Система иерархического управления движением подводного аппарата

 

Изобретение относится к области автоматического управления подвижными объектами, в частности автономными обитаемыми и необитаемыми подводными аппаратами. Целью изобретения является повышение качества и надежности управления. Это достигается тем, что в системе, содержащей блоки нижнего и верхнего уровней управления, блок нижнего уровня управления снабжен датчиком углового ускорения 1, интегратором 8 и третьим сумматором 12, а в блок верхнего уровня управления введен ограничитель 16. 1 ил.

Изобретение относится к области автоматического управления подвижными объектами, в частности автономными обитаемыми и необитаемыми подводными аппаратами (ПА).

Известна система автоматического управления движением ПА [1] содержащая датчики дифферента и угловой скорости, датчик угла поворота руля (двигателя), сумматор-усилитель, на входе которого алгебраически суммируются все сигналы с выше перечисленных датчиков. С задатчика угла дифферента на вход сумматора-усилителя поступает заданное значение угла дифферента.

Недостатком этой системы является колебательность ПА в процессе перехода.

Известна также система автоматического управления движением судна [2] принятая нами в качестве прототипа, содержащая датчики, задатчик угла поворота объекта, датчик угловой скорости, датчик угла перекладки руля, суммирующий усилитель, на входы которого поступают сигналы с выше названных датчиков. Выход суммирующего усилителя подключен к регулятору рулевого привода.

Рассматриваемая система широко используется в судостроении, но не эффективная для использования на подводных аппаратах, которые в основной своей массе являются неустойчивыми на прямолинейном участке траектории движения, кроме того, для управления необитаемыми ПА обычно используют пульт, размещенный на сопровождающем судне. Управление поворотом неустойчивым на прямом направлении объектом без демпферных систем с заданной угловой скоростью с пульта представляет значительные сложности.

Целью изобретения является повышение качества и безопасности управления, это достигается: разбиением системы управления на два уровня, причем нижний уровень управления совместно с рулевым приводом переводит неустойчивый объект управления в устойчивый (т.е. введение нижнего уровня управления объектом приводит к новому по динамике объекту управления, устойчивому на заданном направлении); введением верхнего уровня управления, с которого при наличии предложенного нижнего уровня более качественно (без перерегулирования и колебаний) осуществляется управление новым объектом в 3-х режимах: а) с заданной угловой скоростью, б) с выходом на заданный угол направления движения, в) с выходом на заданную глубину.

Повышение качества безопасности управления с одновременным существенным обеспечением работы оператора достигается разбиением системы на два уровня, которые дополнены: датчиком углового ускорения, интегратором и сумматором (нижний уровень управления) и ограничителем в верхнем уровне управления, новые элементы соединены между собой и с известными элементами схемы в соответствии с чертежом. Указанные выше существенные отличительные признаки в своей совокупности обеспечивают появление в заявляемом объекте двух новых качеств, повышение точности управления и, что особенно важно, безопасности управления благодаря упрощению работы оператора с новым устойчивым объектом.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемой системы управления.

Система иерархического управления движением подводным аппаратом содержит датчик углового ускорения 1, датчик угловой скорости 2, датчик угла перекладки руля 3, датчик дифферента 4, датчик глубины 5, задатчик глубины 6, задатчик дифферента (или скорости изменения дифферента) 7, интегратор 8, суммирующий усилитель 9, три сумматора 10-12, рулевой привод 13, подводный аппарат 14, переключатель режимов управления 15, ограничитель 16, выключатель питания 17, блок верхнего уровня управления 18, блок нижнего уровня управления 19, резистор 20 и апериодическое звено 21.

Блок нижнего уровня управления с датчиком угловой скорости, который через первый вход суммирующего усилителя подключен к регулятору рулевого привода, датчик и задатчик угла дифферента, подключенные соответственно к первому входу первого сумматора и через переключатель режимов к второму входу первого сумматора, датчик и задатчик глубины, подключенные соответственно через первый и второй входы второго сумматора, выход последнего через переключатель связан со вторым входом первого сумматора.

В блоке нижнего уровня управления датчик углового ускорения подключен к второму входу суммирующего усилителя, к третьему входу которого подключен датчик угла перекладки руля через последовательно соединенные интегратор и третий сумматор, второй вход которого соединен с входом интегратора, выход которого соединен через резистор 20 с вторым входом интегратора, четвертый вход суммирующего усилителя подключен к входу блока нижнего уровня, который соединен с выходом блока верхнего уровня управления. В качестве датчиков 1-5 используются серийно выпускаемые промышленностью измерительные приборы с аналоговым выходом с точностью 5-10% Задатчики 6, 7 преобразователи угла поворота в постоянное напряжение с точностью преобразования 5-10% В качестве интегратора 8 используется операционный усилитель типа 140 УД-8. Суммирующий усилитель 9 операционный усилитель типа 140 УД-6 с эмиттерным повторителем на выходе.

Сумматоры 10-12 реализуются на операционных усилителях типа 140 УД-6. Ограничитель 16 также реализуется на операционном усилителе типа 140 УД-6, который охвачен отрицательной обратной связью в виде двух встречно включенных стабилитронов.

Система управления работает следующим образом.

Нижний уровень управления предназначен для придания объекту управления более удобных для управления им свойств и автоматической стабилизации на заданном направлении.

Как уже отмечалось выше, автономные ПА в основной своей массе неустойчивые объекты управления, поэтому для изменения их динамических свойств с целью перевода объекта управления в устойчивый объект необходимо охватить его отрицательной обратной связью.

Рассмотрим вид обратной связи, если математическая модель движения ПА имеет вид: где K₁ > 0; ω угловая скорость ПА;
d угол перекладки руля.

Чтоб получить устойчивый объект, необходимо сформировать дополнительное воздействие на объект, пропорциональное угловой скорости

при K₃ > 0, K₃ > K₁ получим новый по динамике объект (2), который существенно удобней для стабилизации:

объект (1) имеет передаточную функцию вида

а объект (2)

Дополнительное воздействие на объект (1), пропорциональное угловой скорости, можно получить путем перекладки руля, т.е. на вход регулятора рулевого привода должен поступать сигнал с датчика угловой скорости.

Существующие следящие рулевые приводы обладают инерционным запаздыванием, которое следует скомпенсировать путем введения дополнительного сигнала с датчика углового ускорения.

Динамика рулевого привода (в линейной зоне) будет:

где δ угол перекладки руля,
угловая скорость и угловое ускорение ПА
или
Для получения дополнительной перекладки руля, близкой в динамике к сигналу угловой скорости, следует соответственно подобрать соотношения коэффициентов К₅, K₆, K₇,
К₆/К₇ К₅ (5)
При соотношении (5) зависимость (4¹) будет
δ = Kω
В предложенной системе это достигается подключением к суммирующему усилителю 9 на второй вход выход датчика ускорения. Кроме сигналов с датчика угловой скорости (первый вход), датчика угла перекладки 3 через третий сумматор 12 на третий вход также поступает сигнал, снимаемый с интегратора 8, который охвачен отрицательной обратной связью.

Введение сигнала с апериодического звена, выполненного на интеграторе 8 с резистором 20, позволяет снять статизм в управлении, который возникает при раздифферентовке ПА. На третий вход суммирующего усилителя 9 поступает сигнал угла перекладки руля, смещенный на балансировочное значение, соответствующее существующей раздифферентовке ПА:

При неработающем верхнем уровне управления закон управления руля будет:
δ = +Kω+δ_балл ⁽⁷⁾
Из (7) следует, что при изменении раздифферентовки ПА среднее значение угла перекладки руля будет также изменяться и равно:
δ_{балл ˙}
При необходимости изменения положения ПА оператор, выбирая один из 3-х видов управления, и осуществляют переход ПА:
1) по угловой скорости при этом на вход нижнего уровня с верхнего поступает сигнал, пропорциональный угловой скорости ПА.

Этот сигнал поступает с задатчика 7 через переключатель 16, первый сумматор 10 и ограничитель 16 на выход верхнего уровня. При этом выключатель питания сети 17 в положении "Выключено".

Угол отклонения рукоятки задатчика 7 будет пропорционален скорости поворота ПА.

2) на заданный угол дифферента.

При этом на вход нижнего уровня с верхнего поступает сигнал, пропорциональный разности:
Ψ-Ψ_зад<δ_max (8)
где Ψ текущий дифферент;
j_зад заданное значение угла дифферента.

Этот сигнал вырабатывается задатчиком 7 и датчиком 4. В этом случае выключатель 17 находится в положении "Включено". На первый сумматор 10 приходит алгебраическая сумма сигналов вида (8).

3) На заданное значение глубины.

При этом на вход нижнего уровня поступает сигнал вида:
h-h_зад+KΨ (9)
где h, h_зад текущее и заданное значения глубины ПА;
Ψ текущее значение угла дифферента ПА.

Сигнал h и h_зад вырабатывается датчиком 5 глубины и задатчиком 6, а сигнал текущего дифферента поступает с датчика 4. (При этом выключатель 17 в положении "включено", переключатель 15 в П положении).

Блок ограничения обеспечивает работу нижнего уровня в линейной области, т.е. сохраняется зависимость (4) т.к. максимальная скорость перекладки руля.

Предложенная система может использоваться также для управления ПА в горизонтальной плоскости.

Формула изобретения

Система иерархического управления движением подводного аппарата, содержащая блок нижнего уровня управления с датчиком угла перекладки руля и датчиком угловой скорости, который через первый вход суммирующего усилителя соединен с рулевым приводом, и блок верхнего уровня управления, содержащий датчик дифферента и задатчик дифферента, соединенные соответственно с первым входом первого сумматора и через переключатель режимов управления с вторым входом первого сумматора, датчик глубины и задатчик глубины, подключенные соответственно к первому и второму входам второго сумматора, выход которого через переключатель режимов управления связан с вторым входом первого сумматора, отличающаяся тем, что в блок верхнего уровня управления введен ограничитель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход является выходом блока верхнего уровня управления, в блок нижнего уровня управления введены апериодическое звено, третий сумматор, датчик углового ускорения, выход которого подключен к второму входу суммирующего усилителя, выход датчика угла перекладки руля через последовательно соединенные апериодическое звено и третий сумматор соединен с третьим входом суммирующего усилителя, второй вход третьего сумматора соединен с входом апериодического звена, четвертый вход суммирующего усилителя является входом блока нижнего уровня управления, соединенным с выходом блока верхнего уровня управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1