Моделирование движения автономного необитаемого подводного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование движения автономного необитаемого подводного аппарата

Попко Артем Олегович

Аннотация

Синтез систем управления движением автоматических подводных средств движения представляет собой значительный интерес. На сегодняшний день, АНПА являются наиболее эффективным средством подводного мониторинга, особенно, если речь идет о работе в глубоководных районах и подо льдом. На этапе создания систем управления движением значительную роль играет качество экспериментальной отработки и отладки программного обеспечения будущей системы управления.

Ключевые слова: автономный необитаемый подводный аппарат, система управления движением, математическая модель движения.

Объектом исследования задач управления движением является вычисление заданий на исполнительные органы (ИО), которые должны создаваться по каждой из обобщенных координат управления. Для рассмотрения в настоящей статье рассматривается АНПА с крестообразным кормовым оперением (2 горизонтальных и 2 вертикальных руля с независимыми сервоприводами) и маршевым винтом, а также 6-ю подруливающими устройствами туннельного типа.

Как правило, осуществляется реализация следующих алгоритмов автоматического управления: винт подводный скорость

- автомат продольной скорости хода, который вычисляет требуемое воздействие от маршевого винта (МВ) для движения с заданной скоростью продольного хода;

- автомат курса, который вычисляет требуемое воздействие от вертикальных рулей (ВР) для движения с заданным курсом;

- автомат крена, который вычисляет требуемое воздействие от ВР для движения с минимальным креном;

- автомат дифферента, который вычисляет требуемое воздействие от ГР для движения с заданной глубиной погружения или глубиной под килем;

- автомат курса, который вычисляет требуемое воздействие от подруливающих устройств боковых (ПУб) для удержания заданного курса;

- автомат бокового перемещения, который вычисляет требуемое воздействие от ПУб для удержания заданной боковой координаты;

- автомат продольного перемещения, который вычисляет требуемое воздействие от МВ для удержания заданной продольной координаты;

- автомат крена, который вычисляет требуемое воздействие от подруливающих устройств вертикальных (ПУв) для удержания минимального значения крена;

- автомат дифферента, который вычисляет требуемое воздействие от ПУв для удержания минимального значения дифферента;

Каждый из автоматов имеет структуру, приведенную на рисунке 1. Вычислитель, входящий в состав автомата реализует алгоритм управления по одной из перечисленных выше координат. Таким образом, все перечисленные выше автоматы отличаются между собой только набором коэффициентов.

Назначение "вычислителя" - вычисление по входной информации заданного значения обобщенной силы или момента, которые должны создаваться ИО во время перехода заказа по координате управления и при последующей стабилизации координаты. Обобщенная сила или момент рассчитываются таким образом, чтобы на переходе и при стабилизации обеспечивалось слежение объекта управления за встроенной в "вычислитель" эталонной корректируемой моделью. Рассчитанные значения обобщенной силы и момента поступают в блок вычисления задания на ИО

Рисунок 1 - Блок схема задачи управления движением

Регуляторы предназначены для организации различных режимов движения АНПА:

1) крейсерское движение (на маршевом участке);

2) движение с малой скоростью и зависание;

Для осуществления крейсерского движения АНПА должны использоваться:

- кормовой движитель;

- вертикальные рули;

- кормовые горизонтальные рули.

Регуляторы должны функционировать на основе вычисления рассогласования между заданными и текущими значениями контролируемых параметров. Заданные значения и режимы движения должны поступать из координирующего уровня от программы-задания, текущие значения поставляются драйверами соответствующих устройств через базу данных.

Расчётная схема и основные системы координат (СК), использующиеся в расчётах, приведены на рисунке 2, где:

X, Y, Z - гидродинамические силы;

Mx, My, Mz - гидродинамические моменты;

Т, Mмд - тяга и некомпенсированный момент от движительного комплекса АНПА;

Тл и Тв - тяги вертикальных и боковых подруливающих устройств;

Fa - сила Архимеда;

V - скорость АНПА относительно неподвижной воды;

б, в - углы атаки и скольжения АНПА,

ЦВ - центр величины АНПА (совмещен с О); ЦМ - центр масс АНПА.

Оозж ? стартовая система координат;

Оо'з'ж' ? нормальная система координат с началом координат в центре величины АНПА, оси которой параллельны стартовой системе координат;

Oxyz ? связанная с изделием система координат с началом координат в его центре величины.

Углы между осями нормальной и связанной систем координат: ш - угол дифферента, ц - угол рыскания, и - угол крена аппарата.

Рисунок 2 ? Схема расчёта

Уравнения движения подводного аппарата имеют вид:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

где:

V' ? скорость АНПА относительно воды;

Vx', Vy', Vz' ? проекции скорости АНПА относительно воды на оси связанной системы координат;

Vx, Vy, Vz ? проекции скорости АНПА относительно стартовой системы координат на оси связанной системы координат

б, в ? углы атаки и скольжения АНПА в радианах;

о, з, ж ? текущие координаты АНПА в стартовой системе координат;

ш, ц, и ? углы дифферента, рыскания и крена АНПА;

щx, щy, щz ? проекции угловой скорости АНПА на оси связанной системы координат;

щx', щy', щz' ? проекции угловой скорости АНПА относительно воды на оси связанной системы координат;

? проекции скорости течения на оси связанной системы координат;

лij ? присоединённые массы, статические моменты и моменты инерции АНПА;

m ? масса АНПА с учётом массы воды в проницаемых объёмах;

Jxy ? центробежный момент инерции АНПА;

Jx, Jy, Jz ? осевые моменты инерции АНПА;

h ? отстояние центра масс от центра величины по оси Y;

nВ ? частота вращения гребного винта АНПА;

JВ, ДJВ ? моменты инерции винта АНПА и механически связанных с ним элементов, приведённые к частоте вращения винта;

Sm, L ? характерная площадь и длина АНПА;

W ? общий объём АНПА;

с ? плотность воды;

g ? ускорение свободного падения;

Сx, Сy, Сz,

mx, my, mz ? коэффициенты гидродинамических сил и моментов, действующих на изделие;

,, ? вращательные производные коэффициентов нормальной и боковой гидродинамической сил;

? вращательные производные коэффициентов гидродинамических моментов;

, , ? гидродинамические силы от рулей, i = 1…4;

MxRi, MyRi, MzRi ? гидродинамические моменты от рулей, i = 1…4;

ТМД, ММД ? тяга и вращательный момент от маршевого движителя АНПА.

TПУб i ? тяга подруливающих устройств боковой тяги, i = 1…2;

TПУв i ? тяга подруливающих устройств вертикальной тяги, i = 1…4;

xПУвi, zПУвi ? координаты точек приложения сил от подруливающих устройств вертикальной тяги;

xПУбi, yПУбi ? координаты точек приложения сил от подруливающих устройств вертикальной тяги;

Присоединённые массы л12 и л16, в силу их малости, приняты равными нулю. Силы и моменты от рулей определяются с использованием метода суперпозиции по формулам:

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

где:

д i ? угол перекладки i-того руля;

, , ? коэффициенты прироста гидродинамического сопротивления, нормальной и боковой сил от перекладки i-того руля;

, ? коэффициенты прироста курсового и дифферентующего гидродинамических моментов от перекладки i-того руля.

В отношении подруливающих устройств, их работа моделируется при помощи приложения к изделию в точках предполагаемого расположения этих устройств сил, которые считаются пропорциональными управляющему сигналу от системы управления.

Требуемые отклонения рулей определяются по формулам (26):

(26)

где:

дi тр ? требуемый угол закладки i-того руля, радианы, i = 1…4;

ш, ц, и ? текущие углы дифферента, рыскания и крена аппарата;

шпр, цпр, ипр ? программные углы дифферента, рыскания и крена аппарата;

Ки, , Кц, , Кш, , Кз, ? коэффициенты законов управления по крену, курсу и дифференту, соответственно;

щx, щy, щz ? угловые скорости аппарата в связанной системе координат.

? вертикальная скорость аппарата в стартовой системе координат;

з, зпр ? текущая и программная вертикальная координата аппарата.

Если полученное значение требуемой величины отклонения того или иного руля превышает диапазон возможных перекладок, это отклонение приравнивается к предельно возможному.

Величина текущего отклонения i-того руля определяется численным интегрированием дифференциального уравнения:

, (27)

где:

дi ? текущий угол закладки i-того руля, радианы;

Кvд ? коэффициент моделирующий обратную связь в приводе рулей.

В связи с недостаточностью данных о размерах рулей, времени перекладок, развиваемых на приводах моментах в приведенной ниже модели отстуствуют оценки моментов на баллерах рулей, перекладка рулей осуществляется мгновенно.

Формулы для расчёта тяги и момента маршевого движителя аппарата имеют вид:

(28)

(29)

где:

? относительная поступь гребного винта;

Wp ? коэффициент попутного потока (рисунок 6);

Dв ? диаметр гребного винта аппарата;

Кe(л), КeV(1/л) ? коэффициент упора винта на режимах тяги и авторотации;

Кq(л), КqV(1/л) ? коэффициент момента винта на режимах тяги и авторотации;

Мв ? момент, требуемый для вращения гребного винта.

Характеристики винта в тяговом и турбинном режимах определяются экспериментально.

Для стабилизации скорости движения аппарата применяется регулирование тяги маршевого движителя путём изменения частоты вращения винта маршевого движительного комплекса по формуле:

, (30)

где:

Кn ? коэффициент закона управления по скорости;

nмд ? частота вращения винта маршевого движительного комплекса, об/с;

V, Vпр ? текущая и программная скорости аппарата.

Если требуемая скорость изменения частоты вращения превышает максимально возможную, то она приравнивается к максимально возможной. Диапазон изменения частоты вращения гребного винта на данном этапе ограничен: от 0 до максимальной возможной в тяговом режиме и от 0 до 0,2 от максимальной - при реверсе.

Требуемые силы от подруливающих устройств боковой тяги определяются по формулам:

; (31)

,где:

ТПУб 1тр ? требуемая сила тяги носового подруливающего устройства боковой тяги;

ТПУб 2тр ? требуемая сила тяги кормового подруливающего устройства боковой тяги;

цпр ? программный угол курса;

z ? текущая боковая координата опорной точки для посадки в связанной системе координат;

zпр ? программная боковая координата опорной точки для посадки в связанной системе координат;

Кцв-п, ? коэффициенты закона управления по курсу на режиме подъёма/посадки;

Кzв-п, ? коэффициенты закона управления по боковому смещению на режиме подъёма/посадки.

Требуемые силы тяги подруливающих устройств вертикальной тяги определяются по формулам:

;

; (32)

;

,

где:

ТПУв 1тр ? требуемая сила тяги левого носового подруливающего устройства вертикальной тяги;

ТПУв 2тр ? требуемая сила тяги правого носового подруливающего устройства вертикальной тяги;

ТПУв 3тр ? требуемая сила тяги левого кормового подруливающего устройства вертикальной тяги;

ТПУв 4тр ? требуемая сила тяги правого кормового подруливающего устройства вертикальной тяги;

шпр ? программный угол дифферента;

ипр ? программный угол крена;

у ? текущая вертикальная координата опорной точки для посадки в связанной системе координат;

упр ? программная вертикальная координата опорной точки для посадки в связанной системе координат;

Vyпр ? программная вертикальная скорость АНПА;

Кшв-п, ? коэффициенты закона управления по дифференту на режиме подъёма/посадки;

Кив-п, ? коэффициенты закона управления по крену на режиме подъёма/посадки;

Кyв-п, ? коэффициенты закона управления по высоте на режиме подъёма/посадки.

Требуемая частота вращения вала гребного винта определяется по формуле:

, (33)

где:

х ? текущая продольная координата опорной точки для посадки в связанной системе координат;

хпр ? программная продольная координата опорной точки для посадки в связанной системе координат;

Кхв-п, ? коэффициенты закона управления в продольном направлении на режиме подъёма/посадки;

Nмдтр ? требуемая частота вращения гребного винта.

Изменение частоты вращения винта от текущей до требуемой осуществляется с максимальной скоростью.

При движении по маршруту АНПА имеет скорость больше 1,5 м/с и углы атаки и скольжения АНПА не превышают 10°. Управление при этом осуществляется гидродинамическими рулями.

Обощенно, основные режимы управления приведены в Таблице 1.

Таблица 1 - Режимы управления

Управляющая величина	Варианты формирования	В каком случае используется
Продольный упор	Кормовой движитель	Во всех режимах.
Момент в горизонтальной плоскости	Вертикальный руль	В режиме крейсерского движения
	Носовым и кормовым горизонтальными подруливающими устройствами	Штатный вариант для режима зависания
	Вертикальным рулем и маршевым движителем одновременно с работой горизонтальных подруливающих устройств	Второй штатный вариант для режима зависания. Может быть использован при выходе из строя кормового горизонтального подруливающего устройства.
Момент в вертикальной плоскости	Горизонтальными рулями	В режиме крейсерского движения
	Носовыми и кормовыми вертикальными подруливающими устройствами	Штатный вариант для режима зависания
	Носовыми подруливающими устройствами секцией и кормовыми горизонтальными рулями	Второй штатный вариант для режима зависания. Может быть использован при выходе из строя кормового вертикального подруливающего устройства.
Горизонтальный поперечный упор	Двумя горизонтальными подруливающими устройствами	Штатный вариант для режима зависания
Вертикальный поперечный упор	Носовые и кормовые вертикальные подруливающие устройства	Штатный вариант для режима зависания

Наиболее критичным с точки зрения точности управления является режим стабилизации над точкой. Программа-регулятор стабилизации над точкой и посадки в условиях течения, создается для обеспечения автоматического движения АНПА в условиях неполной/недостоверной информации о внешней среде.

При моделировании не учитываются нагрузки от ветра и возмущения поверхности воды, вызванные волнением моря и движением изделия. Задачами моделирования движения являлись:

- определение возможности вертикальной посадки/схода с БПУ;

- обоснование требуемых характеристик навигационного оборудования;

- предварительный выбор и обоснование управляющих коэффициентов автоматов движения;

- подтверждение работоспособности алгоритмов управления движением.

Для предварительного выбора и обоснования управляющих коэффициентов автоматов движения, была разработана имитационная модель движения АНПА, включающая в себя:

- редактор миссий;

- модуль отображения данных;

- расчетный модуль;

- модуль оценок;

- модуль управления процессом.

Рисунок 3 - Интерфейс имитационной модели

На основе изложенной в статье модели, автором был проведен имитационный эксперимент, с использованием программного обеспечения AnyLogic 6.5. Очевидным преимуществом использованного ПО является многовариантность возможностей моделирования, а также отсутствие ограничений на использование в целях создания вооружения и военной техники, т.к. ПО является российской разработкой.

Проведение подобных экспериментов позволяет на ранних этапах проектирования иметь более-менее достоверное и обоснованное суждение о возможностях создания АНПА с требуемыми характеристиками и понятие о реализуемости модели использования АНПА.

Список использованных источников

1. Лукомский Ю.А., Корчанов В.М. Управление морскими подвижными объектами. С-Пб, Элмор, 1996 - 320 с.

2. Боев В.Д. Исследование адекватности GPSS World и AnyLogic при моделировании дискретно-событийных процессов. С-Пб, ВАС, 2011 - 404 с.

3. model of AUV.

Размещено на Allbest.ru

...