Управление движением планирующего научно-исследовательского зонда при исследовании параметров водной среды

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Самарский государственный технический университет

Управление движением планирующего научно-исследовательского зонда при исследовании параметров водной среды

К.Л. Куликовский

Структурная схема системы контроля и управления пространственным положением планирующего подводного зонда. Рассмотрена математическая модель движения зонда в вертикальной плоскости, позволяющая определять управляющие воздействия, необходимые для реализации заданной траектории движения.

Ключевые слова: модель, планирующий подводный зонд, траектория, управление, подвижная масса, балластная масса.

зонд подводный траектория модель

Одним из подходов к исследованию параметров водной среды (океанов, морей, водоёмов) является использование планирующих подводных зондов (ПЗ), которые могут продолжительное время самостоятельно исследовать водные пространства. Они погружаются на глубину до 2000 м и могут работать до 1 года без профилактического обслуживания. У ПЗ отсутствует традиционный движитель, что делает его сходным с воздушным планером, однако у него отсутствует управление положением крыла, а изменение положения в пространстве осуществляется смещением центра тяжести (ЦТ) и изменением плавучести.

Изменяя плавучесть, зонд то тонет (отрицательная плавучесть), то всплывает (положительная плавучесть). Для продвижения вперёд зонд снабжён крыльями с фиксированным положением, которые в результате обтекания потоком воды образуют подъёмную силу. Чтобы подъёмная сила крыла двигала зонд вперёд, при погружении создаётся дифферент на нос, при всплытии - на корму. Управление дифферентом осуществляется перемещением подвижной массы, расположенной внутри зонда, вдоль его оси, в результате чего смещается центр тяжести (ЦТ). Изменение курса происходит изменением крена ПЗ, который создаётся смещением подвижной массы относительно продольной оси в горизонтальной плоскости, в результате чего у подъёмной силы крыла появляется боковая составляющая.

Зонд несёт в себе аппаратуру, которая измеряет параметры водной среды.

Для управления движением зонда по заданной траектории необходимо разработать математическую модель движения, позволяющую связать требуемые параметры движения с управляющими воздействиями на элементы движителя во времени.

Структурная схема иконструктивное исполнение системы измерения и управления пространственным положением подводного зонда приведены на рис. 1 и 2.

На основании заложенной в запоминающем устройстве (ЗУ) траектории движения ПЗ во времени и в пространстве микроконтроллер (МКТ) вырабатывает управляющие сигналы, поступающие на двигатели (1 и 2), перемещающие подвижную массу, и насос, которым изменяется масса балластной жидкости закачкой (либо сбросом) забортной воды.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 1. Структурная схема системы контроля и управления пространственным положением ПЗ

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 2. Конструктивное расположение элементов системы контроля и управления пространственным положением ПЗ:

1 - корпус научно-исследовательского планирующего зонда; 2 - герметичный корпус подсистемы измерения; 3 (ИД) - датчики подсистемы измерения (крена, дифферента, направления, скорости); 4 (МКТ) - микроконтроллер; 5 - баллон с балластной жидкостью; 6 - насос; 7 - двигатели, перемещающие подвижную массу; 8 - подвижная масса; 9 - винтовой (ременный) привод; 10 - информационная шина

В случае необходимости траектория движения может корректироваться на основании данных о текущем пространственном положении ПЗ, полученных от подсистемы измерения, которая состоит из датчиков направления, крена, дифферента, скорости и давления. Корректировки вносятся также при каждом всплытии и получении координат GPS.

Рассмотрим подсистему управления без учёта коррекции траектории движения.

Для того чтобы осуществлять автоматическое управление перемещением ПЗ по запрограммированной траектории, разработаем математическую модель движения зонда, связывающую параметры заданной траектории движения в продольно-вертикальной плоскости с геометрическими параметрами корпуса зонда, массой балластной жидкости и положением подвижной массы.

Рассмотрим случай, когда зонд находится в покое. Представим условно подвижную массу (mm), массу балластной жидкости (mb) и постоянную массу аппаратуры (mw) внутри корпуса зондакак точечные массы, распределение которых представлено на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 3. Равновесие ПЗ в покое

На ПЗ действуют, с одной стороны, силы тяжести (Fg), с другой - гидростатические силы (Fw). Гидростатическая сила (Fw) определяется давлением воды на погруженную поверхность зонда и называется гидростатической поддерживающей силой. Согласно закону Архимеда она направлена вверх и по величине равна весу воды в объёме, ограниченном погруженной в воду поверхностью ПЗ.

Гидростатическая поддерживающая сила приложена в центре тяжести вытесненного ПЗ объёма воды. Эту точку называют центром водоизмещения (ЦВ) [1].

Зонд перемещается в жидкости со скоростью прямолинейного движения и угловой скоростью , выраженными относительно связанной системы координат (e1e2e3) (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 4. Движение зонда

Система уравнений движения планирующего зондапри периодическом погружении-всплытии и при отсутствии кренаимеет вид:

гдеб - угол атаки, - дифферент, D- лобовое сопротивление, L - подъемная сила,J2 -момент инерции, MDL - момент вязкости, как показано на рис. 5.

Используя теорию крыла в воздушном потоке [2, 3], представим модель сил и момента, действующих на ПЗ, в виде:

;

;

,

гдеKD0, KL0, KM0-позиционные, а KD, KL, KM - демпфирующие коэффициенты лобового сопротивления, подъёмной силы и момента вязкости.

Для разработки математической модели, связывающей параметры заданной траектории с управляющими воздействиями - массой балластной жидкости и положением подвижной массы, зададим траекторию двумя параметрами: углом скольжения (глиссады) оd = и - б искоростью.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 5. Подъемная сила и сопротивление ПЗ

В этом случае величина балластной массы будет определяться из следующего выражения:

Из соотношения для моментов, действующих на зонд при установившемся движении, определим положение подвижной массы для заданной величины скорости движения:

,

здесь - массы присоединённой жидкости.

Отсюда смещение подвижной массы в продольной оси:

при условиииd ? ± /2.

Изменяя параметры и в соответствии с соотношениями (5) и (6), ПЗ будет осуществлять движение по заданной траектории. Координаты положения зонда в продольно-вертикальной плоскости можно вычислить в любой момент времени по формуле

;

.

Полученная математическая модель позволяет определять управляющие воздействия, необходимые для реализации заданной траектории движения в продольной плоскости. Её использование позволяет определять координаты точек, в которых производятся измерения параметров водной среды. Использование подсистемы измерения положения в пространстве дает возможность производить коррекцию траектории при различных внешних воздействиях на зонд, таких как изменение плотности водной среды, наличие течений, турбулентности и т.д.

Библиографический список

ЕгоровВ.И. Подводные буксируемые системы. - Л.: Судостроение, 1981. - 304 с.

АржаниковН.С., СадековаГ.С. Аэродинамика летательных зондов. - М.: Высшая школа, 1983. - 359 с.

КрасновН.Ф. Аэродинамика. - М.: Высшая школа, 1976. - 384с.

Размещено на Allbest.ru