Введение к работе
Актуальность темы. При исследовании и освоении Мирового океана широко применяются необитаемые подводные аппараты (НПА). Среди существенных преимуществ этих НПА перед обитаемыми в качестве основных можно назвать следующие:
безопасность для обслуживающего персонала;
большее время непрерывной работы;
возможность работы на больших глубинах;
меньшая стоимость, возможность различной специализации и пр.
Среди всего многообразия НПА принято различать автономные подводные аппараты (АПА) и телеуправляемые – привязные и буксируемые подводные аппараты (ППА и БПА).
Не останавливаясь на конструктивных особенностях, технических характеристиках, достоинствах и недостатках этих типов НПА, можно отметить одно обстоятельство, объединяющее их – началу работы и её завершению при каждом погружении НПА предшествуют спускоподъемные операции, выполняемые в большинстве случаев с судов-носителей, оборудованных спускоподъёмными устройствами.
Под действием морского волнения в системе судно-трос-ПО (подводный объект) возникают продольные колебания. Из опыта эксплуатации ПО известны некоторые факты, которые показывают вредное влияние продольных колебаний в системе трос – ПО, вызываемых качкой судна. Например, при длине троса до шести километров уже при волнении два-три балла оказывалось невозможным проведение таких подводных работ, как захват малоразмерных затонувших предметов, хотя масса ПО достигала нескольких тонн, наблюдались удары ПО о грунт и взмучивание донных осадков. Из-за рывков в тросе возможно самопроизвольное срабатывание регистрирующих приборов, установленных на ПО, увеличивается погрешность показаний чувствительных измерительных преобразователей, возможны потеря и разрушение приборов и оборудования. Трудности при выводе ПО на заданную глубину погружения и сползание приборов типа океанографических вертушек и батометров по тросу под действием качки судна-носителя приводит к необходимости проведения повторных работ.
Таким образом, успешное использование системы судно-трос-ПО во многом определяется тем, как при её проектировании учтены свойства звена трос –ПО, какие меры предприняты для уменьшения влияния качки судна-носителя на отклонение глубины погружения ПО. Отсутствие адекватных математических моделей волнения моря и качки судна может стать причиной неверного выбора параметров устройства, демпфирующего колебания глубины погружения ПО. Это может привести не к уменьшению, а к увеличению размаха этих колебаний.
Цель и задачи исследования. Цель работы – разработка устройства компенсации влияния качки судна-носителя на глубину погружения ПО с помощью амортизирующей лебёдки (АЛ), установленной на судне-носителе.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Синтез передаточных функций бортовой и поперечной качки судна при его расположении лагом к волне, позволяющей производить расчеты во временной области при значениях метацентрических высот и водоизмещений, соответствующих широкому классу современных научно-исследовательских судов (НИС).
-
Обоснование способа компенсации влияния качки судна-носителя на глубину погружения ПО с использованием СПУ с АЛ с подъемно-опускной стрелой.
-
Определение параметров идеального СПУ, полностью исключающего влияние качки судна-носителя, и СПУ с АЛ.
-
Определение структуры системы автоматического управления (САУ) АЛ, выбор параметров регулятора, обеспечивающих высокую эффективность работы как при структурированных, так и неструктурированных возмущениях.
-
Оценка эффективности работы СПУ с АЛ с подъемно-опускной стрелой путем определения статистических характеристик системы судно – трос – ПО при воздействии на неё морского волнения
Методы исследования. Решение поставленных задач основано на методах теории автоматического управления и теории корабля. Решение дифференциальных уравнений выполнено с помощью преобразования Лапласа. При определении передаточных функций и матриц использовались метод графов и векторно-матричные преобразования. Широко применялись методы аппроксимации, численного моделирования, теории вероятностей и математической статистики.
Достоверность научных выводов основывается на согласованности методов и результатов с известными положениями фундаментальных наук и результатами исследований других авторов, на соответствии результатов численных экспериментов и теоретических исследований.
Научная новизна:
-
Разработана методика дробно-рациональной аппроксимации бортовой качки судна, расположенного лагом к волне, существенно снижающая трудоемкость вычислений и дающая возможность производить расчеты во временной области при значениях метацентрических высот и водоизмещений, соответствующих широкому классу современных научно-исследовательских судов.
-
Предложен способ компенсации влияния качки судна-носителя на глубину погружения ПО с помощью АЛ, установленной на судне носителе.
-
Исследован способ компенсации момента механических потерь в передаче привода подъемно-опускной стрелы и в двигателе АЛ.
-
Разработаны структура САУ АЛ и предложен метод определения параметров регулятора, обеспечивающие демпфирование продольных колебаний в тросе при интенсивности волнения до 7 баллов, длине троса до 6 км и при значительном отклонении параметров ПО и троса от номинальных.
-
Для определения устойчивости САУ с распределенными параметрами предлагается использовать критерии робастной устойчивости.
Практическая ценность. Для компенсации влияния качки судна на глубину погружения ПО предложено и запатентовано СПУ, снабжённое АЛ с подъемно-опускной стрелой.
Разработана инженерная методика определения параметров регулятора, обеспечивающего устойчивость САУ и уменьшение вертикальных перемещений ПО в десятки раз при различной степени волнения, любой длине кабель-троса и при значительном отклонении параметров ПО и троса от номинальных.
Предложенные формулы для расчёта бортовой качки судна, расположенного лагом к волнению, позволяют анализировать процессы во временной области при значениях метацентрических высот и водоизмещений, соответствующих современным научно-исследовательским судам.
Положения, выносимые на защиту.
-
Математическая модель бортовой качки судна, расположенного лагом к направлению волнения.
-
Технические решения, которые обеспечивают гашение колебаний глубины погружения ПО, вызванных морским волнением.
-
Структура САУ и способ определения параметров регулятора, обеспечивающие устойчивость САУ и уменьшение вертикальных перемещений ПО в десятки раз при различной степени волнения, различной длине кабель-троса и при значительном отклонении параметров ПО и троса от номинальных.
Реализация результатов работы. Проведенные исследования являлись частью одного из основных направлений научно-исследовательских работ ДВГТУ. Полученные результаты используются в учебном процессе ДВГТУ и ДВГТРУ по дисциплинам: «Управление морскими подвижными объектами», «Моделирование судового электрооборудования и средств автоматики», «Теория автоматического управления», а также в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-технических симпозиумах, форумах и конференциях: «Наука и образование» (Мурманск, 2005); «Технические проблемы освоения Мирового океана» (Владивосток, 2005); «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 2009); 6 Intern. Symposium on Underwater Technology UT2009 (Wuxi, China, 2009); 13 Symposium Maritime Electrotechnik , Elektronik und Informationstechnik (Rostock, Germany, 2010), а также в научно-технических конференциях «Вологдинские чтения» ДВГТУ (2004, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе две работы – в изданиях, рекомендованных ВАК, пять – в материалах международных конференций и симпозиумов, получен патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Основное содержание работы изложено на 150 с. Работа содержит 62 рис., 3 табл. и список литературы из 81 наименования.
