Теория автоматического управления






Скачать 344.39 Kb.
НазваниеТеория автоматического управления
страница1/4
Дата публикации12.02.2015
Размер344.39 Kb.
ТипДокументы
top-bal.ru > География > Документы
  1   2   3   4


Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Кафедра СМ-11

Проект по курсу

Теория автоматического управления


Стабилизатор глубины дрейфа вертикального необитаемого подводного аппарата

Руководитель: д.т.н. .проф. Северов С.П.
Выполнил: студент группы СМ11-71 Судаков Н.В.

Москва 2006г.

Оглавление.




Перечень используемых сокращений

В данном курсовом проекте будут использоваться следующие аббревиатуры:

WOCE ЁC World Ocean Circulation Experiment (эксперимент по изучению глобальной циркуляции);

MODE ЁC Mid Ocean Dynamical Experiment (эксперимент по динамическому исследованию промежуточного слоя океана);

ПОЛИМОДЕ ЁC производное из двух слов MODE (американский эксперимент по исследованию течений в промежуточном слое океана «MODE»), и Полигон (аналогичный, но более ранний советский эксперимент «Полигон-70»).

ALACE ЁC Autonomous Lagrangian Circulation Explorer (автономный Лагранжев анализатор циркуляции);

PALACE ЁC Profiler Autonomous Lagrangian Circulation Explorer (автономный Лагранжев анализатор циркуляции с функцией профилемера);

БНП ЁC буй нейтральной плавучести;

ТТХ ЁC тактико-технические характеристики;

СГ ЁC стабилизатор глубины;

СТД ЁC датчик солености и температуры;

ВНПА ЁC вертикальный необитаемый подводный аппарат;

ММО ЁC международная метеорологическая организация;

МОК ЁC межправительственная океанографическая комиссия;

ГНСК ЁC глобальная наблюдательная система для климата;

ГСТ ЁC глобальная сеть телесвязи;

ИИК ЁC информационно-измерительный комплекс.
Оценка актуальности аналитических исследований проектируемого объекта.

Океан занимает 2/3 площади поверхности Земли, и только 1/3 приходится на сушу. Большая часть ресурсов в земной коре разведана, значительная часть добыта. Народонаселение нашей планеты, непрерывно растет, в то время как океан остается слабо освоенным. Он играет огромную роль в формировании климата на нашей планете. Океан является колыбелью штормов, ураганов, эльниньо, смерчей, цунами, заблаговременно прогнозировать которые человечество пока не научилось. В связи с этим в настоящее время изучение и освоение океана становится задачей номер один для всех государств мира [4].

Рассматриваемый в данной работе класс аппаратов ЁC буи нейтральной плавучести (БНП) используются для определения направления и скорости подводных течений, а также для измерения профилей температур и солености.

Традиционно наблюдения температуры и солености осуществлялись батометрами, термобатиграфами, СТД ЁC зондами, с бортов научно-исследовательских, гидрографических и попутных судов. До 1991 года большая часть наблюдений температуры и солености поставлялась научно-исследовательским, гидрографическим и гидрометеорологическим флотами. В последнее время основная масса таких наблюдений поступала вдоль основных коммерческих маршрутов от судов, участвующих в специальной программе попутных измерений температуры и солености теряемыми батитермографами. В рамках проекта WOCE была апробирована новая технология измерений температуры и солености. Одной из задач WOCE была задача измерения течений в верхнем тысячеметровом слое океана. Для решения этой задачи Рас Девис и Руг Вебб создали автономный Лагранжев анализатор циркуляции (Autonomous Lagrangian Circulation Explorer, ALACE), который был приспособлен Джоном Сваллоу для исследования течений на заданном изобарическом уровне. В последствии БНП использовались для исследования синоптических вихрей в океане в проектах МОДЕ и ПОЛИМОДЕ. Скорость течения определялась по траектории Лагранжева дрейфа БНП. Координаты БНП на первом этапе определялись акустическим методом либо с кораблей, либо со специальных станций использовавших звуковые каналы. В отличие от ранних способов координирования БНП ALACE использовали спутниковое позиционирование. Во время выполнения программы WOCE по определению скорости течений было осознано, что, оснастив БНП датчиками температуры и солености, можно измерять соответствующие параметры, когда БНП поднимаются к поверхности, и к концу программы большинство аппаратов снабжались соответствующими датчиками (эти аппараты получили название PALACE). Буи типа PALACE являются эффективным средством для исследования крупномасштабной низкочастотной изменчивости течений и регулярного получения профилей температуры и солености морской воды. Вертикальное перемещение буя происходит путем изменения его плавучести (его объем изменяется за счет нагнетания гидравлической жидкости во внешний эластичный баллон) [1].

Поскольку позиционирование буя и передача данных осуществляется через спутник, отпадает необходимость в развитии сети акустических станций, оказывается возможным развивать глобальную сеть буев типа PALACE любой конфигурации. Они дрейфовали на заданном горизонте (от 200м до 1000м), всплывали на поверхность через заданный интервал времени, передавали на спутники ARGOS сигнал, позволяющий зафиксировать их положение, и вновь опускались на горизонт дрейфа [1].

В программе использовались и иные буи. Среди них отметим буи ALFOS ЎЄ разновидность RAFOS, посылавшие сигнал не на спутник, а на заякоренные буи. Дрейфующие буи SLOCUM не имели обычных энергетических батарей, а получали энергию за счет разности температур воды на поверхности и на горизонте дрейфа. Было выпущено 1000 буев ALACE/PALACE. В дальнейшем они были заменены буями более совершенной конструкции APEX.

Буй-профилемер APEX рассчитан на 4 года эксплуатации и может подняться с глубины 2000 м 150 раз. При необходимости буй APEX может быть запрограммирован для дрейфа вдоль изоклинической поверхности. Новый буй-профилемер имеет возможность свободно дрейфовать на произвольной глубине, опускаясь перед всплытием на максимальную глубину, так что профили измеряемых параметров могут быть получены от глубины 2000 м до поверхности. Например, буй-профилемер может дрейфовать на глубине 1000 м, опуститься на 2000 м, и, всплывая на поверхность измерить профили нужных параметров [7].

Общие технические характеристики буя-профилемера APEX [7].

Размеры

Диаметр 16,5 см

Длина 130 см (без антенны)

Длина антенны 70 см

Масса 26 кг

Число циклов 150

Максимальная глубина 2000 м

Батареи щелочные

Процедура запуска ЁC простая: достаточно провести магнитом вдоль линии обозначенной на корпусе буя [6].

Число и дискретность отсчетов на каждом профиле ЁC программируемо, типично до 1000 отсчетов температуры и солености с интервалом 5 ЁC 10м, вертикальное разрешение лимитируется пропускной способностью, телеметрии, а не конструкцией буя [1].

Стандартный буй измеряет температуру и соленость, однако возможно подключение дополнительных датчиков или задание любой их конфигурации (одновременно с температурой и соленостью может измеряться содержание кислорода в морской воде, прозрачность, мутность) [1].

Датчики температуры и солености (электропроводности), устанавливаемые на буи, могут быть двух типов: компании СИБЕД и ФАЛМУТ ЎЄ SBE-41 и FSI соответственно. Датчики работают в течение 3-4 лет, и точность измерений солености (электропроводности) со временем уменьшается с 0.0003 до 0.01 [6].

Буи-профилемеры поставляются в готовом для использования виде. Запускать их можно с научноЁCисследовательских, коммерческих судов и с самолетов. Коммерческие суда в отличие от научно-исследовательских не останавливаются для проведения научных исследований. Обычно они движутся со скоростью до 25 узлов, длина их палубы обычно 25м (опускают БНП в специальных контейнерах защищающих оборудование на стропах или по специальному желобу ЁC способ разработан в университете штата Вашингтон). С 1993г. Гидрографическая служба США регулярно запускает APEX со специального самолета С-130 (буй сбрасывается в контейнере на парашюте). Буй обладает специальными стабилизаторами, позволяющими ему выдерживать нужную ориентацию антенны, когда он находится на поверхности океана. С учетом опыта полученного при реализации программ WOCE ММО и МОК инициировали программу АРГО. Программа АРГО основана в 1999г. В программе приняли участие 16 стран: Австралия, Канада, Китай, Дания, Франция, Германия, Индия, Япония, Нидерланды, Новая Зеландия, Норвегия, Южная Корея, Россия, Испания, Великобритания, США и Европейская комиссия. Глобальный запуск БНП является основополагающим вкладом этих стран в реализацию проекта ГНСК. В рамках программы АРГО планировалось к 2006 году запустить 3000 буев-профилемеров, равномерно распределенных по мировому океану (через каждые 3 градуса или 300 км). Планировалась сеть буев-профилемеров на основе представлений об изменчивости океана, полученных путем анализа судовых гидрологических наблюдений, синоптических процессов и в соответствии с требованиями моделей климата и океанической циркуляции [1].

Кроме буев APEX (Webb Research Corporation, США) в проекте использовались буи PROVOR (французской фирмы MARTEC, работающей в тесной кооперации с IFREMER) и SOLO (Скрипсовский океанографический институт, США) [6].

Ниже приведены основные технические характеристики буя PROVOR [6].

Размеры

Диаметр 16,5 см.

Длина 130 см (без антенны)

Длина антенны 70 см.

Масса 26 кг.

Число циклов 100

Максимальная глубина 2000 м

Батареи литиевые

Процедура запуска ЁC сложная: запуск под силу лишь специалисту с компьютером [6].

Число и дискретность отсчетов на каждом профиле ЁC программируемо, вертикальное разрешение лимитируется пропускной способностью, типично до 1000 отсчетов температуры и солености с интервалом 5 ЁC 10 м, вертикальное разрешение лимитируется пропускной способностью, телеметрии, а не конструкцией буя [6].

Используемые в буях APEX (WEBB) щелочные батареи не имеют ограничений в транспортировке, а литиевые батареи PROVOR (MARTEC) не могут перевозиться пассажирскими самолетами [6].

До недавнего времени преимуществом буев PROVOR было отсутствие ограничения дрейфа нижним горизонтом зондирования (глубина дрейфа может отличаться от нижнего горизонта зондирования), но последние образцы буя APEX также обладают этой особенностью. Сравнение буев, проведенное недавно английскими океанографами, показало неоспоримые преимущества буев APEX [6].

Спущенный на воду буй дрейфует на поверхности в течение некоторого промежутка времени, достаточного для передачи данных на проходящие спутники (обычно 6 часов). После опускания на заданный горизонт буй дрейфует в течение 10 дней, после чего поднимается на поверхность с постоянной скоростью 1 м/с, проводя измерения давления, температуры и солености (электропроводности) (для горизонта 2000 м этот процесс обычно занимает 4 часа). Цикл повторяется до тех пор, пока не истощатся батареи или буй не будет выловлен рыбаками. Поймать буй специально довольно сложно ЎЄ требуется сочетание многих условий: спутниковый телефон, пеленгационный контур и хорошая погода [6].

Измерения температуры и солености сохраняются в запоминающем устройстве на борту буя, а затем передаются на спутники системы ARGOS. Также для передачи данных могут использоваться спутники системы GPS, при этом повышается точность определения координат, и уменьшается время передачи данных [1].

Все данные наблюдений с буев поступают через приемные спутниковые станции в два глобальных центра данных АРГО и в национальные центры данных АРГО [1].

В настоящее время существует два глобальных Центра данных АРГО: в Монтеррее (США) и в Тулузе (Франция) [1].

Национальные центры данных имеют все страны-участницы проекта. Все данные по проекту АРГО объявлены свободно доступными мировому сообществу (через мировую сеть ГСТ). Полные наблюдения, прошедшие контроль (т.н. задержанные данные) доступны через национальные центры данных АРГО с задержкой до 5 месяцев [1].

Программа АРГО решает несколько задач. Буи-профилемеры осуществляют количественное описание изменений происходящих в верхнем слое океана, в том числе тепло-запас, соле-запас и перенос этих субстанций. Измерения, производимые буями-профилемерами, дополняют альтиметрические наблюдения реальными профилями температуры и солености и данными о скорости течений с приемлемым временным и пространственным разрешением, что позволяет повысить качество интерпретации спутниковых измерений топографии морской поверхности. Впервые будет произведено столь детальное описание 2-х километрового слоя океана. Эти данные позволят осуществить инициализацию моделей океанической циркуляции и объединенных моделей океана и атмосферы. Ассимиляция данных дрейфующих буев в режиме времени близком к реальному позволит улучшить качество прогнозов погоды. Одним из основных выходов программы АРГО должно явиться документирование изменчивости полей океана на масштабах от сезона до нескольких десятилетий. Сегодня именно создание новых и расширение сети уже существующих БНП может помочь нам раскрыть многие тайны океана [1].

Структурно-функциональное описание стабилизатора глубины буя нейтральной плавучести APEX

Структура БНП APEX представлена на рисунке (рис.1) [1].

Рис. 1

БНП APEX представляет закрытый цилиндр (он, по сути, является прочным корпусом), внутри которого размещена система управления и ИИК. Спутниковая антенна, датчики температуры и солености, блоки управления и спутниковой связи образуют ИИК БНП. Электромотор, насос, батарея, поршень, гидравлическая жидкость, расширительный пузырь, стабилизирующий диск относятся к системе управления аппарата. Изменение глубины погружения БНП APEX достигается изменением объема расширительного пузыря, в который поршень, приводимый в движение насосом (его работу обеспечивает электромотор), нагнетает или забирает гидравлическую жидкость [1].

Основные проектные параметры и ТТХ прототипа

[2]

Как уже было указано выше: осуществляем проектирование системы динамического позиционирования БНП по глубине ЁC стабилизатора глубины. Управляющее воздействие будем формировать на основе принципа изменения объема (изменяем объем внешнего эластичного резервуара). Поскольку аппарат рассчитан на длительный период автономной работы то основным требованием к системе будет малое энергопотребления. Высокая экономичность процессов удержания БНП на заданной глубине возможна только при оптимальном сочетании принципов активного и пассивного формирования управляющих воздействий, т.е. при максимальной скважности расхода электроэнергии от бортового источника. Для реализации принципа пассивного управления необходимо установить зону плавания СНПА по глубине (она должна быть достаточно большой: 10м и более, чтобы использовать эффект изменения плавучести ВНПА за счет градиента поля плотности воды по глубине). Зона плавания по глубине должна удовлетворять требованиям по точности удержания. Активное управление целесообразно применять на границах этой зоны. В первую очередь необходимо выбрать оптимальный закон управления. Наиболее простым и эффективным решением вопроса о выборе алгоритма управления в СГ для ВНПА является применение релейных законов управления. Они позволяют получить заведомо устойчивое программное движение, порождаемое релейным законом управления [2].

Алгоритм управления, основанный на сочетании принципов активного и пассивного управления, может обеспечить удержание ВНПА на глубинах до 2000 м (на больших глубинах плотность слабо изменяется с изменением глубины) [2].

Определение основных проектных параметров начнем с определения зоны плавания ВНПА типа БНП по глубине.

Исходное уравнение движения БНП на глубине выглядит следующим образом [2]:
  1   2   3   4

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
Рассмотрим нелинейную систему автоматического уравнения, динамика которой описывается уравнениями

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
Рассмотрим характеристическое уравнение гармонически линеаризованной системы управления

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
...

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых...
Общие сведения о цифровых автоматических системах. Основные понятия и определения

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
Рассмотрим особые точки и фазовые портреты линейных систем, математическими моделями которых являются дифференциальные уравнения...

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
Рассмотрим систему автоматического уравнения, в качестве нелинейного элемента которой используется звено с релейной характеристикой...

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория линейных...
Автоматика – область науки и техники, в которой рассматриваются вопросы исследования и проектирования технических систем, действующих...

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория линейных...
Для того, чтобы добиться желаемого качества процессов управления (устойчивость, качество переходного процесса, точность отработки...

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных систем автоматического
Рассмотрим особые точки и фазовые портреты линейных систем, математическими моделями которых являются дифференциальные уравнения...

Теория автоматического управления iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных систем автоматического
Рассмотрим особые точки и фазовые портреты линейных систем, математическими моделями которых являются дифференциальные уравнения...



Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2018
контакты
top-bal.ru

Поиск