Способ управления погружением подводного объекта и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2495784:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Группа изобретений относится к автоматическому управлению подводными объектами с использованием судовых спускоподъемных устройств. Способ заключается в изменении длины частей гибкой механической связи между подводным объектом и судном-носителем. Основное перемещение подводного объекта по вертикали осуществляют со стороны судна-носителя изменением длины первой части указанной связи. Дополнительное перемещение осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части гибкой связи. Для дополнительного перемещения подводного объекта в процессе его погружения и последующей стабилизации используют заданную скорость судовой лебедки и измеряют скорость вертикального перемещения подводного объекта. На основе разности этих скоростей формируют второе слагаемое усилия во второй части гибкой связи для компенсации влияния морской качки, при этом первое слагаемое усилия поддерживают равным весу подводного объекта в воде. Устройство содержит установленную на судне-носителе судовую лебедку и установленную на подводном объекте амортизирующую лебедку, на барабан которой заведен один конец каната. Другой его конец посредством замкового соединения прикреплен к кабель-тросу. Один конец кабель-троса заведен на барабан судовой лебедки, а другой прикреплен к корпусу подводного объекта с образованием петли между этим объектом и замковым соединением. На судне-носителе имеются: задатчик среднего значения длины каната и судовая лебедка с электроприводом, токосъемником, первым управляющим блоком, задатчиком скорости. На подводном объекте предусмотрены: два вычислительных блока, измерительный преобразователь скорости вертикального перемещения подводного объекта, сравнивающее устройство и амортизирующая лебедка с электроприводом, вторым управляющим блоком, измерительным преобразователем длины каната. Группа изобретений позволяет формировать дополнительное перемещение подводного объекта, компенсирующее влияние морской качки на его движение при погружении и стабилизацию подводного объекта на требуемой глубине. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретения относят к автоматическому управлению подводными объектами с использованием судовых спускоподъемных устройств.
Известен способ управления погружением подводного объекта [Авторское свидетельство СССР №714606, МПК5 Н02Р 5/06, опубл. 05.02.1980], в котором управление скоростью судовой лебедки в режимах спуска и подъема подводного объекта осуществляется по сигналу с пульта управления, а в режиме стабилизации глубины погружения подводного объекта - по скорости качки грузового блока и по отклонению глубины погружения подводного объекта.
Известно устройство для управления погружением подводного объекта [Авторское свидетельство СССР №714606, МПК5 Н02Р 5/06, опубл. 05.02.1980], содержащее судовую лебедку, на барабан которой запасован верхний конец кабель-троса, его нижний конец через гермоввод соединен с подводным объектом, а также устройство управления приводом судовой лебедки, к входам которого подключены выходы задатчика и измерительных преобразователей скорости качки грузового блока лебедки и глубины погружения подводного объекта.
Указанные технические решения не обеспечивают высокого быстродействия контура управления подводным объектом на больших глубинах из-за проявляющихся на них упругих свойств кабель-троса и появления резонансов. При этом также резко сокращается срок службы кабель-троса из-за его частых изгибных деформаций при сматывании-наматывании на барабан лебедки, так как кабель-трос при прохождении через блоки допускает всего 1000-2000 изгибов.
Известен способ управления погружением подводного объекта [Патент РФ №2114756, МПК6 В63В 27/08, опубл. 10.07.1998], заключающийся в изменении длины составленной из двух частей гибкой механической связи между подводным объектом и судном. Основное перемещение подводного объекта по вертикали при погружении осуществляют со стороны судна изменением длины первой части указанной связи, а дополнительное перемещение для стабилизации глубины погружения подводного объекта при морском волнении осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части гибкой связи.
Известно устройство для управления погружением подводного объекта [Патент РФ №2114756, МПК6 В63В 27/08, опубл. 10.07.1998], содержащее судовую лебедку, установленную на судне, и амортизирующую лебедку, установленную на подводном объекте. Указанные лебедки соединены гибкой связью, состоящей из кабель-троса и каната, причем один конец каната заведен на барабан амортизирующей лебедки, а другой прикреплен замковым соединением к кабель-тросу. Один конец кабель-троса заведен на барабан судовой лебедки, а второй - соединен с корпусом подводного объекта. Вход первого управляющего блока подключен к задатчику скорости судовой лебедки, а выход - ко входу электропривода судовой лебедки. Первый вход второго управляющего блока через кабель-трос и токосъемник подключен к задатчику среднего значения длины каната, а выход - ко входу электропривода амортизирующей лебедки. Второй и третий входы второго управляющего блока подключены соответственно к выходам измерительных преобразователей длины и скорости каната.
Эти изобретения не исключают появления ударных воздействий на подводный объект при достижении предельных изменений длины каната.
Известен способ управления погружением подводного объекта [Патент РФ №2261191, МПК7 В63В 27/08, опубл. 27.09.2005], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в изменении длины составленной из двух частей гибкой механической связи между подводным объектом и судном. Основное перемещение подводного объекта по вертикали при погружении осуществляют со стороны судна изменением длины первой части указанной связи, а дополнительное перемещение подводного объекта для стабилизации глубины его погружения при морском волнении осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части гибкой связи, причем первое слагаемое усилия во второй части этой связи равно весу подводного объекта в воде, второе слагаемое усилия пропорционально отклонению длины этой части гибкой связи от ее математического ожидания, а третье слагаемое - пропорционально скорости изменения длины второй части гибкой связи. При этом дополнительные перемещения ограничивают пределами, которые определяют с учетом минимального и максимального допустимых значений длины второй части гибкой связи, а также математического ожидания и дисперсии ее длины, которые измеряют до времени выполнения дополнительного перемещения.
Известно устройство для управления погружением подводного объекта [Патент РФ №2261191, МПК7 В63В 27/08, опубл. 27.09.2005], выбранное в качестве прототипа, содержащее установленную на судне судовую лебедку и установленную на подводном объекте амортизирующую лебедку, на барабан которой заведен один конец каната, а другой посредством замкового соединения прикреплен к кабель-тросу, один конец которого заведен на барабан судовой лебедки, а другой прикреплен к корпусу подводного объекта с образованием петли на участке между объектом и замковым соединением, а также первый управляющий блок, вход которого подключен к задатчику скорости судовой лебедки, а выход - ко входу электропривода судовой лебедки, и второй управляющий блок, выход которого подключен ко входу электропривода амортизирующей лебедки, а второй и третий входы подключены соответственно к выходам измерительных преобразователей длины каната, смотанного с барабана амортизирующей лебедки, и скорости каната относительно подводного объекта. Вход первого вычислительного блока подключен к выходу измерительного преобразователя длины каната, а его первый и второй выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго вычислительного блока, третий вход которого через кабель-трос и токосъемник подключен к задатчику среднего значения длины каната, а выход подключен к первому входу второго управляющего блока.
В этих изобретениях для погружения и стабилизации подводного объекта в условиях морской качки формируют дополнительные перемещения подводного объекта на основе сигнала, полученного по косвенному показателю - математическому ожиданию изменения длины каната. Для вычисления этого показателя требуется определенное время, приводящее к запаздыванию дополнительного перемещения подводного объекта.
Задачей изобретений является формирование дополнительного перемещения подводного объекта, компенсирующего влияние морской качки на его движение при погружении и стабилизацию подводного объекта на требуемой глубине.
Поставленная задача решена за счет того, что способ управления подводным объектом, так же, как в прототипе, заключается в изменении длины составленной из двух частей гибкой механической связи между этим объектом и судном. Основное перемещение подводного объекта по вертикали при погружении осуществляют со стороны судна изменением длины первой части указанной связи, а дополнительное перемещение осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части гибкой связи. При этом первое слагаемое усилия во второй части гибкой связи поддерживают равным весу подводного объекта в воде, а дополнительное перемещение ограничивают пределами, которые определяют с учетом минимального и максимального допустимых значений длины второй части гибкой связи.
Согласно изобретению, для дополнительного перемещения подводного объекта, компенсирующего влияние морской качки в процессе его погружения и последующей стабилизации, используют заданную скорость судовой лебедки и измеряют скорость вертикального перемещения подводного объекта. Указанные скорости сравнивают и на основе их разности формируют второе слагаемое усилия во второй части гибкой связи для компенсации влияния морской качки.
Поставленная задача решена так же за счет того, что устройство для управления погружением подводного объекта, как и в прототипе, содержит установленную на судне судовую лебедку и установленную на подводном объекте амортизирующую лебедку, а также кабель-трос и канат. Один конец каната заведен на барабан амортизирующей лебедки, а другой посредством замкового соединения прикреплен к кабель-тросу. Верхний конец кабель-троса заведен на барабан судовой лебедки, а его нижний конец прикреплен к корпусу подводного объекта с образованием петли между подводным объектом и замковым соединением. Вход первого управляющего блока подключен к задатчику скорости судовой лебедки, а выход - к входу электропривода судовой лебедки, на валу которого последовательно установлены барабан и токосъемник. Второй управляющий блок подключен к входу электропривода амортизирующей лебедки, на валу которого установлены барабан и измерительный преобразователь длины каната. Вход первого вычислительного блока подключен к выходу измерительного преобразователя длины каната, его первый и второй выходы подключены к первому и второму входу второго вычислительного блока, третий вход которого через крепление, нижний конец кабель-троса, замковое соединение, верхний конец кабель-троса, барабан судовой лебедки и первый вход токосъемника связан с задатчиком среднего значения длины каната. Выход второго вычислительного блока подключен к первому входу второго управляющего блока.
В отличие от прототипа в устройство введены измерительный преобразователь скорости вертикального перемещения подводного объекта и сравнивающее устройство, первый вход сравнивающего устройства подключен к выходу измерительного преобразователя скорости вертикального перемещения подводного объекта, а второй вход через крепление, нижний конец кабель-троса, замковое соединение, верхний конец кабель-троса, барабан и второй вход токосъемника связан с задатчиком скорости судовой лебедки. Выход сравнивающего устройства подключен ко второму входу второго управляющего блока.
В предложенном способе управления погружением подводного объекта для компенсации влияния морской качки сигнал управления амортизирующей лебедкой формируют на основе реального отклонения скорости вертикального перемещения подводного объекта от заданной скорости судовой лебедки, а не на основе ожидаемого отклонения при морской качке длины каната и скорости его изменения, являющихся косвенными оценками, как предложено в прототипе.
В предложенном устройстве для управления погружением подводного объекта использован задатчик скорости судовой лебедки и измерительный. преобразователь скорости вертикального перемещения подводного объекта, а также сравнивающее устройство для получения разности указанных скоростей. На основе разности указанных скоростей в управляющем блоке формируется сигнал на электропривод амортизирующей лебедки, который обеспечивает дополнительное перемещение подводного объекта и, тем самым, компенсирует влияние на него морской качки.
На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства.
На фиг.2 представлен вид сигнала задатчика скорости судовой лебедки.
На фиг.3 представлен сигнал скорости вертикального перемещения судна-носителя под действием морской качки.
На фиг.4 представлен сигнал скорости вертикального перемещения подводного объекта при морской качке без использования заявляемого устройства.
На фиг.5 представлен график вертикального перемещения подводного объекта при морской качке без использования заявляемого устройства.
На фиг.6 представлен сигнал скорости вертикального перемещения подводного объекта при морской качке с использованием заявляемого устройства.
На фиг.7 представлен график вертикального перемещения подводного объекта при морской качке с использованием заявляемого устройства.
Устройство управления погружением подводного объекта 1 (ПО) содержит судовую лебедку 2 (СЛ) (фиг.1), установленную на судне-носителе 3 (СН), и амортизирующую лебедку 4 (АЛ), установленную на подводном объекте 1 (ПО). Кабель-трос 5 верхним концом намотан на барабан б судовой лебедки 2 (СЛ), и через замковое соединение 7 связан с верхним концом каната 8, нижний конец которого намотан на барабан 9 амортизирующей лебедки 4 (АЛ). Нижний конец кабель-троса 5 через крепление 10 прикреплен к подводному объекту 1 (ПО) с образованием петли между замковым соединением 7 и креплением 10.
Задатчик скорости 11 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ) соединен с входом первого управляющего блока 12 (УБ1), выход которого связан с управляющим входом электропривода 13 (ЭП1) судовой лебедки 2 (СЛ), на валу у которого установлены барабан 6 и токосъемник 14 (ТС).
Выход второго управляющего блока 15 (УБ2) подключен ко входу электропривода 16 (ЭП2) амортизирующей лебедки 4 (АЛ), на валу которого установлены барабан 9 и измерительный преобразователь 17 (ИП) длины каната 8, выход которого подключен ко входу первого вычислительного блока 18 (ВБ1).
Первый и второй выходы первого вычислительного блока 18 (ВБ1) соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычислительного блока 19 (ВБ2). Третий вход второго вычислительного блока 19 (ВБ2) через крепление 10, нижний конец кабель-троса 5, замковое соединение 7, верхний конец кабель-троса 5, барабан 6 и первый вход токосъемника 14 (ТС) связан с задатчиком среднего значения 20 (ЗСЗ) длины каната 8, смотанного с барабана 9. Выход второго вычислительного блока 19 (ВБ2) связан с первым входом второго управляющего блока 15 (УБ2).
Второй вход второго управляющего блока 15 (УБ2) соединен с выходом сравнивающего устройства 21 (СУ), к первому входу которого подключен выход измерительного преобразователя скорости вертикального перемещения 22 (ИПС) подводного объекта 1 (ПО). Второй вход сравнивающего устройства 21 (СУ) связан с задатчиком скорости 11 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ) через крепление 10, нижний конец кабель-троса 5, замковое соединение 7, верхний конец кабель-троса 5, барабан 6 и второй вход токосъемника 14 (ТС).
В качестве электроприводов 13 (ЭП1), 16 (ЭП2) могут быть использованы электроприводы серии ЭПВ, выпускаемые предприятием «Электропривод», в состав которых входят S-образные задатчик скорости 11 (ЗС), управляющие блоки 12 (УБ1) и 15 (УБ2). В качестве токосъемника 14 (ТС) может быть использован кольцевой токосъемник с двумя сигнальными контактами серии 1ST - SR060 компании «Kubler». Измерительный преобразователь 17 (ИП) длины каната представляет собой датчик перемещения, выполненный на базе контактных потенциометрических преобразователей или на базе индуктивных, кодовых или иных бесконтактных преобразователей. Вычислительные блоки 18 (ВБ1) и 19 (ВБ2) представляют собой любые вычислительные устройства, например, контроллер, микроконтроллер. В качестве задатчика среднего значения 20 (ЗСЗ) длины каната можно использовать задатчик ручной РЗД-12. Сравнивающее устройство 21 (СУ) может быть выполнено на базе операционного усилителя с отрицательной обратной связью. В качестве измерительного преобразователя скорости вертикального перемещения 22 (ИПС) подводного объекта можно использовать преобразователь скорости «Зенит-ИГП» выпускаемый ОАО «НТП НАВИ - ДАЛС».
Для проверки работоспособности устройства управления погружением подводного объекта 1 (ПО) проведено моделирование процессов управления в условиях морской качки с помощью приложения Simulink в пакете Matlab. Для этого выбраны минимальное и максимальное значения длины каната, равные соответственно 2 метра и 20 метров [Г.Е. Кувшинов, Л.А. Наумов, К.В. Чупина. Система управления глубиной погружения буксируемых объектов. Владивосток: Дальнаука, 2006. - 270 с.]. При этом вес подводного объекта был принят 5860 кг [Г.Е. Кувшинов, Л.А. Наумов, К.В. Чупина. Система управления глубиной погружения буксируемых объектов. Владивосток: Дальнаука, 2006. - 294 с.].
Работа судовой лебедки 2 (СЛ) определяется сигналом задатчика скорости 11 (ЗС) (фиг.2) [Г.Е. Кувшинов, Л.А. Наумов, К.В. Чупина. Система управления глубиной погружения буксируемых объектов. Владивосток: Дальнаука, 2006. - 225 с.] и имеет режим разгона на интервале времени (t1-t2), режим работы с постоянной скоростью (t2-t3) и режим торможения (t3-t4). С момента времени t4 начинается режим стабилизации положения подводного объекта 1 (ПО).
При поступлении сигнала задатчика скорости 11 (ЗС) на управляющий блок 12 (УБ1) электропривода 13 (ЭП1) судовая лебедка 2 (СЛ) начинает сматывать кабель-трос 5 с барабана 6 со скоростью, пропорциональной сигналу задатчика 11 (ЗС). При этом подводный объект 1 (ПО), соединенный канатом 8 через замковое соединение 7 с кабель-тросом 5, начинает совершать вертикальное перемещение вниз.
При отсутствии качки судна-носителя 3 (СП) скорость вертикального перемещения подводного объекта 1 (ПО) будет совпадать со скоростью судовой лебедки 2 (СЛ). В этом случае сигнал с измерительного преобразователя скорости 22 (ИПС) подводного объекта 1 (ПО) будет равен сигналу с задатчика скорости 11 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ) и выходной сигнал сравнивающего устройства 21 (СУ) будет равен нулю.
Влияние морской качки смоделировано гармоническим сигналом скорости подъема и опускания судна-носителя 3 (СН) с амплитудой 1 м/с и частотой 1,5 рад/сек (фиг.3). Если не использовать заявляемое устройство, то при погружении подводного объекта 1 (ПО) его вертикальная скорость будет иметь гармоническую составляющую с амплитудой 1 м/с, равной амплитуде морской качки (фиг.4). При этом перемещение подводного объекта 1 (ПО) при его спуске также будет сопровождаться подобными гармоническими колебаниями (фиг.5).
При использовании заявляемого устройства сигнал измерительного преобразователя скорости 22 (ИПС) подводного объекта 1 (ПО) вычитается в сравнивающем устройстве 21 (СУ) из сигнала задатчика скорости 11 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ). Выходной сигнал сравнивающего устройства 21 (СУ) проходит через управляющий блок 15 (УБ2) и поступает на электропривод 16 (ЭП2) амортизирующей лебедки 4 (АЛ), которая будет сматывать или наматывать канат 8 на барабан 9 в соответствии с сигналом сравнивающего устройства 21 (СУ). В результате амплитуда колебаний скорости подводного объекта 1 (ПО) от действия морской качки существенно снижается и имеет максимальное значение 0,02 м/с (фиг.6). При этом перемещение подводного объекта 1 (ПО) проходит практически без колебаний (фиг.7).
При достижении подводным объектом 1 (ПО) глубины погружения 35 метров (фиг.7) сигнал задатчика скорости 11 (ЗС) судовой лебедки 2 (СЛ) становится равным нулю и судовая лебедка 2 (СЛ) останавливается. С этого момента начинается этап стабилизации положения подводного объекта 1 (ПО) на заданной глубине.
Если на этапе стабилизации положения подводного объекта 1 (ПО) имеет место качка судна-носителя 3 (СП), то выходной сигнал сравнивающего устройства 21 (СУ) будет равен сигналу измерительного преобразователя скорости 22 (ИПС) подводного объекта 1 (ПО). В управляющем блоке 15 (УБ2) формируется сигнал, под действием которого амортизирующая лебедка 4 (АЛ) демпфирует морские колебания и сохраняет неподвижное состояние подводного объекта 1 (ПО) на необходимой глубине, что доказано путем проведенного моделирования.
1. Способ управления погружением подводного объекта, заключающийся в изменении длины составленной из двух частей гибкой механической связи между этим объектом и судном, причем основное перемещение подводного объекта по вертикали осуществляют со стороны судна изменением длины первой части указанной связи, а дополнительное перемещение осуществляют со стороны подводного объекта изменением длины второй части гибкой связи, причем первое слагаемое усилия во второй части гибкой связи поддерживают равным весу подводного объекта в воде, а его дополнительное перемещение ограничивают пределами, которые определяют с учетом минимального и максимального допустимых значений длины второй части гибкой связи, отличающийся тем, что для дополнительного перемещения подводного объекта в процессе его погружения и последующей стабилизации используют заданную скорость судовой лебедки и измеряют скорость вертикального перемещения подводного объекта, затем сравнивают эти скорости и на основе их разности формируют второе слагаемое усилия во второй части гибкой связи для компенсации влияния морской качки.
2. Устройство для управления погружением подводного объекта, содержащее установленную на судне-носителе судовую лебедку и установленную на подводном объекте амортизирующую лебедку, на барабан которой заведен один конец каната, а другой посредством замкового соединения прикреплен к кабель-тросу, один конец которого заведен на барабан судовой лебедки, а другой прикреплен к корпусу подводного объекта с образованием петли между этим объектом и замковым соединением, а также первый управляющий блок, вход которого подключен к задатчику скорости судовой лебедки, а выход - ко входу электропривода судовой лебедки, на валу которого установлены барабан и токосъемник, второй управляющий блок подключен ко входу электропривода амортизирующей лебедки, на валу которого установлены барабан и измерительный преобразователь длины каната, выход которого подключен ко входу первого вычислительного блока, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам второго вычислительного блока, который третьим входом через крепление, нижний конец кабель-троса, замковое соединение, верхний конец кабель-троса, барабан и первый вход токосъемника связан с задатчиком среднего значения длины каната, а выход второго вычислительного блока подключен к первому входу второго управляющего блока, отличающееся тем, что выход измерительного преобразователя скорости вертикального перемещения подводного объекта подключен к первому входу сравнивающего устройства, второй вход которого через крепление, нижний конец кабель-троса, замковое соединение, верхний конец кабель-троса, барабан и второй вход токосъемника связан с задатчиком скорости судовой лебедки, а выход подключен ко второму входу второго управляющего блока.
