Технические науки/11. Робототехника

Д.т.н. Ивель В.П., к.т.н. Герасимова Ю.В.

Северо-Казахстанский государственный университет

им. М.Козыбаева, Казахстан

к.ф.-м.н. Хачикян В.С.

Институт математики и математического моделирования, Казахстан

Моделирующий комплекс для полунатурных испытаний системы управления глубиной погружения

подводного аппарата

Создание систем виртуальной реальности, компьютерных тренажеров и разного рода систем моделирования стало уже традиционным подходом к решению многих серьезных прикладных задач, связанных с проведением дорогостоящих натурных экспериментов [1]. В рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в СКГУ им. М.Козыбаева и АО "ЗИКСТО" был изготовлен комплекс аппаратно-программных средств для системы управления глубиной погружения автономным необитаемым подводным аппаратом (ПА).

Основное назначение комплекса это проведение полунатурного моделирования с целью решения следующих задач:

- исследование методов управлением вертикальным движением ПА, выбор базового закона управления, оптимального по расходу энергии, отладка базовой программы;

- разработка и отладка тестовой программы для оперативной настройки и проверки работоспособности бортового компьютера;

- разработка интерфейса для интерактивной связи бортового компьютера и системы измерения динамических параметров системы управления;

- диагностика всех узлов системы управления, включая исполнительные механизмы и систему противодавления.

Создаваемый моделирующий комплекс должен обеспечить в наглядной графической форме проверку эффективности различных методов/алгоритмов управления, закладываемых в программно-алгоритмический интеллект бортового компьютера. Принципиальной основой его реализации является применение виртуальной реальности, имитационное моделирование и высокая степень модульности. Отличительными особенностями комплекса являются расширенные возможности визуализации для исследования различных режимов управления движением ПА.

Структура программно-аппаратного моделирующего комплекса представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Общая структура комплекса

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: БКп – бортовой компьютер; М_ИМ – компьютерная модель исполнительного механизма; М_ОУ – модель объекта управления; ИМ – исполнительный механизм; КИП – контрольно-измерительные приборы; УР – узел рассогласования; РЭ – релейный элемент; ПВ – поршневой вытеснитель; ДД – датчик давления; h_ИЗ – измеренная текущая глубина (давление) нахождения ПА; h_М – модель текущей глубины.

Принцип работы комплекса заключается в том, что бортовой компьютер выдает управляющие сигналы одновременно на реальный исполнительный механизм и на его компьютерную модель, последовательно с которой включена модель объекта управления, выходом которой является модель текущей глубины ПА. Узел рассогласования сравнивает модельную переменную глубины с ее значением, измеренным датчиком давления. Разность этих сигналов подается на релейный элемент, который управляет работой поршневого вытеснителя. Назначение ПВ – создавать давление на входе датчика давления, пропорциональное переменной h_М, поскольку ПВ не работает только в случае равенства сигналов h_М и h_ИЗ.

Функциональная схема программно-аппаратного моделирующего комплекса представлена на рисунке 2. Положенный в основу модульный принцип обеспечивает универсальность и гибкость, необходимые для модернизации и адаптации комплекса к расширяемому кругу прикладных задач [2].

Рисунок 2. Функциональная схема комплекса для полунатурных

испытаний системы управления глубиной погружения

На рисунке приняты следующие обозначения: МР – объединенная модель объекта управления и исполнительного механизма; РЭ – релейный элемент; КУ1, КУ2 – коммутационные устройства; ЭПТ1, ЭПТ2 – электродвигатели постоянного тока; Кл – бесконтактное реле (ключ); БВД – баллон высокого давления ПА; ИЗСр – имитатор забортной среды; БК – балластная камера ПА; МКп – управляемый механический клапан ВД; Кп1х – управляемые клапана для откачки воды из БК; Кп2х – управляемые клапана для закачки воды в БК;

ВН – водяной насос; Ред – редуктор; x_h – электрический сигнал пропорциональный глубине нахождения (h) ПА; U_УПР – сигналы на закачку и откачку воды; h_ИЗ – текущая глубина погружения.

Комплекс, представленный на рисунке 2, включает в себя реальную систему управления глубиной и вспомогательную систему для моделирования забортного давления. Реальная система управления глубиной состоит из датчика давления (глубины), бортового компьютера, коммутационного устройства, электрического водяного насоса, системы клапанов, системы противодавления и балластной камеры. Вспомогательная система для моделирования забортного давления состоит из модели регулятора, дополнительного коммутационного устройства, дополнительного двигателя постоянного тока, поршневого вытеснителя и камеры высокого давления для имитации забортного давления.

Работа комплекса происходит следующим образом. В начальный момент, соответствующий нахождению ПА на нулевой глубине (поверхность водного бассейна, например, моря), включается в работу БКп, по команде которого, начинается закачка воды в балластную камеру. Эта же команда поступает на компьютерную модель регулятора. Результатом этой команды будет изменение виртуальной глубины погружения (h_М) модели ОР. На выходе эта виртуальная глубина сравнивается с глубиной, измеряемой реальным датчиком давления – h_ИЗ. В зависимости от знака рассогласования ∆ поршневой вытеснитель создает давление h_ИЗ на датчике ДД, которое должно соответствовать виртуальной глубине h_М. Система противодавления под влиянием перепада давления, созданного поршневым вытеснителем с помощью баллона высокого давления, поддерживает давление в балластной камере, равное забортному давлению.

Важным элементом системы управления является исполнительный механизм, а точнее электродвигатель постоянного тока. Качественные и количественные характеристики ЭПТ существенно влияют на расход электроэнергии, особенно в режиме установившихся автоколебаний ПА на заданной глубине [3].

Литература:

1. Агеев М.Д. Киселев Ю.В. и др. Автономные подводные роботы: системы и технологии. – М.: Наука, 2005. – 398 с.

2. Герасимова Ю.В. Быстродействующая система управления электродвигателем постоянного тока // Вестник Павлодарского государственного университета. Павлодар, 2010. – №1 – С. 69-73.

3. Филаретов В.Ф., Лебедев А.В., Юхимец Д.А. Устройства и системы управления подводных роботов. – М.: Наука, 2005. – 270 с.