АНПА.

Положения, выносимые на защиту.

1. Аппроксимация расчётного спектра морского волнения.

2. Математическая модель вертикальной, килевой и продольной качек судна, расположенного навстречу волнению.

3. Технические решения, которые обеспечивают компенсацию вертикальных колебаний глубины погружения ПЗС, вызванных морским волнением.

4. Особенности системы автоматического управления глубиной погружения подводного объекта.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на трёх международных и двух всероссийских научно-технических конференциях: «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 2009); «Sixth International Symposium on Underwater Technology» (Wuxy, China, 2009); «Технические проблемы освоения Мирового океана» (Владивосток, 2007, 2009), а также на научно-технических конференциях «Вологдинские чтения» ДВГТУ (2005-2009) и семинарах Института проблем морских технологий ДВО РАН (2008-2010).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 печатных научных работ, в том числе одна работа опубликована в журнале, рекомендо-

ванном ВАК, три - в материалах международных конференций, получен один патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 13 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования.

Первая глава посвящена рассмотрению основных типов СПУ, предназначенных для спуска с судна-носителя и подъёма на борт различного рода объектов в морских условиях, с точки зрения их конструктивных особенностей и структуры систем автоматического управления глубиной погружения подводного объекта (САУГПО).

Анализ различных существующих вариантов СПУ показал, что для выполнения спускоподъёмных операций с подводными объектами (ПО), связанными с судном кабель-тросом, пригодны только те СПУ, которые снабжены двумя механизмами, с двумя отдельными двигателями. Первый механизм - это грузовая лебёдка, осуществляющая основное перемещение подводного объекта. Второй механизм - это компенсаторная лебёдка (КЛ), устраняющая влияние качки судна без перемещения кабель-троса по блокам, размещённым на подвижном элементе этого устройства. При использовании СПУ, которые компенсируют влияние качки судна и оборудованы при этом только одним двигателем, ресурс медных жил кабель-троса расходуется за несколько десятков минут работы в условиях морского волнения с интенсивность 3-4 балла.

Используемые в настоящее время двухдвигательные СПУ, компенсирующие влияние качки судна, не могут обеспечивать постоянство глубины погружения подводного объекта, так как у них перемещение подвижного элемента компенсаторного устройства является ненаблюдаемой величиной. Таким образом, необходимо выполнить разработку СПУ подобного типа, но пригодного для длительного поддержания неизменной глубины погружения ПО.

Параметры двухдвигательных СПУ напрямую зависят от статистических характеристик продольной качки судна. Для разработки таких СПУ необходимо создать методику выбора их параметров на основании данных как ПО, так и продольной качки заданной интенсивности. Последние данные целесообразно получить путём моделирования во временной области случайного процесса этой качки.

Во второй главе рассматриваются основные статистические характеристики, соответствующие общепринятой математической модели нерегулярного морского волнения, анализируются расчётные спектры и кинематика точки подвеса троса (нока подъёмно-опускной стрелы СПУ) при продольной качке судна на нерегулярном морском волнении.

Для количественной оценки нерегулярного морского волнения используется энергетический спектр волн (в дальнейшем спектр). В качестве математического описания спектра волнения широко применяется группа так называемых экспоненциальных спектров, к которой относятся спектры: Вознесенского-Нецветаева, 12-ой Международной конференции опытовых бассейнов (МК0Б/1ТТС), Пирсона-Московица, Бретшнейдера, Дарбишайера, II Международного конгресса по конструкции судов (ТЭБС), ДЖОНСВЭП и некоторые другие.

Для удобства расчётов и анализа выполнено нормирование спектров. В качестве базисной величины принято отношение дисперсии волновых ординат к угловой частоте максимума спектра сот, которая является базисной для

угловой частоты со. Тогда дисперсия нормированного волнового процесса будет равна единице.

Для спектров 12-ой МКОБ, Пирсона-Московица и II МККС не может быть вычислена ширина спектра и средний интервал времени между последовательными максимумами волнового профиля, так как дисперсия ускорения волновых ординат принимает бесконечное значение. По этой причине моделируемое с помощью этих спектров волнение будет более хаотичным, чем реальное. Однако при аппроксимации широко распространённого спектра 12-ой МКОБ дробно-рациональной функцией этот недостаток можно исправить.

В результате исследований, выполненных в ДВГТУ, получен нормированный дробно-рациональный спектр 536(х), устраняющий эти недостатки исходного нормированного спектра 12-ой МКОБ, однако обладающий другими не менее существенными недостатками. Здесь х = со!сот - относительная частота; со - угловая частота; ш,„ - частота максимума спектра. Разность степеней полиномов знаменателя и числителя такого спектра равна шести. Поэтому дисперсия рывков волновых ординат для него принимает бесконечное значение, а средний период ускорений волновых ординат равен нулю.

Таким образом, необходимо синтезировать нормированный дробно-рациональный спектр, свободный от недостатков спектра ¿^(.х). Полученный спектр 548(л:) имеет большую, чем у 5и(х), разность степеней полиномов знаменателя и числителя, что позволяет, во-первых, уменьшить отличие дробно-рационального спектра от экспоненциального спектра 12-ой МКОБ, и, во-вторых, снизить излишнюю хаотичность имитируемого случайного процесса. В полученных с помощью такого спектра реализациях случайного процесса морского волнения наблюдается меньшее количество вторичных экстремумов. Полученный спектр имеет вид: (1)

5 , , _З8,492я-Ж8_

48 (/ -1,021*2 +2,бб2)(х4 -1,095х2 + 0,441)(х4 -1Д52х2 + 0,885)(х4 -7,569х2 +46,602)' На рисунке 1 показаны графики функций исходной (х) (сплошная линия) и её аппроксимирующих расчётных нормированных спектров Б36(х) (пунктирная кривая) и Бы(х) (штрихпунктирная кривая), а также графики их

абсолютных погрешностей (сплошная линия - график разности исходного спектра (х) и 548(л) , штриховая кривая - (х) и ¿^(х)).

а) б)

Рис. 1 - Графики спектров и их абсолютных погрешностей

Максимальная погрешность аппроксимирующего синтезированного спектра 548(х) составляет 31,8 %.

Реализация случайного процесса с заданной спектральной плотностью получается путём преобразования сигнала «белый шум» с помощью фильтра, имеющего дробно-рациональную передаточную функцию. Квадрат модуля частотной характеристики фильтра равен спектральной плотности морского волнения. Для 548(л:) передаточная функция формирующего фильтра выглядит следующим образом:

10,996

(2)

+1,497,5 +1,631) 2 + 0,483^ + 0,664) (.г2 + 0,854* + 0,941) (я2 + 2,466.5 + 6,826) где .у - оператор Лапласа.

На основании нормированной спектральной плотности £48(х) и значений параметров нерегулярного волнения были получены соответствующие расчётные спектральные плотности для степеней волнения от трёх до пяти баллов и затем трансформированы в передаточные функции аналоговых формирующих фильтров, пригодных для численного моделирования нерегулярного морского волнения соответствующей интенсивности.

Расчёт и моделирование продольной качки судна до сих пор остаётся актуальной проблемой при разработке техники освоения мирового океана. В связи с этим ставилась задача разработать математическую модель продольной качки судна и её воздействие на ПЗС, связанную с судном посредством гибкой механической связи. В качестве расчётного вида качки точки подвеса троса следует использовать вертикальную составляющую продольной качки судна, расположенного навстречу волне, как создающую наименьшую дисперсию перемещений этой точки. Спектральная плотность вертикальной составляющей продольной качки точки подвеса троса находится с учётом спектральной плотности морского волнения и амплитудно-частотной характеристики вертикальной со-

ставляющей продольной качки судна при его расположении навстречу волне, способ расчёта которой следует определить. Для этого были рассмотрены составляющие продольной качки судна в отдельности с учётом их редукционных функций.

Была разработана методика синтеза передаточной функции вертикальной качки судна (5) на основании его полного дифференциального уравнения с

использованием постоянных значений её параметров, соответствующих собственной угловой частоты этой качки. Это упрощение, открывающее возможность моделировать случайный процесс вертикальной качки, не приводит к заметному отличию известной и полученной, на основании указанной передаточной функции, частотных характеристик вертикальной качки. В диапазоне частот качки судна со = 1,05 +1,7 с"1, соответствующей интенсивности морского ветрового волнения от трёх до пяти баллов, максимум погрешности АЧХ не превосходит 13 %, что вполне приемлемо для дальнейшего использования.

Известные модели килевой качки, в виде её частотных характеристик, не позволяют непосредственно перейти от них к передаточной функции, что исключало ранее возможность моделирования процесса килевой качки во временной области и, соответственно, продольной качки. Синтезированная линеаризованная передаточная функция килевой качки судна избавлена от этого недостатка. При этом отличие частотных характеристик известных моделей килевой качки и соответствующей предложенной передаточной функции находится в допустимых пределах.

Линеаризованная передаточная функция килевой качки без учёта редукционной функции имеет вид:

2 Г" (3)

где 2уу - относительный коэффициент демпфирования килевой качки; -собственная угловая частота килевой качки; g = 9,%\м|c2 - ускорение свободного падения; Ьк - расстояние от центра тяжести судна до оконечности его кормы.

Предложен способ замены редукционных функций вертикальной и килевой качек судна, расположенного навстречу морскому волнению, передаточными функциями (.?) и IV(.?), что позволяет моделировать продольную

качку во временной области, учитывая отношение длины волны к длине судна, а также форму его ватерлинии.

На рисунке 2 показаны графики модулей редукционных функций (сплошные кривые) вертикальной |^с(ш)| и килевой |х,,(<у)| качки судна, а также их

аппроксимирующие функции (штриховые линии) ^ (ю)| и (со)|.

Рис. 2 - Графики модулей редукционных функций вертикальной и килевой качки судна и их аппроксимации

Достаточная близость полученных редукционных функций к исходным обеспечена тем, что в аппроксимированной редукционной функции для килевой качки удалось воспроизвести три первых нуля, а для вертикальной - пять. Из-за громоздкости эти выражения здесь не приводятся.

На базе пакета БипиНпк системы МАТЬАВ разработана и исследована структурная схема численного моделирования продольной качки судна на нерегулярном морском волнении, которая приведена на рисунке 3.

Рис. 3 - Структурная схема моделирования продольной качки судна

Эта схема обеспечивает моделирование и расчёт параметров вертикальной и килевой качки при их отдельном и совместном действии. Получены те значения дисперсий, средних периодов и других параметров ординат, скоростей и ускорений продольной качки и её составляющих при волнении от трёх до пяти баллов, которые необходимы для выбора параметров компенсаторного устройства и его системы автоматического управления. Указанные параметры качки, при их расчёте в частотной и временной областях, оказались практически одинаковыми, что подтверждает справедливость принятых решений по способу и параметрам моделирования морского волнения и качки судна. Оказалось, что дисперсия перемещений продольной качки меньше чем дисперсия одной, большей, из её составляющих - килевой качки.

На рисунке 4 построены гистограммы ординат морского волнения для степени волнения четыре балла и вертикальных перемещений точки подвеса троса кормовой оконечности при той же интенсивности волнения, полученные в ре-

Ф<и.<|(2„.)

зультате численного моделирования, совместно с графиками плотностей распределения при объёме выборок 1-Ю6 отсчётов. Гистограмма и график плотности распределения, показанные тонкими линиями, соответствуют перемещениям ординат нерегулярного морского волнения, а утолщённой линией показана гистограмма и график плотности распределения, соответствующие вертикальным перемещениям точки подвеса троса кормовой оконечности судна.

Согласно построенной гистограмме, дисперсия вертикальных перемещений кормовой оконечности судна (точки подвеса троса) при продольной качке судна превышает дисперсию ординат нерегулярного морского волнения. Поэтому при проведении подводных работ необходимо компенсировать вызванные морским волнением колебания кормовой оконечности путём установки компенсаторного устройства на судне-носителе. Рис. 4 - Гистограммы ординат морского волнения и вертикальных перемещений точки подвеса троса

' В третьей главе компенсацию влияния продольной качки судна на глубину погружения ПЗС предложено осуществлять с помощью СПУ кормового типа, упрощённая схема которого представлена на рисунке 5.

I, I,

1 - барабан КЛ;

2 - трос КЛ;

3 - подвижный блок КЛ;

4 - барабан грузовой лебёдки;

5 - трос грузовой лебёдки;

6 - опорная колонна;

7 - дополнительный блок грузовой лебёдки;

8 - акселерометр;

9 - ось крепления стрелы;

10 - подъёмно-опускная стрела (П-рама);

11 - головной блок грузовой лебёдки;

12 - судно-носитель;

13-блок для ПЗС;

14-ПЗС

Рис. 5 - Предлагаемое СПУ кормового типа

Предлагаемое СПУ оборудовано двумя механизмами с двумя отдельными двигателями. Грузовая лебёдка осуществляет основное перемещение ПЗС. Компенсаторный механизм устраняет влияние качки судна-носителя на глубину погружения ПЗС путём изменения угла наклона подъёмно-опускной стрелы. В состав СПУ также входит кабельная лебёдка, которая обеспечивает сматывание-наматывание кабель-троса, поддерживая постоянным его натяжение. Эта лебёдка на рисунке не показана.

Конструктивные особенности такого СПУ позволяют использовать простой алгоритм идеальной компенсации влияния качки судна. При этом подъёмно-опускная стрела поворачивается вокруг своей оси 9 так, что обеспечивается постоянство абсолютной высоты оси головного блока 11 (по отношению к невзволнованной поверхности моря или к его дну). Такое решение повышает эффективность использования ПЗС при нахождении её под водой в условиях развитого морского волнения. Возникающие при компенсации качки судна изгиб-ные деформации кабель-троса СПУ незначительны и мало влияют на его износ, что выгодно отличает предлагаемое устройство от его аналогов.

Для технической реализации указанного алгоритма в состав САУ положением подъёмно-опускной стрелы вводится акселерометр 8, который измеряет ту проекцию ускорения оси крепления этой стрелы, которая перпендикулярна плоскости ватерлинии судна.

Перемещение хгб оси головного блока 11 стрелы СПУ относительно плоскости, которая параллельна плоскости ватерлинии судна и проходит через ось 9 стрелы 10, определяется выражением хгб=12ь\п<р, где /2 - расстояние между осью 9 стрелы 10 и осью головного блока 11, ф - угол наклона стрелы к плоскости ватерлинии судна.

При небольших углах поворота стрелы, по отношению к плоскости ватерлинии судна, приведённое выражение принимает вид ха ~ /2 (р.

Расстояние /2 должно быть достаточно большим, чтобы изменения угла ср лежали в пределах 15 - 20 градусов от нулевого значения в каждую сторону. Для рассматриваемого варианта СПУ принимались следующие расстояния: /, = 2 м, /2 = 8 м, й = 3 м. Для таких соотношений длин плеч допустимый угол наклона стрелы находится в пределах 15 градусов от нулевого положения в каждую сторону. При этом обеспечиваются вертикальные перемещения точки подвеса троса СПУ на высоту максимум до двух метров.

Максимальная интенсивность волнения, при которой СПУ ещё обеспечивает компенсацию влияния качки судна, ограничивается допустимой длиной плеча стрелы /2 от оси её крепления до оси головного блока. Для СПУ максимальным является волнение с интенсивностью четыре балла. При такой степени волнения амплитудные вертикальные перемещения кормовой оконечности судна, с обеспеченностью 3 %, составляют около двух метров.

В качестве двигателя грузовой лебёдки целесообразно использовать частотно-регулируемый короткозамкнутый АД. Выбор двигателя осуществляется по максимальному моменту, необходимому для удержания и подъёма ПЗС с помещённым в неё АНПА на воздухе, а также с учётом преодоления сил трения

ПЗС в вертикальном направлении при перемещениях в воде. Выбор по скорости двигателя должен обеспечить заданную максимальную технологическую скорость перемещения ПЗС V, = 0,5м/с как в воде, так и в воздухе.

Двигатель компенсаторного механизма должен развивать необходимый момент при переходе угловой скорости его вала через нулевое значение и в режиме стоянки. Этот момент определяется весом ПЗС и подъёмно-опускной стрелы, а также её угловым ускорением и моментом инерции. В качестве такого двигателя целесообразно использовать бесконтактный двигатель постоянного тока. Двигатель этого типа способен развивать большое значение момента и при стоянке, и при работе с ползучими скоростями, как в двигательном, так и в тормозном режимах. При этом выбор двигателя компенсаторного механизма осуществляется по максимальному моменту, необходимому для идеальной компенсации качки судна при допустимой интенсивности волнения. Выбор двигателя по скорости должен обеспечить требуемую скорость перемещения головного блока стрелы при максимуме допустимой степени волнения. Эта скорость определяется выражением:

где О^ - дисперсия скорости качки кормовой оконечности судна; /, - расстояние между осью 9 стрелы 10 и осью подвижного блока 3 КЛ.

Для рассматриваемого СПУ расчётная максимальная скорость подвижного блока 3 КЛ, с обеспеченностью 3 % равна V, = 0,48 м/с.

Таким образом, в диссертационной работе разработана методика определения основных параметров СПУ, пригодных для расчёта мощности электроприводов СПУ. Приведён пример расчёта следующих параметров грузовой лебёдки и КЛ: мощность и скорость лебёдок, а также электромагнитные моменты двигателей, геометрические размеры барабанов лебёдок и передаточные числа редукторов.

Четвертая глава посвящена синтезу системы автоматического управления глубиной погружения подводного объекта (САУГПО), а именно была предложена структура САУГПО, произведён синтез её регуляторов, предложен способ ограничения выходных координат системы. Также даны рекомендации по выполнению процесса моделирования системы.

В основе предлагаемой САУГПО комбинированного регулирования лежит широко известный принцип построения систем подчинённого регулирования (СПР), дополненный новыми особенностями. В ней регулирование по отклонению угла наклона подъёмно-опускной стрелы относительно ватерлинии судна совмещено с регулированием одновременно по трём видам возмущения: ускорению хс, скорости хса и ординаты хт качки оси крепления подъёмно-опускной стрелы. На рисунке 6 приведена функциональная схема предлагаемой

(4)

САУГПО.

-электрические связи; > механические связи

ПУ - пост управления; ЗИП - задатчик интенсивности положения; РП - регулятор положения; ФИ - фильтр интегрирующий; РС - регулятор скорости; РТ -регулятор тока; ЭП - электрический преобразователь; Д - двигатель; ПМ - передаточный механизм KJ1; ГСТ - грузовая стрела; ПЗС - подводная зарядная станция; ИППС - измерительный преобразователь перемещений грузовой стрелы; ИПС - измерительный преобразователь скорости двигателя; ИПТ - измерительный преобразователь тока двигателя

Первый, внутренний контур СПР - это контур тока (момента) двигателя. Второй, средний - контур скорости. А третий, наружный - контур положения (глубины погружения) ПЗС. В рассматриваемом случае третий контур предназначен для стабилизации заданного среднего значения угла наклона стрелы (высоты головного блока стрелы по отношению к ватерлинии судна).

Привод компенсаторного устройства входит в состав системы автоматического управления моментом (САУМ), который создаёт привод компенсаторного двигателя и приложен к подъёмно-опускной стреле. САУМ является подсистемой САУ положением стрелы, то есть САУГПО.

Синтезируемая САУ должна обеспечить выполнение следующих четырёх условий: быть устойчивой; быть грубой (робастной); максимально возможно компенсировать перемещения ПЗС, вызванные продольной качкой судна; обеспечивать качественные переходные процессы при изменении заданного значения угла наклона стрелы.

В известных САУГПО частота среза разомкнутого контура положения выбирается такой низкой, чтобы переменная составляющая сигнала обратной связи, подводимого к входу РП, не создавала на входе РС сигнал, искажающий компенсирующее действие сигнала по возмущению - скорости качки судна хса, поступающего на вход РС. Поэтому быстродействие по задаваемому с ПУ управлению средним положением стрелы у таких САУГПО оказывается недос-

таточным. Предложенное решение, которое заключается во введении на вход РП сигнала хса, полностью устраняет этот недостаток, обеспечивая необходимое быстродействие контура положения. Дополнительное снижение влияния качки судна достигается введением управления по другой возмущающей величине - ускорению качки хс - на вход РТ. Тем самым уменьшается запаздывание, обусловленное электромагнитными процессами в преобразователе ЭП и двигателе Д.

Точность компенсации достигается выбором параметров регуляторов САУ. Исследование показало, что высокое качество регулирования может быть получено при использовании простейших регуляторов типа П и ПИ, настроенных по критерию технического оптимума (ТО). При настройке внешнего контура положения по этому критерию был получен пропорционально-дифференцирующий регулятор ПД-РП. Однако для того, чтобы система была астатической по возмущению (по моменту нагрузки на валу компенсаторного двигателя), особенно при входе/выходе ПЗС в/из воды, в неё вводится пропорционально-интегрирующий регулятор ПИ-РП.

Кроме того, был предложен способ ограничения на допустимом уровне одновременно четырёх выходных координат СПР, в том числе содержащих интегральные составляющие. Таким образом, в схеме контролируются четыре выходные координаты (положение нока грузовой стрелы, скорости, тока и напряжения якорной цепи компенсаторного двигателя), что является несомненным преимуществом такой системы.

Результаты моделирования воздействия регулярного морского волнения на САУГПО показали, что при согласованном возрастании амплитуд возмущающих сигналов ускорения, скорости и ординаты качки судна, первым на ограничение выходит регулятор положения при интенсивности волнения пять баллов. Во вторую очередь на ограничение выходит регулятор скорости, при интенсивности волнения около шести баллов. Регулятор ЭДС выходит на ограничение третьим, при интенсивности волнения около семи баллов. В последнюю очередь происходит выход на ограничение регулятора тока при интенсивности волнения порядка восьми баллов. Таким образом, можно сделать вывод, что при волнении четыре балла САУГПО способна полностью отрабатывать задающие и возмущающие воздействия.

Также были рассмотрены зависимости изменения ошибок компенсации САУГПО от момента включения одновременно трёх возмущающих сигналов при нулевом задающем воздействии. Как показали результаты моделирования, от момента включения возмущающего сигнала по ординате качки в значительной степени зависит характер и продолжительность переходного процесса установления ошибки компенсации САУГПО. Причём разница в продолжительности переходных характеристик при этом может достигать тридцати и более раз.

Для выделения сигналов скорости и ординаты качки из сигнала ускорения использовались не традиционные интеграторы, в силу присущих им негативных факторов, а интегрирующие фильтры. При этом предлагаемые фильтры

приближённо, с допустимой погрешностью, интегрируют переменную составляющую выходного сигнала акселерометра, обеспечивая инвариантность результатов измерения от времени начала измерения и подавляя или ограничивая сигналы постоянных помех.

Произведенные оценки влияния объёма и продолжительности выборки на среднеквадратические значения перемещений нока стрелы при продольной качке судна показали, что для приемлемого результата моделирования перемещений нока стрелы, достаточно принять объём выборки равный vV = 2 ■ 105 отсчётов, а начинать выборку рекомендуется по истечении двукратного времени переходного процесса.

Синтезируемая система, как оказалась, практически не чувствительна (ро-бастна) к параметрическим возмущениям.

Для оценки эффективности работы САУ компенсаторной лебёдки в режиме компенсации качки были оценены относительные среднеквадратические значения погрешностей компенсации продольной качки судна в зависимости от количества подключаемых каналов возмущения.

На рисунке 7 приведены графики погрешностей компенсации влияния продольной качки на вертикальные перемещения грузового блока подъёмно-опускной стрелы при интенсивности волнения четыре балла, полученные в результате моделирования работы САУГПО с управлением по одному (сплошная кривая), двум (пунктирная кривая) и трём (штриховая кривая) возмущающим воздействиям. Графики показаны на временном интервале от 250 до 300 с, по истечении времени переходных процессов в блоках, моделирующих морское волнение и качку судна, и в интегрирующих фильтрах.

Рис. 7 - Графики погрешностей компенсации продольной качки судна

В таблице приведены, найденные во временной области, среднеквадратические значения погрешностей компенсации <тлг продольной качки судна при воздействии волнения четыре балла в зависимости от количества подключаемых каналов возмущения. Дополнительные цифры в нижних индексах а^ соответствуют номеру канала управления по возмущению: 1 - по ускорению, 2 -по скорости, 3 - по положению.

1.5.

-0,0015

Таблица

Параметр Значение

Среднеквадратическое значение погрешности компенсации продольной качки судна а кг1,м 0,341

Среднеквадратическое значение погрешности компенсации продольной качки судна сгд223^ 2,МО"3

Среднеквадратическое значение погрешности компенсации продольной качки судна ашп,м 8,4-10-"

Результаты моделирования показали, что математическая модель предлагаемой САУГПО с одним возмущающим воздействием (скоростью качки кормовой оконечности судна) позволяет снизить влияние продольной качки судна-носителя при допустимой интенсивности волнения примерно в 1,7 раза, с двумя каналами (скорости и ординаты качки) - в 280 раз, с тремя возмущающими каналами (ускорению, скорости и ординаты качки) - приблизительно в 700 раз. При этом, полученные во временной области результаты отличаются от найденных в частотной области не более чем на 10 %, что вполне допустимо, учитывая случайный характер исследуемых процессов. На самом деле, из-за того, что в системе не учтены некоторые нелинейности, например, сухое трение в передаче, изменение приведённого к валу двигателя момента инерции подъёмно-опускной стрелы и другие, компенсация, естественно, будет не столь идеальной. К тому же погрешность компенсации будет зависеть от того, насколько полученные с помощью интегрирующих фильтров координаты качки будут близки к истинным. Соответственно, чем меньше это расхождение, тем точнее САУГПО будет отрабатывать основные возмущающие воздействия.

Синтезируемая САУГПО обладает высоким быстродействием (время регулирования t ~ 0,18 с) и достаточными запасами устойчивости, как по амплитуде (AL = 10,5 дБ), так и по фазе (Д<р = 106°) при максимальном перерегулировании сгптк=10%. Однако использование в системе задатчика интенсивности

позволило сократить перерегулирование переходной характеристики контура положения примерно в десять раз, до 1,1 %. При этом исключаются рывки стрелы, при переводе её в ненулевое заданное положение, и скорости компенсаторного двигателя.

Таким образом, предлагаемая САУ способна отрабатывать основные возмущающие воздействия на неё, при этом перемещения головного блока практически полностью компенсируют перемещения оси крепления стрелы, а усилия в тросах в точках, где они сходят с головных блоков, не изменяются и равны весу соответствующих участков тросов и ПЗС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных исследований получены следующие основные научные результаты и выводы:

1. Для моделирования нерегулярного процесса морского волнения синтезирован дробно-рациональный спектр, аппроксимирующий спектр 12-ой МКОБ, который позволяет производить расчёты во временной области с требуемой точностью.

2. Разработана методика синтеза передаточной функции вертикальной качки судна на основании полного дифференциального уравнения судна с использованием постоянных значений её параметров, соответствующих собственной угловой частоте этой качки, значительно снижающая трудоёмкость вычислений.

3. Синтезирована линеаризованная передаточная функция килевой качки судна, пригодная для численного моделирования этого процесса.

4. Предложен способ замены редукционных функций вертикальной и килевой качек судна, расположенного навстречу морскому волнению, передаточными функциями, что позволяет при моделировании продольной качки во временной области учитывать отношение длины волны к длине судна, а также форму его ватерлинии.

5. Разработана методика аппроксимации модуля редукционных коэффициентов вертикальной и килевой качек.

6. Обоснован способ компенсации влияния продольной качки судна-носителя на глубину погружения ПЗС в условиях развитого морского волнения.

7. Разработана методика выбора параметров компенсаторного привода, обеспечивающего практически идеальную компенсацию продольной качки судна при допустимой интенсивности морского волнения.

8. Синтезирована комбинированная система автоматического управления глубиной погружения подводного объекта с управлением по одному задающему и трём основным возмущающим воздействиям: по ускорению, скорости и ординате качки судна. Высокая эффективность такой системы доказана результатами компьютерного моделирования.

9. Предложена структура для ограничения выходных координат регуляторов положения, скорости и момента, входящих в систему подчинённого регулирования.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные в изданиях, определенных ВАК РФ

1. Кувшинов Г.Е., Чупина К.В., Радченко Д.В., Чепурин П.И. Оптимизация контура глубины подводного привязного объекта // Информатика и системы управления: Вып. 4 (18): Изд-во Амурский государственный университет, 2008. -С. 116-121.

Свидетельства о патентах и изобретениях

2. Спускоподъёмное устройство: пат. 1Ш 2381133 / Г.Е. Кувшинов, Л.А. Наумов, Чупина К.В., Радченко Д.В., П.И. Чепурин; патентообладатель ИПМТ -заявл. 04.06.2008; опубл. 10.02.2010, Бюл. №4.

Прочие публикации

3. Кувшинов Г.Е., Радченко Д.В., Чепурин П.И., Чупина К.В. Моделирование морского волнения в МАТЬАВ // Радиоэлектроника, информатика, электротехника. Часть II: Сб. матер, научн. конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С. 49-50.

4. Кувшинов Г.Е., Чепурин П.И. Передаточная функция судна, расположенного лагом к волнению // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2006. -С. 101-103.

5. Чепурин П.И. Частотные характеристики и передаточная функция вертикальной качки судна. Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тезис, докладов регион, науч.-техн. конф.: в 2 ч. 1. — Владивосток: ДВГТУ, 2007. - С. 186-188.

6. Кувшинов Г.Е., Чепурин П.И. Моделирование нерегулярной вертикальной качки судна Материалы научной конференции Вологдинские чтения. -Владивосток: ДВГТУ, 2007. - С. 78-81.

7. Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Чепурин П.И. Расчёт вертикальной качки судна. Технические проблемы освоения мирового океана: 2-я всероссийская науч.-техн. конф.: Матер, конф. Технические проблемы освоения мирового океана. - Владивосток: Дальнаука, 2007. - С. 151-154.

8. Кувшинов Г.Е., Радченко Д.В., Чепурин П.И., Чупина К.В. Способы уменьшения влияния морского волнения на глубину погружения привязного объекта // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Матер, науч. конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2008. - С. 153-156.

9. Кувшинов Г.Е., Чепурин П.И., Чупина К.В. Моделирование продольной качки судна во временной области при воздействии нерегулярного морского волнения // Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тезис, докладов регион. науч.-техн. конф.: в 2 ч. 2. - Владивосток: ДВГТУ, 2009. - С. 86-90,

10. Чепурин П.И. Расчет килевой качки судна // Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тезис, докладов регион, науч.-техн. конф.: в 3 ч. 3. -Владивосток: ДВГТУ, 2009. - С. 104-107.

11. Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Чупина К.В., Чепурин П.И. Моделирование продольной качки судна при воздействии нерегулярного морского волнения // Материалы 8-ой Международной научно-практической конференции: Сб. матер, научной конф. Проблемы транспорта Дальнего Востока. - Владивосток: ДВО Российской Академии Транспорта, 2009. - С. 14—16.

12. Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Чупина К.В., Радченко Д.В., Чепурин П.И. Математические модели продольной и поперечной качки судна и влияния качки на глубину погружения привязного подводного объекта // 3-я всероссийская науч.-техн. конф.: Матер, конф. Технические проблемы освоения мирового океана. - Владивосток: Дальнаука, 2009. - С. 111-116.

13. Кувшинов Г.Е., Чепурин П.И., Чупина К.В. Спускоподъемные операции для автономных необитаемых подводных аппаратов // Исследования по во-

просам повышения эффективности судостроения и судоремонта: Сб. науч. тр. Вып. 47. - Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2009. - С. 159-164.

14. Чепурин П.И., Чупина К.В., Радченко Д.В., Ханнанов A.M. Математическая модель бортовой качки судна-носителя // 8-я Международная научно-практическая конференция: Матер, конф. Проблемы транспорта Дальнего Востока. - Владивосток: ДВО Российской Академии Транспорта, 2009. - С. 16-17.

15. Чепурин П.И. Синтез САУ глубиной погружения подводного объекта // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2009. - С. 137-138.

16. Gennady Е. Kuvshinov, Kira V. Chupina, Dmitry V. Radchenko, Paul I. Chepurin Analysis of Towed Underwater Vehicle System Conduct Under Rough Sea Conditions: Proceedings of the Sixth International Symposium on Underwater Technology (UT2009). Wuxy, China, April 21-24, 2009. - P. 193-200.

17. Кувшинов Г.Е., Радченко Д.В., Чепурин П.И., Чупина К.В. Компенсация влияния продольной качки судна на глубину погружения подводного объекта // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: Сб. науч. тр. Вып. 48. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2010.

18. Семинары в ИПМТ (2008-2010 гг.).

Чепурин Павел Игоревич

СТАБИЛИЗАЦИЯ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ ПОДВОДНОЙ ЗАРЯДНОЙ СТАНЦИИ ДЛЯ АНПА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 19.11.2010 Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,27 Уч.-изд. л. 1,18 Тираж 100 Заказ 549 Типография ДВГТУ, 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СУДОВЫЕ СПУСКОПОДЪЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА.

1.1 Общая характеристика судовых спускоподъемных устройств и их классификация.

1.2 Способы проведения спускоподъемных операций.

1.3 Конструктивные особенности судовых СПУ.

1.4 Особенности систем автоматического управления глубиной погружения подводного объекта судовых СПУ.

1.5 Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ И ПРОДОЛЬНОЙ КАЧКИ СУДНА-НОСИТЕЛЯ.

2.1 Регулярное и нерегулярное морское волнение.

2.2 Синтез аппроксимирующего спектра.

2.3 Определение параметров фильтра, формирующего нерегулярное морское волнение.

2.4 Продольная качка судна.

2.5 Передаточная функция вертикальной1 качки судна на нерегулярном морском волнении.

2.6 Редукционная функция вертикальной качки судна, расположенного навстречу морскому волнению.

2.7 Передаточная функция килевой качки судна на нерегулярном морском волнении.

2.8 Редукционный коэффициент килевой качки судна.

2.9 Моделирование продольной качки судна, расположенного навстречу морскому волнению.

2.10 Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СПУ.

3.1 Конструктивные особенности СПУ.

3.2 Выбор параметров грузовой лебёдки.

3.3 Выбор параметров компенсаторной лебёдки.

3.4 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГЛУБИНОЙ ПОГРУЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА (САУГПО).

4.1 Функциональная схема САУГПО.

4.2 Синтез регуляторов САУГПО.

4.3 Ограничения координат САУ.

4.4 Интегрирующие фильтры.

4.5 Результаты моделирования САУГПО.

4.6 Выводы по четвёртой главе.

Прогресс в области исследования и освоения Мирового океана обусловлен, главным образом, развитием новых технических средств, в том числе, подводных аппаратов (ПА). Их совершенствование происходит быстрыми темпами. Интенсивное развитие подводного аппаратостроения определяется возросшими потребностями, при решении ряда прикладных задач. Среди них большое значение имеют разведка сырьевых ресурсов на дне морей и океанов, в частности, нефтяных и газовых месторождений, их разработка и обслуживание, поиск объектов на грунте, выполнение подъемных работ и многие другие.

По существенным признакам* все известные ПА могут быть подразделены на несколько классификационных групп, среди которых особое место занимают автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). Каждый класс аппаратов обладает своими преимуществами и недостатками, взаимно дополняя друг друга. К существенным преимуществам АНПА можно отнести следующие: высокая манёвренность, позволяющая проводить исследования в непосредственной близости к наблюдаемому объекту, в стеснённых условиях, например, внутри затонувшего судна; большее время автономной работы по сравнению с обитаемыми подводными аппаратами; возможность работы на предельных глубинах; отсутствие опасности для обслуживающего персонала и другие.

Тем не менее, АНПА присущ один существенный недостаток - это ограниченное время непрерывной работы, которое зависит от класса аппарата и его энерговооруженности. АНПА должен периодически возвращаться к судну-носителю из-за необходимости восстанавливать ёмкость аккумуляторной батареи (АБ), разряжающейся во время выполнения подводных работ. Доля рабочего времени АНПА в общей продолжительности нахождения судна-носителя в районе проведения подводных работ сокращается также тем, что операции спуска АНПА на воду и его подъёма на борт судна можно проводить только при малой интенсивности морского волнения.

Можно значительно уменьшить указанные потери времени, если заряжать АБ АНПА под водой, поблизости от места его работы. Для этого с судна-носителя опускается подводная зарядная станция (ПЗС). В её состав входит подводный блок зарядного устройства, к которому пристыковывается АНПА на время зарядки его АБ. Целесообразно выполнение функций спуска под воду и подъёма на борт судна АНПА и ПЗС возложить на одно спускоподъёмное устройство (СПУ). При этом ПЗС представляет собой контейнер, предназначенный для помещения в него АНПА при проведении спускоподъёмных операций и зарядки АБ АНПА. Для выполнения подводных работ АНПА выходит из контейнера, а затем возвращается в него.

Эффективность использования АНПА можно значительно увеличить, если СПУ способно компенсировать влияние качки судна на глубину погружения ПЗС при допустимой интенсивности морского волнения. Без этого возможность проведения операции стыковки АНПА с ПЗС при наличии выраженного морского волнения или чрезвычайно затруднена, или полностью исключается. Во время зарядки АБ ПЗС должна находиться на глубине 20-30 метров, так как на такой глубине влияние волнения, действующего на АНПА, пренебрежимо мало. Как правило, СПУ подобного назначения спускают с кормы судна-носителя. При работе СПУ судно, для снижения амплитуды качки грузового блока СПУ, располагают навстречу генеральному направлению распространения морских волн. В этом случае на грузовой блок СПУ будет действовать преимущественно продольная качка, которая совмещает два вида качки: вертикальную и килевую.

При разработке конструкции СПУ, его приводов и их систем автоматического управления необходимо исследовать влияние качки судна на работу СПУ. Обычно используемое при проектировании морских подвижных объектов исследование влияния морского волнения в частотной области не может достоверно разрешить некоторые важные задачи. К таким задачам относятся, например, учёт влияния ограничений приводов СПУ по скорости и моменту. Известные методики, обеспечивающие моделирование во временной области ряда случайных процессов: морского ветрового волнения, вертикальной качки судна, расположенного лагом к направлению распространения морских волн, и изменения глубины погружения привязного подводного объекта не позволяют моделировать совместное действие вертикальной и килевой качек судна. Обладают недостатком и известные математические модели нерегулярного морского волнения: у моделируемого морского волнения завышена ширина спектра, что проявляется в увеличенной дисперсии ускорений ординат волнения.

Затруднения в моделировании указанных процессов во временной области связаны с отсутствием, до недавнего времени, математических моделей продольной качки судна. Проблема заключается в том, что в известные выражения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) бортовой и килевой качки входит ряд коэффициентов, которые зависят от частоты. Поэтому для каждого вида качки необходимо определить аппроксимирующие дробно-рациональные выражения соответствующих передаточных функций.

Известные устройства для компенсации влияния качки судна с одним приводным двигателем СПУ из-за непрерывного процесса сматывания и наматывания троса на барабан лебёдки вызывают ускоренный износ троса (особенно кабель-троса). Известно также СПУ, имеющее две лебёдки. Одна из них расположена на судне, а другая, амортизирующая колебания грузового блока СПУ, помещается на привязной подводный объект. Такой вариант мало пригоден для СПУ ПЗС, так как он связан со значительным ростом размеров и массы как ПЗС, так и лебёдки СПУ. >

Целью диссертационной работы является разработка такого расположенного на судне спускоподъёмного устройства ПЗС, которое может компенсировать влияние на глубину погружения ПЗС совместного действия вертикальной и килевой качек судна-носителя, не вызывая повышенный износ троса.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: моделирование процесса качки точки подвеса троса СПУ, расположенного на корме при продольной качке судна на встречном волнении; определение конструктивных особенностей СПУ с двумя электроприводами: спускоподъемным и компенсирующим влияние качки судна; разработка методики определения основных параметров СПУ, пригодных для расчёта мощности электроприводов СПУ; синтез комбинированной системы автоматического управления (САУ) глубиной погружения ПЗС с регулированием как по возмущению, так и по отклонению от заданного положения; синтез интегрирующих фильтров, предназначенных для определения скорости и перемещения качки точки расположения акселерометра, который измеряет ускорение качки; оценка погрешностей компенсации при работе САУ глубиной погружения ПЗС при продольной качке судна на нерегулярном морском волнении; исследование влияния ограничений САУ по скорости и моменту двигателя компенсирующего электропривода на погрешность компенсации влияния качки в зависимости от интенсивности морского волнения.

Объект исследований - такое спускоподъёмное устройство ПЗС для автономного подводного аппарата, которое компенсирует влияние качки судна.

Предмет исследований - совершенствование системы стабилизации и управления глубиной погружения привязного подводного объекта, подверженного совместному действию вертикальной и килевой качек судна-носителя.

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующим:

1. Синтезирован такой дробно-рациональный спектр морского волнения, аппроксимирующий спектр 12-ой МКОБ, который свободен от недостатков исходного и полученных ранее аналогичных спектров и позволяет производить расчёты во временной области с требуемой точностью.

2. Разработана методика синтеза передаточной функции вертикальной качки судна на основании полного дифференциального уравнения судна с использованием постоянных значений её параметров, соответствующих собственной угловой частоте этой качки, значительно снижающая трудоёмкость вычислений.

3. Синтезирована линеаризованная передаточная функция килевой качки судна, пригодная для численного моделирования этого процесса. При этом отличие частотных характеристик известных моделей килевой качки и соответствующей предложенной передаточной функции находится в допустимых пределах.

4. Предложен способ замены редукционных функций вертикальной и килевой качек судна, расположенного навстречу морскому волнению, передаточными функциями, что позволяет при моделировании продольной качки во временной области учитывать отношение длины волны к длине судна, а также форму его ватерлинии.

5. Разработана методика аппроксимации модуля редукционных коэффициентов вертикальной и килевой качек.

6. Обоснован способ компенсации влияния продольной качки судна-носителя на глубину погружения ПЗС в условиях развитого морского волнения.

7. Разработана методика выбора параметров компенсаторного привода, обеспечивающего практически идеальную компенсацию продольной качки судна при допустимой интенсивности морского волнения.

8. Синтезирована комбинированная система автоматического управления глубиной погружения подводного объекта с управлением по одному задающему и трём основным возмущающим воздействиям: по ускорению, скорости и ординате качки судна. Высокая эффективность такой системы доказана результатами компьютерного моделирования.

9. Предложена структура для ограничения выходных координат регуляторов положения, скорости и момента, входящих в систему подчинённого регулирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных исследований получены научные результаты и изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых приведёт к созданию судового спускоподъёмного устройства подводного объекта новой разновидности - подводной зарядной станции (ПЗС). Такая станция обеспечивает зарядку аккумуляторов автономных подводных аппаратов без их подъёма на борт судна-носителя. Конструктивные особенности этого спускоподъёмного устройства и особенности его систем автоматического управления позволят практически идеально компенсировать негативное влияние качки судна на глубину погружения подводной зарядной станции в условиях развитого морского волнения. Разработка подобного рода СПУ приведёт к значительному снижению затрат при проведении различного рода миссий, поставленных перед АНПА.

1. Jane's ocean technology 1978. Jane's yearbook, London.

2. Линк Марион К. Окна в море / Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1978.

3. Шмаков М.Г. Специальные судовые устройства. М.: Судостроение, 1975. - 342 с.

4. Бугаенко Б.А., Магула В.Э. Специальные судовые устройства: Учебн. пособие. Л.: Судостроение, 1983. — 392 с.

5. Судовые устройства: Справочник / Под ред. М.Н. Александрова. Л.: Судостроение, 1987. - 656 с.

6. Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Чупина К.В. Системы управления глубиной погружения буксируемых объектов. Владивосток: Дальнаука, 2006. - 312 с.

7. Кулагин В.Д. Практические расчеты остойчивости, непотопляемости и ходкости судов. Л.: Судостроение, 1998. 200 с.

8. Jane's Underwater Technology 1999-2000.

9. Автономные необитаемые подводные аппараты / Под общ. ред. акад. М.Д. Агеева. Владивосток: Дальнаука, 2000. - 272 с.

10. Бугаенко Б.А. Динамика судовых спускоподъемных операций. Киев: Нау-кова думка, 2004. - 320 с.

11. Привязные подводные системы. Прикладные задачи статики и динамики / Н.И. Виноградов, М.Л. Гутман, И.Г. Лев, М.З. Нисевич. СПб.:Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004. 324 с.

12. Авторское свидетельство № 826538 СССР. Устройство для управления электродвигателем судовой лебёдки / Г.Е. Кувшинов, К.П. Урываев. Бюллетень № 16, 1981.

13. United States Patent Application Publication, Pub. No.: 2005/0242332 Hoisting device with vertical motion compensation function / Shuji Ueki, Hirohumi Doi, Shogo Miyajima, Kenzo Hasegava, Hiroshi Satoh. Pub. Date: Nov. 3, 2005.

14. Ягодкин В.Я. Электроприводы судовых грузовых механизмов: Учебн. пособие. СПб.: ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2004. - 196 с.

15. Кувшинов Г.Е., Чупина K.B. Спускоподъемное устройство. Патент на изобретение № 2114756С1 кл. 6В63 В27/ОВ. БИ № 19, 1998.

16. United States Patent Application Publication, Pub. No.: 2009/0166309 AI Hoisting device with vertical motion compensation function / Shuji Ueki, Hirohumi Doi, Shogo Miyajima, Kenzo Hasegava, Hiroshi Satoh. Pub. Date: Jul. 2, 2009.

17. Heave compensation system for deep water installation // J.W. Dalmaijer, IHC Gusto Engineering B.V., M.R.L. Kuijpers, Rexroth Hydraudyne B.V.

18. Воронов A.A. и др. Основы теории автоматического регулирования и управления. Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1977. - 519 с.

19. Теория автоматического управления. В 2-х ч. Ч. 1. Теория линейных систем автоматического управления / H.A. Бабаков, A.A. Воронов, A.A. Воронова и др.; Под ред. A.A. Воронова. М.: Высш. шк., 1986. - 367 с.

20. Лурье Б.Я., Энрайт П. Дж. Классические методы автоматического управления / Под ред. А. А. Ланнэ. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 640 с.

21. Цыпкин Я. 3. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977. -560 с.

22. Горовиц А. М. Синтез систем с обратной связью. М.: Советское радио, 1970.-600 с.

23. Авторское свидетельство № 559350 СССР. Устройство для управления электродвигателем судовой лебедки / Г.Е. Кувшинов, К.П. Урываев. Бюллетень № 19, 1977.

24. Ключев В. И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

25. Кувшинов Т.Е., Наумов Л.А., Чупина К.В. Влияние морского ветрового волнения на глубоководный привязной объект. Владивосток: Дальнаука, 2008.-215 с.

26. Кувшинов Г.Е., Подкорытова К.В. Синтез САУ амортизирующей лебедки подводного объекта / Труды ДВГТУ. Владивосток, 1997.

27. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 2. Статика судов. Качка судов / Под ред. Я.И. Войткунского. Л.: Судостроение, 1985. - 440 с.

28. Басин A.M. Качка судов. М.: Транспорт, - 1969. - 272 с.

29. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении. Л.: Судостроение, 1969. -432 с.

30. Ремез Ю.В. Качка корабля. Судостроение, 1983. 328 с.

31. Антоненко C.B., Суров О.Э. Качка судов: Учебн. пособие. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. - 102 с.

32. Лукомский Ю.А., Чугунов B.C. Системы управления морскими подвижными объектами. Л.: Судостроение, 1988. - 272 с.

33. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. СПб.: Питер, 2006. - 751 с.

34. Справочник по теории корабля: В трех томах, Т. 1. Гидромеханика. Сопротивление движению судов. Судовые движители / Под ред. Я.И. Войткунского. -Л.: «Судостроение», 1985. 768 с.

35. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Мореходность судов. Л.: Судостроение, 1982.-288 с.

36. Лукомский Ю.А., Корчанов В.М. Управление морскими подвижными объектами. СПб.: Элмор, 1996. - 320 с.

37. Ochi M. К., Bales S. L. Effect of various spectral formulations in predicting responses of marine vehicles and ocean structures / / Proc. Ann. 9-th Offshore Technol. Conf., Houston, US, 1977. Paper N OTC 2743, p. 133 148.

38. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа. -М.: Наука, 1965.-288 с.

39. Лукомский Ю.А., Чугунов B.C. Математические модели морских подвижных объектов в условиях ветро-волновых возмущений. Л.: ЛЭТИ, 1985. -45 с.

40. Гмурман В. Е. Теории вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 2003. — 479 с.

41. Кувшинов Г.Е. Управление глубиной погружения буксируемых объектов. Монография. — Владивосток: Изд-во Дальневосточного университета, 1987. — 148 с.

42. Дьяконов В. Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. — 448 с.

43. Кондрашов В.Е., Королева С.Б. MATLAB как система программирования научно-технических расчетов. Мир, 2002. 350 с.

44. Потемкин В. Вычисления в среде MATLAB. М.: Диалог-МИФИ, 2004. -714 с.

45. Дьяконов В. MATLAB 6: Учебный курс. СПб.: Питер, 2001. - 592 с.

46. Черных И. Simulink: среда создания инженерных приложений. М.: Диалог-МИФИ, 2003.-496 с.

47. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. -М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 576 с.

48. Теория автоматического управления. В 2-х ч. Ч. 2. Теория линейных систем автоматического управления / A.A. Воронов, Д.П. Ким, В.М. Лохин и др.; Под ред. A.A. Воронова. М.: Высш. шк., 1986. - 504 с.

49. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров. М.: Мир, 1984. -320 с.

50. Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Советское радио, 1973. -368 с.

51. Короткин С.И. Присоединенные массы судна: Справочник. Л: Судостроение, 1986.-312 с.

52. Бугаенко Б.А., Колтыго В.Д. Экспериментальное определение присоединенных масс жидкости при низкочастотных колебаниях / Судостроение: Респ. межвед. науч. — техн. сб. Вып. 36: Киев-Одесса, 1987. С. 27-32.

53. Сизов В.Г. Качка судов. Одесса: Феникс, 2008. 462 с.

54. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении. — Л.: Судостроение, 1969. 399 с.

55. Хаскинд М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля. М: Главн. редакция физ. - мат. лит. Изд-ва «Наука», 1973. - 327 с.

56. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование. М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

57. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003. - 604 с.

58. Кувшинов Г.Е., Радченко Д.В., Чепурин П.И., Чупина К.В. Моделирование морского волнения в МАТЬАВ // Радиоэлектроника, информатика, электротехника. Часть II: Сб. матер, научн. конф. Вологдинские чтения. Владивосток: ДВГТУ, 2005.-С. 49-50.

59. Кувшинов Г.Е., Чепурин П.И. Передаточная функция судна, расположенного лагом к волнению // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. Владивосток: ДВГТУ, 2006. — С. 101-103.

60. Чепурин П.И. Частотные характеристики и передаточная функция вертикальной качки судна. Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тезис, докладов регион, науч. техн. конф.: в 2 ч. 1. - Владивосток: ДВГТУ, 2007. - С. 186-188.

61. Чепурин П.И., Кувшинов Г.Е. Моделирование нерегулярной вертикальной качки судна Материалы научной конференции Вологдинские чтения. Владивосток: ДВГТУ, 2007. - С. 78-81.

62. Чепурин П.И., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А. Расчёт вертикальной качки судна. Технические проблемы освоения мирового океана: Матер. 2-ой Всероссийской науч. техн. конф. - Владивосток: Дальнаука, 2007. - С. 151-154.

63. Чепурин П.И. Расчет килевой качки судна // Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тезис, докладов регион, науч. техн. конф.: в 3 ч. 3. - Владивосток: ДВГТУ, 2009. - С. 104-107.

64. Patent Abstracts of Japan, Pub. No.: 2004/332890. Hoisting device with vertical movement compensation function / Shuji Ueki, Kano Koji, Hirofumi Doi, Shogo Mi-yajima, Hirano Susumu, Kenzo Hasegawa, Hiroshi Sato. Pub. Date: Nov. 25, 2004.

65. Шиффлер M., Пайер Г., Курт Ф. Основы расчёта и конструирования подъемно-транспортных машин: сокр. пер. с нем. М.: Машиностроение, 1980. -255 с.

66. Научно-технический сборник № 28 Российского Морского Регистра судоходства. СПб.: Морской Регистр, 2005.

67. Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов. — Л.: Судостроение, 1964.-412 с.

68. Сергеев С.Т. Стальные канаты. Киев: Техника, 1974. - 328 с.

69. Вайнсон A.JI. Подъемно-транспортные машины. М.: Машиностроение, 1989.-536 с.

70. Гернет М.М., Ратобыльский В.Ф. Определение моментов инерции. М: Машиностроение, 1969. - 247 с.

71. Кувшинов Г. Е., Чупина К. В. Основы электропривода. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1999.-221 с.

72. Гурович А. Н. Расчет и конструирование судовых грузовых устройств. JL, Судпромгиз, 1958. 287 с.

73. Судовые спускоподъемные устройства. Бугаенко Б.А., Резчик Ю.И., Сорокин Б.И., Хононов А.З. Л.: Судостроение, 1980. - 173 с.

74. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В. А. Елисеева, А. В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.

75. Справочник по электрическим машинам: В 2 томах. Т. 2 / Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1989.-688с.

76. Вольдек А.И. Электрические машины. Д.: Энергия, 1978. - 832 с.

77. Панкратов В.В. Вентильный электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и электровоза / Электронные компоненты. — 2007. № 2.

78. Спускоподъёмное устройство: пат. RU 2381133 / П.И. Чепурин, Г.Е. Кувшинов, JI.A. Наумов, Чупина К.В., Радченко Д.В.; патентообладатель ИПМТ -заявл. 04.06.2008; опубл. 10.02.2010, Бюл. №4.

79. Шипилло В. И. Автоматизированный вентильный электропривод. М.: Энергия, 1969.-400 с.

80. A.c. № 714606 СССР. Устройство для управления электродвигателем судовой лебедки / Г.Е. Кувшинов, К.П. Урываев. Бюллетень № 5, 1980.

81. Математические основы теории автоматического регулирования / В. А. Иванов, В. С. Медведев, Б. К. Чемоданов. М.: Высшая школа,1971. — 806 с.

82. Электротехнический справочник. В 3 томах. Т. 3: В 2 кн. Кн. 2. Использование электрической энергии / Под общ. Ред. профессоров МЭИ: И.Н. Орлова и др. 7-е изд., испр. И доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 616 с.

83. Хлыпало Е.И. Нелинейные корректирующие устройства в автоматических системах. JL: Энергия, 1973. - 344 с.

84. Нелинейные корректирующие устройства в системах автоматического управления / Под ред. Топчеева Ю.И. М.: Машиностроение, 1971. - 468 с.

85. Куликовский Р. Оптимальные и адаптивные процессы в системах автоматического регулирования. М.: Наука, 1967. - 380 с.

86. Красовский A.A., Буков В.Н. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами. — М.: Наука, 1977. 270 с.

87. Теория автоматического управления. / Под ред. В. Б. Яковлева. М.: Высшая школа, 2003. - 567 с.

88. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1971.-320 с.

89. Компьютерное моделирование систем управления движением морских подвижных объектов / Е.И. Веремей, В.М. Корчанов, М.В. Коровкин, С.В. Погожев. СПб.: НИИ Химии СПбГУ, 2002. 370 с.

90. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: «Машиностроение», 1978. -736 с.

91. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. -М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 576 с.

92. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB. СПб.: Питер, 2000. - 429 с.

93. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления: Учебн. Пособие. 2-е изд., стер. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.-256 с.

94. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования.-М.: Машиностроение, 1989. 752 с.

95. Gibson J. Е., "Nonlinear Automatic Control", McGraw-Hill, New York, 1963, P. 147-159.

96. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для ABM. М.: Энергия, 1978. -248 с.

97. Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В., Полищук И.А. Математическое моделирование систем автоматического регулирования с учетом ограничений на управление в пакете MATLAB. 189 с.

98. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: изд-во Энерго-атомиздат, 1990. 192 с.

99. Кувшинов Г.Е., Белов А.Г. Устройство для измерения переменной величины // Патент на изобретение RU 2139500 Бюл. 1999, №28.

100. Белов А.Г. Синтез измерительных преобразователей переменного тока для силовых преобразовательных устройств. Дисс. канд. техн. наук. М.: ВНТИЦ, №04.20.0015141,2000.

101. Теория автоматического управления. В 2-х ч. Ч. 1. Теория линейных систем автоматического управления / Под ред. A.A. Воронова. М.: Высш. шк.,1986. - 367 с.

102. Оптимизация контура глубины подводного привязного объекта // Кувшинов Г.Е., Чупина К.В., Чепурин П.И., Радченко Д.В. // Информатика и системы управления: Вып. 4 (18): Изд-во Амурский государственный университет, 2008. -С. 116-121.

103. Чепурин П.И. Синтез САУ глубиной погружения подводного объекта // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. Владивосток: ДВГТУ, 2009. - С. 137-138.