Структурная организация систем автоматического управления подводными глайдерами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Из графика видно, что впускной коллектор оригинальной формы дает прибавку мощности в диапазоне 2000-2900 об/мин порядка 6 лошадиных сил и крутящего момента - 18 Н/м, а в диапазоне 3100-5100 об/мин около 10 лошадиных сил и крутящего момента - 12 Н/м.

Результаты эксперимента доказали достоверность компьютерного .

Заключение. По результатам полученных данных и проведенной работе , , прибавку мощности и крутящего момента. На данный момент изучается возможность влияния формой впускного тракта на экологические характеристики двигателей внутреннего сгорания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / Алямов-ский А А., Собачкин А А., Одинцов Е.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.

2. SolidWorks. Практическое руководство. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2004. - 448 с.

3. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Изд. 2-е. изд., перераб. - M.-J1. Госэнергоиздат, 1961. - 680 с.

4. . . .. -

кин: Учебное пособие. Новосибирск. 2001. - 89 с.

5. Драганов Б.Х., Круглов МТ., Обухова B.C. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания. - К.: Виша шк. Головное изд-во, 1987. - 175 с.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор РА. Нейдорф.

Тихонов Роман Александрович

Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: tanz-sa@rambler.ru.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: +79044426439.

Кафедра электротехники и мехатроники; магистрант.

Tikhonov Roman Alexandrovich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: tanz-sa@rambler.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: +79044426439.

The Department of Electrical Engineering and Mechatronics; Master.

УДК 621.865.8-182.3

Б.В. Гуренко

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМИ ГЛАЙДЕРАМИ

Рассматриваются принципы функционирования и структурно-алгоритмическая организация системы управления подводных глайдеров, а также существующие системы подводных глайдеров, проанализирован их состав. Представлена математическая модель и проведено моделирование движения глайдера вдоль заданных пилообразных траек-

торий, имеющих различные параметры. Получена взаимосвязь параметров пилообразной траектории и энергетических затрат.

; .

B.V. Gurenko

STRUCTURED ORGANIZATION OF AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS

UNDERWATER GLIDER

In this paper considers principles of operation and structural organization of control systems underwater gliders. Considered existing system of underwater gliders, analyzed their composition. Paper presents a mathematical model and simulated the motion of the glider along a given-sawtooth trajectories with different parameters. Obtained correlation parameters sawtooth trajectory and energy costs.

Underwater glider; automatic control system.

. - -

мых аппаратов (АНПА), который использует малые изменения в плавучести в сочетании с «крыльями» для преобразования вертикального движения в горизон-, , -потреблением. Скорость глайдеров значительно ниже обычных АНПА, но за счет

, , предпочтительными в некоторых задачах. Основное назначение глайдеров - это выполнение задач в открытом море, цель которых получение данных о состоянии морской среды в течение длительных промежутков времени или на большой акватории. Глайдеры применяются при проведении длительных наблюдений в арктических или антарктических условиях, или в отрытом море в течение длительного времени или обхватывая большие расстояния.

Обзор подводных глайдеров. В мире сегодня наблюдается повышенный интерес к разработкам и использованию подводных аппаратов, обладающих большой и сверхбольшой (от недель до года) продолжительностью автономного плавания. Такие подводные средства уже хорошо зарекомендовали себя при решении исследовательских океанографических задач, связанных с широкомасштабными измерениями параметров среды в водной толще и вблизи дна. Из-за особенностей конструкции они объединяются в один класс АНПА, именуемых подводными глайде-рами или планерами, которые являются дальнейшим эволюционным развитием притопленных дрейфующих буев типа ALACE, MARVOR, PROVOR, APEX и SOLO. В мире уже создан ряд функционально завершенных проектов подводных глайдеров: проекты США Sea Glider, Spray Glider, XRay Glider, Slocum-E и Slocum-T , французский проект Sterne (ранее - Glisserius) и др. В глайдерах широко применяются химические источники тока, устройства преобразования тепловой энергии океана (изменения температуры воды) в механическую энергию, запасаемую в аккумуляторе давления и другие энергосберегающие технологии.

Масса глайдеров изменяется в пределах 50-120 кг, длина от одного метра .

Аппарат Spray, представленный на рис. 1, был сконструирован американскими учеными из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Института океанографии в Вудс-Хоул (штат Массачусетс) [1].

Дальность плавания глайдера Spray составляет до 6000 км. Аппарат может находиться в море месяцами с относительно небольшими затратами, позволяя ученым наблюдать широкомасштабные изменения под поверхностью океана. Аппарат погружается и всплывает по запрограммированному курсу за счет перекачивания одного литра минерального масла между двумя емкостями, одной - внутри

, - .

по отношению к окружающей воде он всплывает или погружается, а гидродинамические плоскости обеспечивают подъемную силу для движения вперед. Аккумуляторы обеспечивают энергией все подсистемы глайдера. Для отправки данных

GPS , , -

, GPS,

плавник. Данные передаются на наземный пункт, и исследователи могут их подвергнуть дальнейшей обработке.

Рис. 1. Внешний вид глайдера Spray Рис. 2. Внешний вид глайдера Seaglider

Состав датчиков аппарата зависит от специфики выполняемой задачи. Аппарат может быть оборудован профилографом или акустическим лагом, датчиками измерения солености, температуры, глубины, мутности и т.д. Робот всплывает на

( ), . Протяженность суточного "проплыва" составляет около 20 км, а максимальная глубина, на которую способен опускаться аппарат, достигает 1500 метров.

Seaglider, -

тонского университета под руководством профессора океанографии Чарльза

Эриксена (Charles C. Eriksen) [2], представлен на рис. 2.

GPS, - ,

компьютерная система контроля, разнообразные датчики, система спутниковой свя-

зи и «плавательный пузырь» из эластичных полимеров, выполняющий роль балла, , . балласт находится в хвосте робота. Насосы выкачивают из него гидравлическую жидкость, при этом аппарат начинает погружаться, и закачивают обратно, при . Seaglider , -

, .

Из представленного обзора видно, что отличительными особенностями глай-деров являются наличие подводных крыльев, способность измененять плавучесть и отсутствие гребных винтов. Управление креном, дифферентом и курсом глайде-, , rp

mp , , ,

глайдера. Благодаря наличию балласта, способного изменять свою массу, закачивая или выкачивая жидкость, глайдер обладает способностью изменять свою плавучесть. На рис. 3 представлено распределение массы в глайдерах. В некоторых моделях имеется возможность независимого управления рулями направления и , -теристиками. Таким образом, управление креном, дифферентом и курсом в сочетании с плавучестью аппарата дает возможность управлять глайдерами в пространстве внешних координат.

Рис. 3. Распределение массы подводного глайдера (тр,гр - масса и положение подвижной и постоянной массы глайдера, т,Т; - масса и положение неподвижной и постоянной массы, тъ - переменная масса глайдера, тк - масса корпуса)

Структура системы управления. Для синтеза структуры системы управления подводным глайдером, его математическую модель можно представить в виде [3]:

Y = Е(в, x) =

ЕP (в, x) 20 (в, x)^

x = M ^ F, rp =—Pp -У-WXrp,

m

P = u,

p

m = ub,

где X - m-вектор внутренних координат; Y - n-вектор положения и ориентации связанной системы координат относительно базовой, n < 6; 2(0, х) - д^^^тор

кинематических связей; 2P (0, х) - вектор линейных скоростей связанной системы координат относительно базовой; 20 (0, х) - вектор угловых скоростей связанной системы координат относительно базовой M - mxm-матрица массо-

, , , присоединенные массы глайдера; F(x,Y,rp,Pp,u,l,R) - m-вектор внешних и внутренних сил и моментов, здесь l - вектор конструктивных параметров, R - вектор гидродинамических сил и моментов; u = Pp xW+Fp + u, где u - (m-1) вектор управ-( , ); W - вектор угловых скоростей глайдера; rp - вектор положения подвижного груза;

Pp - ; mp - (

); Fp - ,

.

Для исследования движения глайдера воспользуемся параметрами аппарата ROGUE, описанного в [3], и сформируем векторный закон управления на основе [4, 5, 6].

При синтезе структуры системы управления подводного глайдера учитывались результаты работы, полученные в [8, 9] для АНПА. Предлагаемая структура системы управления представлена на рис. 4 и включает в себя блок внешних сенсоров, планировщик, автопилот, исполнительные механизмы, датчики внутренней ( ).

. 4.

Блок внешних сенсоров включает в себя GPS, альтиметры, сонары или иные датчики внешней информации. Планировщик перемещений, на основе сенсорных данных о состоянии внешней среды, определяет желаемые глобальные траектории . , -ектории, а также информацию от датчиков внутренней информации (фотоим-пульсные, индукционные и прочие датчики, устанавливаемые на органах управле-), -.

Как следствие особенностей глайдера, для перемещения в горизонтальной , . Поэтому траектория движения будет иметь пилообразную форму. Зададим три , 1 2 , а траектория 1 от траектории 3 - большим периодом пилообразной траектории. Результаты моделирования движения глайдера вдоль таких траекторий представлены на рис. 5, 6.

xg

Рис. 5. Движения подводного глайдера по трем траекториям 1 - траектория 1; 2 - траектория 2; 3 - траектория 3

Графики изменения горизонтальной и вертикальной скоростей глайдера представлены на рис. 6.

а Ь

Рис. 6. Графики изменения горизонтальной(а) и вертикальной(Ъ) скорости движения глайдера вдоль трех траекторий

На рис. 7 представлено изменение массы балласта глайдера.

t,c

Рис. 7. Графики изменения массы балласта при движении вдоль разных

траекторий

Из представленных результатов моделирования очевидно, что период и амплитуда траектории определяют энергетические затраты, необходимыме для реа.

.

управления и результаты моделирования движения глайдера, при использовании известных алгоритмов управления [7, 8, 9]. Полученные результаты позволят сформулировать задачу синтеза оптимальных управлений, минимизирующих критерий энергетических затрат.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. http://www.popmech.ru/article/3101-vechnyiy-podvodnyiy.

2. http://www.irobot.com/gi/maritime/1KA_Seaglider.

3. Naomi Ehrich Leonard, Joshua G. Graver. Model-Based Feedback Control of Autonomous Underwater Gliders // Iieee Journal of Oceanic Engineering. - 2001. - Vol. 26, №. 4.

- C.633-645.

4. . ., . ., . ., . ., . .,

Гуренко Б.В. Управление воздухоплавательными комплексами: теория и технологии проектирования. - М.: Физматлит, 2010. - 394 с.

5. . . - . - -

рог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - C. 183.

6. . ., . .

// - .

- 2006. - № 1. - С. 103-109.

7. . . -

ными объектами // Известия ТРТУ. - 2006. - № 3 (58). - С. 49-57.

8. . ., . ., . . -матического управления подводными аппаратами для априори неформализованных сред // - . -тивные роботы. - М.: Изд-во Радиотехника, 2006. - № 1-3. - Т. 4. - C.73-79.

9. .. .. , . ., . ., . .,

Гуренко Б.В, Костюков В А., Волощенко Ю.П. Автономный подводный аппарат «СКАТ»

// . -

ские науки. - 2010. - № (104). - С. 153-163.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор РА. Нейдорф. Гуренко Борне Викторович

Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: boris.gurenko@gmail.com.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: 88634371694.

Кафедра электротехники и мехатроники; аспирант.

Gurenko Boris Victorovich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: boris.gurenko@gmail.com.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: +78634371694.

The Department of Electrical Engineering and Mechatronics; Postgraduate Student.