Стабилизация движения ПЛ при отсутствии скорости хода

Специфика скрытного патрулирования ПЛ, применение способа всплытия «без хода» для приледнения ПЛ в высокоширотных акваториях поставили указанный режим плавания ПЛ к числу наиболее важных по тактическому назначению режимов управления. Отличие в построении алгоритмов управления применительно к современным ПЛ заключалось в необходимости:

- обеспечения требуемого запаса устойчивости стабилизации при существенном влиянии сил обжатия прочного корпуса и противогидролокационного покрытия ПЛ;

- постановки задачи всплытия ПЛ с регулируемой скоростью изменения глубины погружения;

- учета дифферентующих моментов ПЛ, вызванных смещением плеча цистерн управления плавучестью относительно центра тяжести ПЛ.

Как видно из представленных материалов, автоматизация процессов управления движением судна на всех его режимах функционирования требует разработки алгоритмического и аппаратного обеспечения для систем следующих видов: автоматического управления, автоматизированного управления, информационной поддержки, тренажерной подготовки. Математическое обеспечение для их реализации накоплено в достаточной мере и может служить основой для его использования при разработке унифицированного алгоритмического обеспечения.

 

13.7. Принципы проектирования систем управления

движением подводных лодок

При проектировании СУД подводной лодки используется единая концепция, предусматривающая интегральный подход в использовании технических, программных и организационных решений, обеспечивающих эффективность функционирования системой управления техническими средствами. Эта концепция учитывает требования отечественных нормативных документов и включает в себя следующие принципы и положения:

1. СУД является составной частью единой комплексной системы управления всеми видами технических средств;

2. объединена единством технических решений по всем системам управления техническими средствами;

3. соответствует высокой степени автоматизации управления техническими средствами;

4. удовлетворяет функционально-иерархическим принципам организации структуры, позволяющим обеспечивать высокий уровень надежности и живучести системы за счет рационального распределения функций между системами, независимости функционирования аппаратуры нижнего уровня от аппаратуры верхнего уровня, а также за счет сокращения потоков и объемов информации, передаваемой на высшие уровни вследствие обработки ее на нижнем уровне;

5. использование магистрально-модульного принципа построения структуры и аппаратуры СУД;

6. применение современной элементной базы, в том числе современных средств микропроцессорной техники;

7. применение системных методов обеспечения надежности, проектирование по принципу «безопасного отказа»;

8. программной совместимостью аппаратуры и использованию программного обеспечения, проверенного практикой и показавшего высокую надежность и защищенность от компьютерных вирусов;

9. обеспечение диагностики аппаратуры систем управления с точностью до сменного модуля;

10. современному человеко-машинному интерфейсу (широкое использование дисплеев для отображения информации, рациональная организация рабочих мест, учет эргономических факторов и тому подобное).

В соответствии с изложенными принципами СУД реализуется как многоуровневая иерархическая функционально–децентрализованная распределенная система. Структурно (по вертикали) представляет собой систему, в которой на каждом уровне выполняются соответствующие функции. Обмен информацией между уровнями производится в обоих направлениях, однако отказы (сбои) в выполнении фyнкции аппаратуры более высокого уровня не должны влиять на способность аппаратуры выполнять собственные функции. Нижний уровень иерархии – это локальные задачи управления отдельными агрегатами, механизмами и системами, локальная обработка информации и связь с объектом управления. Этот уровень включает в себя локальные системы управления, микропроцессорные средства, выполняющие функции локальных контроллеров управления и обработки информации, выходные устройства (исполнительные автоматы). Средний уровень иерархии – это уровень задач централизованного управления отдельными функциональными техническими средствами, программно-логических задач, централизованной обработки информации. Этот уровень включает в себя аппаратуру, выполненную как на микропроцессорных средствах, так и на средствах аналоговой техники и средствах «жесткой» логики. Эта аппаратура выполняет основной объем решения задач защиты, логического управления и регулирования параметров технических средств. Верхний уровень – это уровень оператора, уровень управления совокупностью технических средств, который характеризуется тем, что контур управления технологическим процессом замыкается через оператора. К этому уровню относится центральный пульт управления с функциональными клавиатурами, дисплеями и другими средствами представления информации, а также операторские станции (контроллеры связи).

Рабочее место операторов сформировано в виде пульта управления консольного типа. Компоновка рабочего места в виде пульта позволяет разделить сенсорные и моторные зоны работы оператора, что создает более благоприятные условия для его работы. Разработка пультов выполняется с учетом эргономических требований и роли фактора «человек–машина». Для уменьшения ошибок оператора на пультах организованы различные зоны управления: зоны, в которых органы управления размещены по функциональному признаку, зоны безопасности, зоны управления вспомогательными системами и устройствами, зоны аварийной сигнализации и тому подобное. Индивидуальное дистанционное управление реализуется адресным способом. Адресация осуществляется набором кода на клавиатуре. Для наиболее ответственных механизмов и устройств предусмотрены независимые каналы резервного дистанционного управления от индивидуальных органов дистанционного управления, располагаемых на пультах управления.

При выборе способов представления информации решается задача минимизации потоков информации, поступающей к оператору без снижения ее полноты. С этой целью, а также для концентрации внимания оператора на наиболее важных информационных сообщениях, должно производиться представление информации оператору в обобщенном виде; функциональная группировка информационных сообщений, их группировка по значимости для безопасности (аварийные, предупредительные, диагностические, информационные); использование индикаторов различных цветов, прерывистого свечения и звуковых сигналов.

Работу СУД можно представить, как совокупность процессов решения более частных функциональных задач. В общем случае все функциональные задачи могут быть сгруппированы следующим образом:

1. Задачи представления информации. Целевое назначение задач – представление информации оператору по запросу или заданному алгоритму.

2. Задачи автоматического контроля состояния объекта и технических средств. Целевое назначение задач – выработка и передача сигнала, характеризующего состояние объекта и технических средств в каналы АПС и защиты.

return false">ссылка скрыта

3. Задачи дискретного управления объектами и процессами. Целевое назначение – выработка и передача дискретного управляющего воздействия.

4. Задачи непрерывного регулирования. Целевое назначение – выработка и передача непрерывного регулирующего воздействия.

5. Задачи регистрации и поддержания базы данных. Целевое назначение – поддержка и пополнение базы данных, хранение и регистрация информации по запросу и автоматически на бумажных и магнитных носителях.

6. Задачи электропитания. Целевое назначение – обеспечение электропитанием устройств и приборов системы управления техническими средствами, в том числе бесперебойным питанием для сохранения информации на запоминающих устройствах.

7. Задачи контроля исправности аппаратуры. Целевое назначение – контроль исправности аппаратуры с точностью до сменного модуля.

Процесс решения каждой функциональной задачи также можно разделить на отдельные составляющие – технические функции, большинство из которых при решении функциональных задач повторяются, являются типовыми и, следовательно, используют общие программные и аппаратурные ресурсы. Как следствие, они являются исходной базой для выбора основных технических элементов и устройств системы управления движением и построения типовой технической структуры системы.

 

13.8. Функционально-алгоритмическая структура системы

управления движением подводной лодки

Функционально-алгоритмическая структура отражает состав управляющих: информационных и вспомогательных функций системы и связей между ними, описывающих порядок и последовательность выполнения функций при решении задач управления техническими средствами. Функционально система управления движением представляет собой совокупность следующих подсистем:

- подсистема нормального управления на ходу, реализующая формирование алгоритмов нормального управления как автоматического, так и дистанционного;

- подсистема противоаварийного управления, реализующая алгоритмы выявления аварийных ситуаций, выработку рекомендаций по локализации аварийных ситуаций и выработку управляющих воздействий на исправные технические средства;

- подсистема управления глубиной при отсутствии хода;

- локальная система управления, осуществляющая по управляющим сигналам от подсистемы нормального и противоаварийного управления выработку сигналов управления на исполнительные органы.

Подсистема нормального управления представляет собой двух или трехканальную (в зависимости от проекта и принятого на нем числа каналов, гидравлику управления рулевой машиной) систему. При этом число каналов решающей части во всех случаях одинаково – три канала.

Подсистема противоаварийного управления включает в себя:

- канал выявления, выработки рекомендаций и управления при авариях 1 группы;

- канал выявления, выработки рекомендаций и управления при авариях 2 группы.

Подсистема управления глубиной погружения в режиме стабилизации глубины «без хода» представляет собой одноканальную систему автоматического и дистанционного управления.

Появление атомных подводных лодок, имеющих высокие скорости хода, поставило задачу автоматизации управления движением в разряд первостепенных, так как длительное ручное управление на высоких скоростях хода стало затруднительным и даже невозможным. Наряду с этим, для улучшения маневренных качеств подводных лодок появилась тенденция к снижению их собственной устойчивости из-за уменьшения площади оперения стабилизаторов и изменения обводов корпуса. Задача обеспечения требуемой устойчивости при этом возлагается на систему автоматического управления движением подводных лодок. Для атомных скоростных подводных лодок были разработаны системы автоматической стабилизации глубины типа «Мрамор» и курса типа «Гранит», в которых впервые были применены бесконтактные электромеханические элементы, позволившие повысить надежность работы систем. Дальнейший рост скоростей хода, стремление к максимальному использованию маневренных качеств подводных лодок, обеспечение требований безопасности плавания, возрастающих с увеличением скоростей, потребовали от автоматической системы управления движением подводных лодок не только стабилизации ее прямолинейного движения, но и автоматическое выполнение маневров. Развитие теории и средств автоматического управления позволили создать систему управления движением типа «Шпат», обеспечивающую управление подводной лодки по глубине, дифференту и курсу в режимах стабилизации и маневрирования. Кроме автоматических режимов система обеспечивает также дистанционное управление вертикальными и горизонтальными рулями.

Однако, возрастание скорости хода подводной лодки приводит к увеличению вероятности возникновения аварийных ситуаций (при малых перепадах рабочих глубин плавания), вызванных ошибками оператора, отказах в системах управления, заклинками рулей. Эти обстоятельства привели к необходимости создания автоматической системы типа «Турмалин», призванной локализовать аварийные ситуации, появившиеся по упомянутым причинам, а также обеспечить эффективное автоматическое управление исправными техническими средствами.

Структура алгоритмов управления имеет следующий вид:

а) (13.41)

где – рассогласование по дифференту,

– коэффициенты регулирования.

Этот вид управления обеспечивает стабилизацию дифферента;

б) (13.42)

где – рассогласование по глубине,

– коэффициенты регулирования,

(13.43)

(13.44)

где – сигнал управления по глубине кормовых горизонтальных рулей;

– сигнал управления по глубине носовых горизонтальных рулей;

– коэффициенты регулирования.

Автоматическое управление с помощью кормовых горизонтальных рулей осуществляется на основе алгоритмов (13.42) и (13.43) и обеспечивает устойчивое управление с требуемым качеством в режимах стабилизации и маневрирования.

Автоматическое управление глубиной с помощью носовых горизонтальных рулей осуществляется на основе алгоритма (13.44). Одновременное использование кормовых горизонтальных рулей по алгоритму (13.44) позволит получить новое качество – управление с малым дифферентом (2–3 град.), определяемым статическими свойствами алгоритма (13.41).

в) управление курсом осуществляется с помощью вертикальных рулей на основе алгоритма:

(13.45)

где – коэффициенты регулирования.

Анализируя функционально-алгоритмические структуры систем типа «Шпат» и «Турмалин», можно отметить следующее;

- система управления в нормальных режимах обеспечивает большой выбор видов управления (автоматическое, полуавтоматическое, следящее) и технических средств (судовую гидравлику и насосы переменной производительности);

- при решении противоаварийных задач полностью отключаются каналы нормальных видов управления (включая электрогидропривод);

- отсутствует функциональный контроль систем нормального и противоаварийного управления.

Дальнейшим шагом по пути комплексного решения вопросов автоматического управления подводными лодками явилась система «Боксит», в которой объединены функции нормального и противоаварийного управления. В ней впервые реализовано управление рулями с разрезным баллером. Алгоритмы управления представляют собой сложный нелинейный закон управления и обеспечивают близкое к оптимальному быстродействие подводных лодок по глубине, дифференту и курсу при высоком качестве стабилизации параметров. Дальнейшим развитием систем управления движением стало создание системы «Корунд».

Дальнейшее совершенствование структурной организации системы управления движением связано с повышением безопасности управления подводной лодкой, живучести системы управления, функциональных возможностей системы в части оптимизации процессов маневрирования, контроля и диагностики, а также с применением в составе системы управления средств цифровой вычислительной техники. Опыт проектирования систем управления движением, а также предложения по повышению безопасности управления движением подводных лодок и функциональных возможностей системы предполагает повышение качества процессов маневрирования подводных лодок и стабилизации координат по мере увеличения числа подключаемых уровней управления.

 

13.9. Особенности построения систем автоматического

управления движением подводной лодки

Система автоматического управления движением подводной лодки (САУД) предназначена для автоматического, дистанционного и аварийного управления движением ПЛ по курсу, глубине, а также управления дифферентом подводной лодки.