Описание примера

В примере демонстрируется применение блоков библиотеки "Динамика МПО" для моделирования движения автономного подводного аппарата (АПА) в вертикальной плоскости (ВП). В примере представлены две модели, составленные с использованием стандартных средств ПО SimInTech и базы данных сигналов (БД): в первой модели используются блоки библиотеки "Динамика МПО", в которых свойства задаются списком, во второй – блоки, в которых свойства задаются с помощью векторов и матриц. Так как работа этих моделей идентична, далее будет представлено полное описание только первой модели.

Разработанная модель позволяет продемонстрировать движение двух АПА ("Заказ 1" и "Заказ 2") с различной формой корпуса: различными гидродинамическими характеристиками (ГДХ) и инерционными составляющими. С использованием двух моделей для каждого АПА (исходной и уточненной) показывается универсальность использования блоков библиотеки – одна компьютерная модель для различных объектов управления, с различными математическими моделями.

Работа гребного винта (ГВ) демонстрируется с использованием зависимости силы тяги ГВ от скорости хода АПА.

Применение подруливающих устройств (ПУ) представлено без учета нелинейного характера их работы.

В примере есть возможность пользовательской настройки коэффициентов нелинейной работы ГВ и ПУ.

Оба АПА характеризуются следующими признаками:
  • имеют симметрию корпуса относительно своих диаметральных плоскостей
  • находятся в правой связанной системе координат (ССК) с началом в центре масс АПА
  • составляющие горизонтального и поперечного движения считаются нулевыми и не используются в расчетах
  • оснащены парными разрезными кормовыми (КГР) и носовыми (НГР) горизонтальными рулями с одинаковыми ГДХ для различных моделей (исходная, уточненная) и АПА ("Заказ 1", "Заказ 2")
  • оснащены ГВ с одинаковой характеристикой набора скорости хода
  • оснащены ПУ с одинаковыми характеристиками набора оборотов
  • имеют цистерны для приема (отлива) забортной воды, смещенные относительно их центров масс

Работа модели организуется с использованием БД. Постоянные параметры АПА задаются в БД, а параметры, характеризующие движение АПА, задаются в блоках модели. Использование БД в данном примере позволяет задавать пользовательские данные по АПА.

Для демонстрации работы модели используется несколько режимов движения АПА в вертикальной плоскости, позволяющих полностью оценить работоспособность разработанной модели без дополнительного применения в составе модели системы управления движением АПА.

В примере демонстрируется возможность учета влияния возмущений и течения внешней среды на движение АПА.

Исходные параметры и моделируемые режимы движения АПА

Для моделирования движения в данном примере рассматриваются два АПА – "Заказ 1" и "Заказ 2". Параметры АПА приведены в таблицах Таблица 1 и Таблица 2).

Табл. 1. Параметры АПА "Заказ 1".
Обозначение Наименование Значение
W Подводное водоизмещение, м3 1200
g Ускорение свободного падения, м/с2 9.81
Xa Расстояние центра величины от центра масс по оси Ох, м 0
Ya Расстояние центра величины от центра масс по оси Оy, м Выбирается согласно модели
Za Расстояние центра величины от центра масс по оси Оz, м 0
h_isx Исходная метацентрическая высота, м 0.13
h_iden Уточненная метацентрическая высота, м 0.16
Jxx Момент инерции заказа относительно связанной оси Ох, кг×м2 20500
Jyy Момент инерции заказа относительно связанной оси Оy, кг×м2 115000
Jzz Момент инерции заказа относительно связанной оси Оz, кг×м2 114000
k11 Коэффициент присоединенных масс k11 0.025
k22 Коэффициент присоединенных масс k22 0.7
k26 Коэффициент присоединенных статических моментов k26 0.004
k33 Коэффициент присоединенных масс k33 0.95
k34 Коэффициент присоединенных статических моментов k34 0.03
k35 Коэффициент присоединенных статических моментов k35 -0.002
k44 Коэффициент присоединенных моментов инерции k44 0.2
k55 Коэффициент присоединенных моментов инерции k55 0.7
k66 Коэффициент присоединенных моментов инерции k66 0.9
kFx Коэффициент в уравнении тяги гребного винта 0.158
Табл. 2. Параметры АПА "Заказ 2".
Обозначение Наименование Значение
W Подводное водоизмещение, м3 800
g Ускорение свободного падения, м/с2 9.81
Xa Расстояние центра величины от центра масс по оси Ох, м 0
Ya Расстояние центра величины от центра масс по оси Оy, м Выбирается согласно модели
Za Расстояние центра величины от центра масс по оси Оz, м 0
h_isx Исходная метацентрическая высота, м 0.15
h_iden Уточненная метацентрическая высота, м 0.17
Jxx Момент инерции заказа относительно связанной оси Ох, кг×м2 20000
Jyy Момент инерции заказа относительно связанной оси Оy, кг×м2 100000
Jzz Момент инерции заказа относительно связанной оси Оz, кг×м2 100000
k11 Коэффициент присоединенных масс k11 0.02
k22 Коэффициент присоединенных масс k22 0.6
k26 Коэффициент присоединенных статических моментов k26 0.003
k33 Коэффициент присоединенных масс k33 0.9
k34 Коэффициент присоединенных статических моментов k34 0.02
k35 Коэффициент присоединенных статических моментов k35 -0.001
k44 Коэффициент присоединенных моментов инерции k44 0.1
k55 Коэффициент присоединенных моментов инерции k55 0.5
k66 Коэффициент присоединенных моментов инерции k66 0.7
kFx Коэффициент в уравнении тяги гребного винта 0.103

ГДХ АПА с исходными и уточнёнными моделями в зависимости от положения НГР соответствуют данным в таблице (Таблица 3).

Табл. 3. Гидродинамические характеристики АПА.
Составляющая ГДХ АПА "Заказ 1" "Заказ 2"
Исходная модель Уточненная модель Исходная модель Уточненная модель
с НГР без НГР с НГР без НГР с НГР без НГР с НГР без НГР
Cx10 -0.026 -0.026 -0.028 -0.028 -0.022 -0.022 -0.024 -0.024
Cx12 0.018 0.013 0 0 0.02 0.015 0 0
Cx12m2 -0.011 -0.2 0 0 -0.01 -0.03 0 0
Cx122 0.13 0.14 0 0 0.15 0.1 0 0
Cx16 -0.012 -0.03 0 0 -0.013 -0.01 0 0
Cx16m6 0.022 0.14 0 0 0.02 0.01 0 0
Cx166 -0.13 -0.2 0 0 -0.12 -0.1 0 0
Cy10 -0.0008 -0.0011 -0.001 -0.0014 -0.0009 -0.0014 -0.0013 -0.0017
Cy12 -0.71 -0.64 0 0 0.02 0.015 0 0
Cy12m2 0.02 0.3 0 0 0.05 0.5 0 0
Cy122 -0.6 -1.5 0 0 -0.3 -0.1 0 0
Cy16 3.0 3.3 2.6 2.9 -3.4 -3.0 -3.6 -3.8
Cy16m6 -0.07 -0.1 0 0 0.2 0.3 0 0
Cy166 1.2 1.4 0 0 -1.0 -1.2 0 0
mz10 0 0 0 0 -0.001 -0.003 -0.011 -0.004
mz12 -0.9 -0.68 -1.1 -0.84 -0.25 -0.1 -0.33 -0.15
mz12m2 0.6 0.4 0 0 0.02 0.01 0 0
mz122 -1.4 -1.2 0 0 -0.3 -0.15 0 0
mz16 -4.0 -3.5 -4.3 -3.8 -5.1 -4.5 -5.44 -5.0
mz16m6 0.5 0.2 0 0 0.6 0.5 0 0
mz166 -1.1 -0.9 0 0 -1.5 -1.1 0 0

В таблице (Таблица 4) приведены ГДХ рулей (для одного пера руля) для всех моделируемых режимов движения АПА.

Табл. 4. Гидродинамические характеристики рулей.
Составляющая ГДХ руля Кормовой горизонтальный руль Носовой горизонтальный руль
Исходная модель Уточненная модель
Cx2 -0.044 -0.044 -0.033 -0.033
Cy1 0.15 0.15 0.074 0.074
Cy1m1 -0.45 -0.45 0 0
Cy3 0.7 0.7 0 0
Cy3m1 -0.37 -0.37 0 0
mz1 -0.39 -0.39 0.018 0.018
mz1m1 1.18 1.18 0 0
mz3 -1.81 -1.81 0 0
mz3m1 0.97 0.97 0 0

В таблице (Таблица 5) приведены характеристики ГВ.

Табл. 5. Характеристики ГВ.
№ Обозначение Наименование Значение
1 kTEmgv Коэффициент зависимости тяги ГВ от скорости хода АПА на малых скоростях его хода 0.103
2 kTEsgv Коэффициент зависимости тяги ГВ от скорости хода АПА на средних скоростях его хода 0.103/1.3
3 kTEbgv Коэффициент зависимости тяги ГВ от скорости хода АПА на больших скоростях его хода 0.103/1.5
4 dVx Диапазон средних скоростей хода АПА, уз [7.2, 15.2]

В таблице (Таблица 6) приведены характеристики ПУ.

Табл. 6. Характеристики ПУ.
№ Обозначение Наименование Значение
1 Dpy Диаметр ПУ, м 0.5
2 kTePY Коэффициент тяги ПУ, Н 0.0005
3 k1py0 Свободный коэффициент аппроксимации k1_pyi зависимости коэффициента снижения тяги ПУ k1_py(&βpy) для всех ПУ 1
4 k2py0 Свободный коэффициент аппроксимации k2_pyi зависимости коэффициента снижения тяги ПУ k2_py(&βpy) для всех ПУ 1
5 (xVPYVLB, yVPYVLB, zVPYVLB) Координаты ВВПУ ЛБ относительно центра масс АПА (x, y, z) (10, 0, -3)
6 (xVPYVPrB, yVPYVPrB, zVPYVPrB) Координаты ВВПУ ПрБ относительно центра масс АПА (x, y, z) (10, 0, 3)
7 (xVPYVLB, yVPYVLB, zVPYVLB) Координаты ВЗПУ ЛБ относительно центра масс АПА (x, y, z) (-10, 0, -3)
8 (xVPYVPrB, yVPYVPrB, zVPYVPrB) Координаты ВЗПУ ПрБ относительно центра масс АПА (x, y, z) (-10, 0, 3)
В примере рассматриваются следующие режимы движения двух АПА с различными моделями, различным положением НГР:
  • "Режим 1а" – переход по глубине "Заказа 2" при перекладке КГР 30º на погружение, НГР – убраны
  • "Режим 1б" – переход по глубине "Заказа 2" при перекладке КГР 30º на погружение, НГР – выдвинуты
  • "Режим 2а" – переход по глубине "Заказа 2" при перекладке КГР 10º на всплытие, с последующей их перекладкой в начальное положение, модель – уточненная
  • "Режим 2б" – переход по глубине "Заказа 2" при перекладке КГР 10º на всплытие, с последующей их перекладкой в начальное положение, модель - исходная
  • "Режим 3" – раздифферентовка по силе и моменту "Заказа 2"
  • "Режим 4" – движение с использованием ПУ "Заказа 2"
  • "Режим 5" – движение "Заказа 2" с учетом влияния течения внешней среды и условий "Режима 3" и "Режима 4"

По умолчанию в модели установлены параметры для "Режима 5" (Таблица 7).

Табл. 7. Задаваемые параметры моделируемых режимов.
Составляющая ГДХ руля Кормовой горизонтальный руль
1а 1б 2а 2б 3 4 5
Параметры АПА
АПА Заказ 2 Заказ 2 Заказ 1 Заказ 1 Заказ 2 Заказ 2 Заказ 2
Модель исходная исходная уточненная исходная уточненная уточненная уточненная
Положение НГР убран выдвинут убран убран выдвинут выдвинут выдвинут
Выбор плоскости движения автомат. автомат. ручной ручной автомат. автомат. автомат.
Нормирующий коэффициент 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3
Выбор плоскости движения 1020 1020 1020 1020 1020 1020 1020
Выбор плоскости движения 5 5 4 4 6 6 6
Параметры Режимы
1а 1б 2а 2б 3 4 5
Vy0, м/с 0 0 0 0 0 0 0
Wz0, рад/с 0 0 0 0 0 0 0
Ksi0, м 0 0 0 0 0 0 0
Eta0, м 50 50 250 250 100 100 100
Psi0, º 0 0 0 0 0 0 0
Параметры рулевых устройств
Начальный угол перекладки КГР, º 0 0 0 0 0 0 0
Заданный угол перекладки КГР, º -30 -30 10 10 -9.45 0 -9.45
Заданная скорость перекладки КГР, º/с 3 3 3 3 3 0 3
Время начала перекладки КГР, с 0 0 0 0 150 0 150
Время начала обратной перекладки КГР, с - - 200 200 - - -
Начальный угол перекладки НГР, º 0 0 0 0 0 0 0
Заданный угол перекладки НГР, º 0 0 0 0 -11.85 0 -11.85
Заданная скорость перекладки НГР, º 0 0 0 0 2 0 2
Время начала перекладки НГР, с 0 0 0 0 150 0 150
Время начала обратной перекладки НГР, с - - - - - - -
Параметры подруливающих устройств
Начальная частота вращения ВВПУ ЛБ, об/с - - - - - 0 0
Заданная частота вращения ВВПУ ЛБ, об/с - - - - - -30 -30
Заданная скорость изменения оборотов ВВПУ ЛБ, об/c2 - - - - - 5 5
Время начала изменения оборотов ВВПУ ЛБ, с - - - - - 0 200
Время начала задания обратных оборотов ВВПУ ЛБ, с - - - - - 150 -
Начальная частота вращения ВВПУ ПрБ, об/с - - - - - 0 0
Заданная частота вращения ВВПУ ПрБ, об/с - - - - - 30 30
Заданная скорость изменения оборотов ВВПУ ПрБ, об/c2 - - - - - 5 5

Время начала изменения оборотов ВВПУ ПрБ, с

 - - - - - 0 200
Время начала задания обратных оборотов ВВПУ ПрБ, с - - - - - 150 0
Начальная частота вращения ВЗПУ ЛБ, об/с - - - - - 0 0
Заданная частота вращения ВЗПУ ЛБ, об/с - - - - - 30 30
Заданная скорость изменения оборотов ВЗПУ ЛБ, об/c2 - - - - - 5 5
Время начала изменения оборотов ВЗПУ ЛБ, с - - - - - 0 200
Время начала задания обратных оборотов ВЗПУ ЛБ, с - - - - - 150 -

Начальная частота вращения ВЗПУ ПрБ, об/с

 - - - - - 0 0
Заданная частота вращения ВЗПУ ПрБ, об/с - - - - - 30 -30
Заданная скорость изменения оборотов ВЗПУ ПрБ, об/c2 - - - - - 5 5
Время начала изменения оборотов ВЗПУ ПрБ, с - - - - - 0 200
Время начала задания обратных оборотов ВЗПУ ПрБ, с - - - - - 150 -
Параметры возмущения
Величина возмущения, т - - - - -2.5 - -2.5
Координаты точки приложения возмущения (x,y,z), м - - - - (-1, 0, 0) - (-1, 0, 0)
Время начала действия возмущения, с - - - - 20 - 20
Параметры течения
Величина вектора скорости течения, м/с - - - - - - -1
Угол атаки вектора скорости течения, ° - - - - - - 0
Угол дрейфа вектора скорости течения, ° - - - - - - 30

Используемые блоки