Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Судовые спускоподъемные устройства 8
1.1. Общая характеристика судовых спускоподъемных устройств и их классификация 8
1.2 Способы проведения спускоподъемных операций 11
1.3 Конструктивные особенности судовых СПУ 17
1.4 Особенности систем автоматического управления глубиной погружения подводного объекта судовых СПУ 24
1.5 Выводы по первой главе 29
ГЛАВА 2 Математические модели морского волнения и продольной качки судна-носителя 31
2.1 Регулярное и нерегулярное морское волнение 31
2.2 Синтез аппроксимирующего спектра 48
2.3 Определение параметров фильтра, формирующего нерегулярное морское волнение 52
2.4 Продольная качка судна 60
2.5 Передаточная функция вертикальной1 качки судна на нерегулярном морском волнении 62
2.6 Редукционная функция вертикальной качки судна, расположенного навстречу морскому волнению 74
2.7 Передаточная функция килевой качки судна на нерегулярном морском волнении 85
2.8 Редукционный коэффициент килевой качки судна 93
2.9 Моделирование продольной качки судна, расположенного навстречу морскому волнению 98
2.10 Выводы по второй главе 107
ГЛАВА 3 Выбор параметров СПУ 110
3.1 Конструктивные особенности СПУ 110
3.2 Выбор параметров грузовой лебёдки 114
3.3 Выбор параметров компенсаторной лебёдки 121
3.4 Выводы по третьей главе 130
ГЛАВА 4 Система автоматического управления глубиной погружения подводного объекта (САУГПО) 133
4.1 Функциональная схема САУГПО 133
4.2 Синтез регуляторов САУГПО 138
4.3 Ограничения координат САУ 156
4.4 Интегрирующие фильтры 163
4.5 Результаты моделирования САУГПО 164
4.6 Выводы по четвёртой главе 175
Заключение 178
Список использованных источников
- Особенности систем автоматического управления глубиной погружения подводного объекта судовых СПУ
- Определение параметров фильтра, формирующего нерегулярное морское волнение
- Редукционная функция вертикальной качки судна, расположенного навстречу морскому волнению
- Выбор параметров компенсаторной лебёдки
Введение к работе
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:
-
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.
-
Определение параметров интегрирующих фильтров, предназначенных для расчёта скорости и перемещения качки точки расположения акселерометра, который измеряет ускорение качки.
-
Оценка погрешностей компенсации влияния нерегулярного морского волнения на работу САУ глубиной погружения ПЗС при продольной качке судна.
-
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 MATLAB 7.0, а также системы символьной математики Maple 13.
Достоверность проведённых исследований подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью изучаемым процессам, близостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов 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:
-
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 , которая аппроксимирует международный спектр 12-ой МКОБ. Особенности спектра позволяют, во-первых, уменьшить отличие дробно-рационального спектра от исходного экспоненциального спектра, и, во-вторых, снизить излишнюю хаотичность имитируемого случайного процесса.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Синтезирована методика аппроксимации модуля редукционных коэффициентов вертикальной и килевой качек.
-
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 изгибные деформации кабель-троса СПУ незначительны и мало влияют на его износ, что выгодно отличает предлагаемое устройство от его аналогов.
-
Разработана методика выбора параметров компенсаторного привода, обеспечивающего практически идеальную компенсацию продольной качки судна при допустимой интенсивности волнения.
-
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.
-
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.
-
Аппроксимация расчётного спектра морского волнения.
-
Математическая модель вертикальной, килевой и продольной качек судна, расположенного навстречу волнению.
-
Технические решения, которые обеспечивают компенсацию вертикальных колебаний глубины погружения ПЗС, вызванных морским волнением.
-
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, рекомендованном 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.
Особенности систем автоматического управления глубиной погружения подводного объекта судовых СПУ
Судовые спускоподъемные устройства (СПУ) предназначены для спуска с судна-носителя и подъёма на борт различного рода объектов в морских условиях. Такими объектами являются специальные технические средства океанотех-ники, получившие интенсивное развитие в связи с активным освоением человеком Мирового океана. Характерная особенность этих объектов - выполнение их основных функций в условиях открытого моря при базировании на судах-носителях.
Обслуживаемые объекты по типу связи с судном-носителем делятся на автономные и неавтономные. Автономные объекты после спуска их на воду функционируют, сохраняя только информационный канал связи с судном-носителем. К автономным объектам относится большинство глубоководных обитаемых и необитаемых подводных аппаратов, надводные рыбодобывающие суда, катера и т. п. [1]. У неавтономных объектов сохраняется постоянная связь с судном-носителем с помощью гибкой механической связи - тросов и кабелей (кабель-тросов), посредством которой осуществляются энергоснабжение, передача информации и управление объектом. К неавтономным средствам относятся водолазные колокола, опускные контейнеры с научной аппаратурой, буксируемые подводные объекты (БПО) для исследований океана и т. д. [2]. Наличие постоянной связи с объектом упрощает его ориентацию, что важно при подъёмных операциях, особенно в момент контакта объекта с захватами СПУ. Спускоподъемные устройства, обеспечивающие работу объектов на ходу судна, имеют свои особенности. Так, для буксируемых систем в зависимости от их назначения скоростные режимы могут существенно меняться. Конструкция спускоподъемных устройств зависит от судна-носителя и особенностей обслуживаемых объектов. Судовые СПУ отличаются высокой динамичностью режимов работы. Следует также отметить тенденцию к ужесточению требований, предъявляемых к работе судовых СПУ в неблагоприятных гидрометеорологических условиях, что позволит увеличить период их эксплуатации в этих условиях. Так, нормальная работа большинства СПУ обеспечивается при волнении до пяти баллов, а аварийная - вплоть до шести баллов [3,4].
Судовые СПУ имеют следующие особенности: широкий диапазон выполняемых функций; различные принципы действия; значительное воздействие на архитектурно-конструктивный тип судна.
Широкое применение находят устройства в виде специальных кранов, платформ, шарнирных конструкций и т. п. Эти объекты располагаются на судне по борту, на корме, в судовой шахте, а также между корпусами катамарана. Таким образом, для спуска подводных аппаратов могут использоваться различные транспортировочные погружные и полупогружные понтоны, док-камеры судов-носителей.
Оценить разнообразие судовых СПУ, предназначенных для работы с подводными объектами, можно по [5]. Общее современное состояние мирового опыта постройки судов со специальными судовыми СПУ характеризуется как достаточно интенсивно развивающееся техническое направление, имеющее серьезные перспективы дальнейшего совершенствования.
Широкое распространение на научно-исследовательских судах (НИС) получили устройства для спуска научной аппаратуры через судовые шахты. Это вызвано тем, что спуск оборудования большой массы за борт на НИС приводит к значительному крену судна. Спуск же объектов массой в несколько тонн и даже десятков тонн через такую шахту, расположенную в диаметральной плоскости судна на или вблизи его миделевого сечения, безопасен. В таком случае, при любом расположении судна относительно распространения морских волн, оно будет подвержено лишь одному основному виду качки - вертикальной. При этом бортовая и килевая качки, а также рысканье, становятся несущественными [6]. Однако за такую простоту приходится «расплачиваться» техноло гическими и конструктивными усложнениями в архитектуре судна-носителя, вызванными необходимостью специального технологического выреза в днище судна.
В настоящее время существует значительное разнообразие конструкций СПУ, работающих в разных условиях взаимодействия с водой, корпусными конструкциями и т.п. На рисунке 1.1 приведена классификация судовых СПУ только для автономных технических средств.
Как правило, бортовые СПУ применяются для операций спуска-подъёма относительно небольших ПО. Кормовые — для средних и крупных ПО. Это связано с разными уровнями остойчивости судна. У судна различают продольную и поперечную остойчивость. Так, продольная на порядок больше поперечной [7]. Шахтные СПУ предназначены для спуска-подъёма крупных и очень крупных ПО. Катамаранные СПУ по своему предназначению аналогичны шахтным. Погружные понтоны являются довольно редкой разновидностью судовых СПУ, применяемых для спуска и подъёма на борт судна ПО с широким диапазоном массогабаритных характеристик. Такой тип судовых СПУ применяют в основном за рубежом.
При проведении океанологических работ возникает задача не просто опускать и поднимать ПО на борт судна-носителя, но при этом осуществлять компенсацию влияния качки судна-носителя на глубину погружения ПО с максимальной эффективностью. При выполнении океанологических работ с использованием привязных подводных объектов судно-носитель не имеет хода и располагается навстречу волне, а ПО опускается с кормы. В этих условиях наиболее выражены только два основные вида качки: вертикальная и килевая, объединённые под общим названием продольная. Под действием этой качки точка подвеса троса СПУ совершает колебания. Эти колебания необходимо компенсировать во избежание рывков в кабель-тросе. Таким образом, к задачам диссертации относится разработка такого СПУ кормового типа для подводной зарядной станции АНПА, которое выполняет функции активной компенсации продольной качки судна и стабилизацию глубины погружения ПО на заданном горизонте.
Определение параметров фильтра, формирующего нерегулярное морское волнение
Из графиков АЧХ рисунка 2.18 видно, что максимальное значение передаточной функции, полученной на основании «укороченного» дифференциального уравнения в 1,11 раза превосходит максимальное значение АЧХ передаточной функции, полученной по полной схеме, и падает до нуля в высокочастотной области. Таким образом, в качестве линеаризованного описания передаточной функции вертикальной качки примем выражение, полученное на основании АЧХ из [28, 31], т. е. полученное на основании полного дифференциального уравнения. 2.6 Редукционная функция вертикальной качки судна, расположенного навстречу морскому волнению
В разделе приводятся обоснование и описание операций, входящих в состав предлагаемой методики, которая позволяет учитывать зависимость редукционной функции от частоты и не создаёт препятствий для моделирования случайного процесса вертикальной качки судна, расположенного вдоль направления распространения морского волнения. В литературе, посвященной качке судна, предлагаемое представление редукционной функции в виде передаточной функции, ранее не встречалось.
Как известно, судно имеет конечные геометрические размеры, поэтому при рассмотрении вертикальной качки необходимо ввести понятие редукционного коэффициента [28], представляющего собой отношение амплитуды колебаний судна в заданном направлении к амплитуде колебаний частиц жидкости. Его значение не превосходит единицы, уменьшаясь по мере роста размеров объекта и частоты колебаний. Кроме того, редукционный коэффициент зависит от формы шпангоутов и снижается с увеличением осадки судна Т.
Для движущегося или неподвижного судна необходимо учитывать зависимость редукционного коэффициента от курсового угла /? волнения. Значения этого угла принимаются от 0 (для встречного волнения по отношению к судну) до 180 (при попутном волнении). Таким образом, приближённо можно считать, что
Другими словами, редукционный коэффициент представляет собой отношение амплитуды силы (момента) при данной длине волны к амплитуде, соответствующей бесконечно длинной волне.
Приведем для судна проекта 862 векторы xL и ув, найденные по его теоретическому чертежу для обводов грузовой ватерлинии. Примем для удобства, что ЦТ судна лежит в плоскости ватерлинии и является началом координат. При этом за положительное направление выбора продольных координат принято направление с кормы к носу судна.
С помощью метода сплайновой аппроксимации находится кусочно-линейная зависимость у{х), которая здесь не приводится.
Числитель редукционного коэффициента (2.60) пропорционален среднему по длине судна значению приращения поддерживающей силы, вызванному волнением моря, а знаменатель представляет собой не что иное, как площадь грузовой ватерлинии судна.
При подстановке кусочно-линейной зависимости у{х) в подынтегральное выражение (2.61), получим SBJJ = 758,25 м2.
Ранее было получено значение площади грузовой ватерлинии для судна проекта 862 и равнялось SM =758,17 ти2. По результатам двух формул видно, значения площадей совпадают, что свидетельствует о достоверности полученной кусочно-линейной зависимости у(х) обводов корпуса судна проекта 862.
От длины волны в подынтегральной функции числителя выражения (2.60) переходим к угловой частоте волнения согласно приведённому ранее соотношению (2.1). К примеру, степени волнения 3 балла соответствует Я = 21,3 м.
На рисунке 2.19 показан график функции редукционного коэффициента вертикальной качки судна в зависимости от угловой частоты морского волнения для судна проекта 862.
Как видно из рисунка 2.19 редукционная функция принимает знакопеременные значения. В дальнейшем будем рассматривать абсолютное значение редукционного коэффициента, т. е. его модуль. График, соответствующий абсолютному значению редукционной функции, показан на рисунке 2.20. 1 (О,с
График абсолютной функции редукционного коэффициента вертикальной качки судна в зависимости от частоты морского волнения
Максимальные значения модуля редукционной функции, как видно из рисунка 2.20, в значительной степени снижаются в области высоких частот. Этот факт свидетельствует о наличии у данной функции свойств фильтра нижних частот.
Поиск редукционной функции, соответствующей АЧХ редукционной за висимости Хе( ) производится по изложенной выше методике, по которой находится передаточная функция фильтра, предназначенного для формирования случайного процесса морского волнения из белого шума.
Покажем на примере судна проекта 862 аппроксимацию редукционного коэффициента дробно-рациональной функцией.
Вначале произведём замену переменной со = Vx в выражении зависимости редукционного коэффициента от угловой частоты волнения, которая здесь не приводится. Далее путём возведения полученного результата в квадрат, получим модульную функцию редукционного коэффициента, которая также здесь не приводится. График модульной функции, как и зависимости z ico) , представляет последовательность колоколообразных импульсов с амплитудой, которая падает с ростом номера импульса. Для обеспечения приемлемой погрешности аппроксимации графика модульной функции достаточно близкое отображение четырёх или пяти первых импульсов, а последующий участок целесообразно аппроксимировать кривой, асимптотически приближающейся к оси х. Для получения такого свойства в аппроксимирующую функцию должен входить сомножитель, обладающий свойствами АЧХ фильтра нижних частот (ФНЧ). Желательно, чтобы колебания коэффициента передачи ФНЧ отсутствовали. Такими свойствами обладают ФНЧ следующих разновидностей: Баттер-ворта, Бесселя, Баттерворта-Томсона и Лежандра [51]. Был выбран фильтр Бат-терворта, как имеющий наиболее гладкую АЧХ на частотах полосы пропускания. Его передаточная функция не имеет нулей (корней числителя.
Редукционная функция вертикальной качки судна, расположенного навстречу морскому волнению
От геометрических размеров барабана зависит его момент инерции и, соответственно, динамические характеристики системы. Чем меньше диаметр и больше длина барабана, тем меньше его момент инерции. В данном случае значение момента инерции барабана не играет заметной роли и не сказывается на динамических показателях работы двигателя грузового лебёдки.
По значению момента и передаточному отношению можно оценить вид редуктора. Так, при моменте тихоходного вала редуктора, находящегося в диапазоне 250ч-400077ж, с передаточными числами / = 2- 6,3, рекомендуется использовать редуктор цилиндрический одноступенчатый горизонтальный [78]. При тех же значениях момента и / = 8-ь40 рекомендуется выбирать редуктор цилиндрический двухступенчатый горизонтальный. При / 40 принимается цилиндрический трёхступенчатый горизонтальный редуктор.
Выполненный расчёт показал, что с ростом частоты вращения статический момент на валу грузового двигателя уменьшается, при этом увеличивается передаточное число передаточного механизма.
С учётом вышеприведённых рекомендаций в отношении выбора передаточного числа и значений момента, целесообразно в качестве грузового использовать двигатель с номинальной частотой вращения пдвХ = 1460 у . Тем бо лее, судя по данным таблицы 3.1, в качестве немаловажного критерия выбора двигателя может выступать его масса, так как она существенно уменьшается с ростом частоты вращения. А двигатели с меньшей массой легче в обслуживании и их стоимость гораздо ниже.
Выбор грузового двигателя осуществляется по максимальному моменту, необходимому для удержания и подъёма ПЗС с помещённым в неё АНПА на воздухе, так как для этого, судя по данным таблицы 3.1, требуется больший момент, чем для поднятия в воде, примерно в полтора раза. Длительность операций подъёма ПЗС на борт судна, а также спуска с борта на воду составляет около одной минуты и менее. Таким образом, для спускоподъёмных операций целесообразно использовать частотно-регулируемый трёхфазный асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. При этом для преодоления момента нагрузки, создаваемого весом ПЗС и АНПА, выбранный двигатель должен развивать необходимый электромагнитный момент с учётом его запаса. Предпочтение, отданное в сторону АД, объясняется относительной дешевизной такой электрической машины, её высокой надёжностью, простотой управления и обслуживания [84, 85].
Определяемыми параметрами компенсаторной лебёдки также являются мощность, момент на валу двигателя (статический и динамический), геометрические размеры барабана и передаточное число редуктора.
Статическое усилие, создаваемое в одном тросе 2 КЛ при удержании веса ПЗС в воде, равно произведению статического усилия в одном тросе 5 на отношение длин плеч стрелы —. При условии идеальной компенсации продольной качки судна-носителя, когда ПЗС неподвижна на заданной глубине, её присоединённой массой можно пренебречь. При не идеальной компенсации качки судна, когда ПЗС в воде подвержена перемещениям со скоростью, соизмеримой с максимальной технологической, пренебрегать присоединённой массой нельзя.
Можно заметить, что геометрически форма барабана принята удлинённой, т. е. его длина больше диаметра. В данном случае целесообразно выбирать именно такую форму барабана, так как это связано с необходимостью уменьшения его момента инерции.
В качестве расчётного значения скорости V, крайней точки короткого плеча стрелы /, принимается отношение суммы максимальной скорости точки подвеса троса СПУ с 3 % обеспеченностью, равной 2,64 JZX. и максимальной технологической скорости Vt к соотношению длин плеч стрелы —. При этом значение дисперсии скорости ZX. выбирается для соответствующей степени волнения из таблицы 2.5. (2,64Л/Л + К)
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. Такие перемещения для судна проекта 862 возникают при степени волнения четыре балла, что подтверждает гистограмма рисунка 2.33, б). При воздействии волнения интенсивностью пять баллов, амплитудные перемещения кормовой оконечности судна, как это можно увидеть на гистограмме рисунка 2.33, в), превосходят четыре метра. При выполнении идеальной компенсации продольной качки судна, максимальный угол наклона стрелы ср при этом будет равен около 30 градусов. При этом нарушается равенство /2 sin p « /2 (р.
В данном случае в качестве компенсаторного двигателя целесообразно использовать бесконтактный двигатель постоянного тока (БДПТ). Это связано с тем, что при компенсации качки судна и, соответственно, постоянных реверсах двигателя при переходе через нулевую скорость, БДПТ способен создавать значительный, необходимый для преодоления момента нагрузки, электромагнитный момент, даже при полной остановке вала. АД с частотным управлением не способен справляться с такой задачей в связи с недостаточным значением момента, когда его вал полностью остановлен.
Механические и электромеханические характеристики БДПТ полностью аналогичны характеристикам классической машины постоянного тока с независимым или магнитоэлектрическим возбуждением.
Выбор параметров компенсаторной лебёдки
Улучшить качество переходных характеристик подчинённых контуров, исходя из требуемого оптимального критерия (быстродействия и/или перерегулирования) можно с помощью пакета SISO Design Tool, входящего в MATLAB. При этом подбор параметров каждого из регуляторов осуществляется путем графического изменения расположения нулей и полюсов на корневом годографе соответствующего разомкнутого контура.
Как показало моделирование, изменение постоянных времени Тэ, Тм, а также R3 ±50% не оказало заметного влияния на поведение системы. Это можно объяснить стабилизирующим влиянием обратных связей. Так как система трехконтурная, то параметрические возмущения практически не влияют на динамику системы. Следовательно, можно сделать вывод о нечувствительности (робастности) системы к параметрическим возмущениям [102, 103, 104].
Преимуществом систем с последовательной коррекцией является удобство выполнения ограничения любой из регулируемых физических величин (координат) электропровода на заданном уровне. При этом запрет на выход любой координаты за допустимый предел достигается ограничением ее задания, т. е. выходного сигнала регулятора, внешнего по отношению к рассматриваемому контуру. Например, ток двигателя в динамических и установившихся режимах поддерживается в требуемых пределах за счёт ограничения выходного сигнала регулятора скорости [88, 97].
Для САУ, в которых используются регуляторы типа ПИ и ПИД, необходимо рассмотреть особенности работы звеньев интегрирующего типа в условиях ограничения их выходного сигнала. Если по условиям согласования статиче ских характеристик объекта регулирования необходимо ограничение и выходного сигнала ивЬ1Х интегрирующего устройства, то в этом случае при появлении положительного сигнала ивх на его входе выходной сигнал не изменяется в течение времени ти. При этом разность выходного и ограниченного сигналов определяется следующим интегральным выражением [88
Величина интегральной составляющей выходного сигнала ивЬ1Х ПИ-регулятора пропорциональна площади, ограниченной переходной характеристикой h и заданным значением h . Если ошибка e = h — h положительна, интегральный член будет возрастать; в противном случае он уменьшается. Пока управляющий сигнал не ограничен, насыщение отсутствует. Если управляющий сигнал ограничен, реакция становится более медленной и интегральная часть увеличивается до тех пор, пока ошибка не изменит знак. Однако даже после изменения знака ошибки управляющий сигнал ивх остается большим и положительным в течение длительного времени, что приводит к значительному перерегулированию по h (t).
Ликвидация указанного запаздывания ти в схемах формирующих устройств возможна при ограничении выходного сигнала непосредственно с помощью цепи обратной связи, в которую входит нелинейный элемент (НЭ). В аналоговых регуляторах указанное регулирование можно выполнить с помощью диода Зенера (стабилитрона). Этот диод подключается параллельно конденсатору в цепи обратной связи операционного усилителя (ОУ), выполняющего функцию интегрирующего блока регулятора [105]. Для ограничения выходного сигнала с двух сторон в цепь обратной связи вводят не один, а два таких диода, которые включают последовательно и встречно друг другу, как это показано на рисунке 4.7, а).
Как видно из графика рисунка 4.7, б) ветви выходного напряжения ограничения +ист и —ист проходят под небольшим углом к ветвям напряжения питания +итт и —ипит. Это связано с особенностями вольт-амперной характеристики (ВАХ) реального стабилитрона, так как его динамическое (дифференциальное) сопротивление не равно нулю. К тому же с изменением температуры напряжение стабилизации изменяется и происходит-смещение ВАХ. Этот факт является основным недостатком такого способа.
ВАХ диодов менее подвержена смещению от изменения температуры по сравнению со стабилитронами. Диоды можно подобрать такие, что падение напряжения в них будет составлять доли вольта. При этом напряжение на выходе схемы может приближаться к напряжению питания ±ипит за вычетом падения напряжения в самих диодах. Это является неоспоримым достоинством способа по приведённой схеме. Таким образом, устройство ограничения с диодами в цепи обратной связи ОУ является более точным по сравнению с устройством, выполненным с применением стабилитронов.
Известны и другие, ещё более точные, но и несколько более сложные решения [105]. Погрешности таких устройств составляют менее 0,5 %.
В [106] приводится несколько вариантов устройств ограничения выходных координат ПИ-регуляторов, реализованные нами с помощью среды визуального программирования Simulink системы MATLAB. К ним относятся схемы, в которых ПИ-регулятор имеет следующие особенности: 1) выходной сигнал интегратора ограничен на определённом максимальном уровне; 2) интегральный канал отключается при его насыщении; 3) используется нелинейная коррекция (при этом регулятор состоит из обычного интегратора в прямой цепи и нелинейности типа зоны нечувствительности в цепи обратной связи интегратора); 4) используется обратная связь по насыщению; 5) также используется обратная связь по насыщению, однако она представлена апериодическим звеном первого порядка.
На рисунке 4.9 приведена структурная схема, в которой в ПИ-регуляторе используется нелинейная коррекция. Регулятор в этом случае состоит из обычного интегратора в прямой цепи и нелинейности типа зоны нечувствительности (Dead Zone) в цепи обратной связи интегратора. Это устройство имеет минимальную относительную погрешность из всех остальных.
