Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Теория корабля

Диссертационная работа:

Уланов Андрей Владимирович. Управление гидропланом в неоднородном по глубине течении : дис. ... канд. техн. наук : 05.08.01 СПб., 2006 170 с. РГБ ОД, 61:07-5/842

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Условные обозначения 5

Введение 6

Глава 1. Анализ методов исследования движения гидропланов 13

1.1. Характеристика задач и принцип действия гидроплана 13

1.2. Выводы по существующим моделям гидропланов 18

1.3. Существующие способы исследования движения гидропланов 19

1.4. Выводы 24

Глава 2. Математическое описание движения гидроплана в условиях неоднородного поля течения 25

2.1. Пространственная модель движения гидроплана 25

2.1.1. Кинематические уравнения 25

2.1.2. Уравнения динамики 32

2.1.3. Учёт влияния вязкостной компоненты неоднородного поля течения 45

2.1.4. Определение присоединённых масс 50

2.1.5. Определение внешних воздействий на аппарат 52

2.1.6. Определение вязкостных гидродинамических сил и моментов, воздействующих на аппарат 54

2.1.7. Пример определения гидродинамических коэффициентов для аппарата SLOCUM 63

2.2. Аналитические выражения для различных участков движения гидроплана 68

2.2.1. Определение кинематических параметров прямолинейного равномерного режима движения 68

2.2.2. Определение параметров вектора управления по заданным кинематическим параметрам 72

2.2.3 Вычисление перезаглубления гидроплана на участке изменения знака плавучести 73

2.3. Численное моделирование движения гидроплана 76

2.3.1. Исследование движения гидроплана в вертикальной плоскости на устойчивость ; 77

2.3.2. Сравнительное исследование различных способов поворота гидроплана

2.3.3 Исследование движения гидроплана в точках переключения плавучести 81

2.3.4 Исследование движения гидроплана в потоке с постоянной производной скорости течения по глубине 83

2.4 Выводы 84

Глава 3. Организация управляемого движения гидроплана в присутствии течений 85

3.1. Анализ применимости существующих методов определения местоположения аппарата к управлению движением гидроплана 85

3.1.1. Прямой метод измерения смещения аппарата относительно дна 87

3.1.2. Инерциальная навигация 87

3.1.3. Метод навигационного счисления 89

3.2. Методы измерения скорости течения 97

3.2.1. Методы межцикловых смещений 97

3.2.2. Измерение скорости течения по относительной скорости аппарата 102

3.2.3. Измерение скорости течения по изменению ориентации аппарата в пространстве 106

3.2.4. Влияние скачков плотности на точность динамических методов определения местоположения 112

3.2.5. Влияние волнения на точность динамических методов определения местоположения 116

3.3. Метод критериальных уровней и его применение для определения

возможности выполнения гидропланом задачи по обследованию акватории 119

3.3.1. Анализ критериев движения гидроплана 119

3.3.2. Анализ применимости существующих методов многокритериальной оптимизации к задаче исследования движения гидроплана 121

3.3.3. Метод критериальных уровней 123

3.3.4. Сравнительное исследование процесса определения параметров гидроплана методом критериальных уровней и методом последовательных уступок 126

3.4 Выводы 134

Заключение 136

Список литературы 139

Приложение А. Характеристики существующих гидропланов 144

Приложение Б. Программный модуль, реализующий математическую модель пространственного движения гидроплана 1  

Введение к работе:

Предмет исследования. В течение последних десятилетий активно разрабатываются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) [10], призванные дополнить существующую информацию о гидрологии Океана. Особенно ценным применением АНПА является длительное обследование акватории. Тем не менее, широкому их использованию в указанных целях препятствуют три принципиальных барьера, обусловленные необходимостью функционирования АНПА в течение длительного интервала времени (порядка нескольких недель или месяцев):

- недостаточная автономность;

- неточность определения местоположения при длительном времени функционирования;

- отсутствие надёжных алгоритмов управления.

С появлением источников энергии высокой ёмкости и глобальной спутниковой системы позиционирования, эти проблемы начинают постепенно преодолеваться [73, 74]. Обычно, АНПА традиционного исполнения оборудуются винтовым движителем. Однако недостаточная продолжительность действия ограничивает применение таких аппаратов. Возникла необходимость в рассмотрении альтернативного, по отношению к традиционным, вида подводных аппаратов, который бы давал им значительные преимущества при выполнении обследования Океана. Этот вид ПА может быть назван гидропланом [26].

Гидропланом называется аппарат, осуществляющий наклонное движение в водной среде путём преобразования силы знакопеременной плавучести в гидродинамическую силу, вектор которой направлен в сторону движения аппарата. Вообще говоря, под данную формулировку может подойти практически любой подводный аппарат, так как, в большинстве случаев, суммарная гидродинамическая сила, действующая на него, направлена не строго вниз, а имеет также и горизонтальную составляющую. Это действительно тогда и только тогда, если угол между нормалью хотя бы одного элемента поверхности аппарата и направлением потока не равен нулю. Так, традиционный ПА с цилиндрической формой корпуса, имеющий оперение, также, в определённой мере, является гидропланом при угле дифферента, не равном нулю. Однако, как правило, гидропланом считается аппарат, коэффициент подъёмной силы которого во много раз больше коэффициента лобового сопротивления. Это возможно, если у аппарата имеются развитые поверхности (крылья).

Актуальность данной работы состоит в том, что в ней разрабатывается информационное обеспечение процесса управляемого движения гидроплана, включающее специализированную пространственную модель движения, методы определения местоположения гидроплана в присутствии неоднородного течения и методы исследования его движения при наличии множества критериев эффективности его использования.

Цель исследования.

Цель настоящей работы состоит в разработке информационного обеспечения процесса управляемого движения гидроплана, включающего в себя алгоритм моделирования управляемого движения гидроплана в районе с неоднородным полем течения, способы определения его местоположения и методику оптимизации процесса управления при наличии множества критериев качества его движения.

Реализации поставленной цели служат следующие задачи исследования:

1. Разработка математической модели движения гидроплана, учитывающей воздействие течений на динамику аппарата.

2. Синтез приближённых аналитических выражений, позволяющих определить соответствие между величиной силового воздействия на гидроплан и кинематическими параметрами поступательного движения, необходимых для ускорения процесса исследования особенностей движения гидроплана.

3. Обоснование выбора метода определения местоположения гидроплана при функционировании в неоднородном поле течения и разработка методов определения скорости течения в местах функционирования гидроплана.

4. Описание критериев качества, разработка и применение метода оптимизации движения гидроплана при наличии множества критериев качества управляемого движения.

Применение гидроплана для обследования акватории. Ввиду того, что для передвижения аппарат должен постоянно перемещаться по вертикали, его траектория почти постоянно будет наклонной.

Отметим достоинства и недостатки гидроплана по сравнению с аппаратами, имеющими винтовой или водомётный движитель:

Достоинства:

1) Возможность получения более высокого КПД (до 80%).

2) Возможность изменения направления движения путём смещения центра тяжести. В принципе, другие аппараты так же способны на это, однако вследствие наличия у гидроплана крыла, проекция вектора подъёмной силы на боковую плоскость будет значительно больше, чем у аппаратов без крыла.

Недостатки:

1) Невозможность горизонтального движения при отсутствии на гидроплане винта или. водомета.

2) Низкая скорость.

Задача функционирования гидроплана вдали от берега вызывает необходимость повышения его автономности. Для задач обследования акватории гидроплан представляет собой техническое решение, по совокупности основных факторов превосходящее все возможные существующие средства наблюдения, а именно: автономные винтовые подводные аппараты, дрейфующие станции и заякоренные станции.

Гидропланы сочетают в себе мобильность самодвижущихся аппаратов и большое время функционирования дрейфующих или заякоренных станций и могут заменять и то и другое. По сравнению с самодвижущимися аппаратами гидроплан излучает меньше шумов и имеет больший КПД, особенно на малых скоростях (меньше 1 уз), которые необходимы для выполнения заданий большой продолжительности. По сравнению с дрейфующими станциями он может корректировать свой курс, а по сравнению с заякоренными - имеет преимущество в простоте постановки.

Исторический обзор. Впервые идея приводить АНПА в движение за счёт силы плавучести появилась, как самостоятельная, в 60-х годах XX века [47], когда возникла потребность в освоении Мирового Океана при помощи автономных необитаемых подводных аппаратов. Отсутствие обитаемых гидропланов объясняется их плохой манёвренностью и невозможностью долговременного обеспечения участков горизонтального движения. Привязные и телеуправляемые гидропланы также необоснованны, так как их достоинства не реализуются в полной мере в задачах, характерных для неавтономных аппаратов (они схожи с задачами обитаемых аппаратов). Например, нет необходимости в обеспечении низкой шумности работы. Наличие же крыльев усложнит проникновение аппарата в узкие места при обследовании донных объектов.

Только в связи с появлением автономных аппаратов, функционирующих в открытом море на протяжении длительного периода, положительные свойства гидропланов оказались востребованными. В 90-х годов в США началась разработка и производство сразу нескольких моделей гидропланов (Seaglider, SLOCUM, Spray) [43, 44, 73, 74]. Аппараты имеют схожие массово-габаритные характеристики и предназначены для океанографических исследований, т.е. измерения характеристик полей скорости течения, солёности, температуры, электропроводности, скорости звука, прозрачности воды, концентрации планктона, и т.д. Скорость движения по горизонтали у них составляет 0.25...0.4 м/с при абсолютном значении плавучести порядка 2.5 Н.

Литературные источники, использованные автором для настоящего исследования и сформировавшие его научные концепции, можно подразделить на четыре группы, описывающие следующие области:

1. Исполнительные системы и основы проектирования традиционных (винтовых) подводных аппаратов. В данной группе авторы, публикации которых использовались в данном исследовании, включают следующие источники: М.Д. Агеев [2] и В.И. Егоров [9]. Из этой литературы были использованы сведения об элементах, общих для всех подводных аппаратов, вне зависимости от типа движителя.

2. Математический анализ движения традиционных подводных аппаратов и синтез оптимальных законов управления ими. В данной группе авторы, публикации которых использовались в данном исследовании, включают следующих: Б.Б. Шереметов [24]. У этих авторов присутствует описание подходов к исследованию динамики и синтезу систем управления подводных аппаратов традиционного типа. В настоящем исследовании эти подходы используются до тех пор, пока они остаются общими для всех режимов движения аппарата и не зависят от типа движителя.

3. Исследовательские отчёты, описывающие основные характеристики и результаты испытаний гидропланов [43, 44, 69, 73, 74]. Данные материалы разрабатывались следующими организациями: корпорация Webb Research (гидроплан SLOCUM), лаборатория прикладной физики Университета штата Вашингтон (гидроплан Seaglider), Токийский Университет (гидроплан ALBAC), Институт Океанографии Скрипса (гидроплан Spray). В данных материалах содержатся сведения об основных массогабаритных характеристиках указанных гидропланов и их типичных применениях.

4. Математический анализ движения гидропланов и синтез оптимальных законов управления ими [44,46, 73,74]. Данные материалы разрабатывались следующими авторами: В.М. Гаврилов, R. Davis, С. Eriksen, D.M. Fratantoni, С. Jones, K.Kawaguchi, N.E. Leonard. R. Light, P. Simonetti, U.Tamaki, D.C.Webb. Эти исследования, в большинстве своём, основываются на испытаниях реальных прототипов гидропланов; они послужили отправной точкой для собственных исследований автора в области управляемого движения гидропланов.

Анализ способов создания и конструктивных особенностей гидроплана.

Как показал анализ литературы по существующим образцам гидропланов, существующие аппараты используют следующие способы создания управляющих воздействий:

- для создания переменной плавучести: периодическое сжатие и расширение газа под действием поршня;

- для управления в вертикальной плоскости: перемещение массы вдоль продольной оси; - для управления в горизонтальной плоскости: перемещение массы вдоль поперечной оси аппарата и вертикальный руль;

Среди управляющих устройств также возможны альтернативные варианты. При использовании принципа планирования возможно использование регулируемого угла поворота крыла. Более того, разработчику необходимо знать, при каких исходных данных целесообразнее применять тот или иной способ управления. Это может сделать конструкцию аппарата более простой, например, если есть система смещения центра тяжести, то вертикальный руль может не понадобиться.

Анализ математических моделей, методов определения местоположения и исследование движения гидропланов. 

В известных автору работах по динамике движения гидропланов не описано исследование особенностей их движения при переходных процессах, в том числе, при больших углах атаки. Такие режимы возникают постоянно, так как в начале каждого цикла движения начальная скорость гидроплана близка к нулю, а угол атаки - к 90°. Отсутствуют аналитические выражения для параметров установившегося движения, позволяющие определить их зависимость от вектора управления. Необходимо создать пространственную математическую модель, имитирующую все виды управляющих воздействий и работающую при всех возможных углах атаки. При помощи такой математической модели становится возможным определить параметры вектора управления аппаратом, необходимые для достижения заданных параметров движения.

В ходе испытаний существующих образцов гидропланов [52,73,74] выяснилось, что при попадании аппарата в сильное течение он не может преодолеть его и, как следствие, не может двигаться в заданном направлении, из чего следует задача повышения скорости движения гидропланов. Кроме того, при поставленной задаче измерения поля скорости течения, существующие аппараты могут определять только усреднённую по глубине скорость, причём определение происходит только после всплытия гидроплана. В результате, можно сделать вывод о необходимости создания способов определения скорости течения с более высоким разрешением. Наилучшим решением было бы определение скорости течения динамически, т.е., в момент прохождения данной глубины, а не после всплытия на поверхность. Даже если задача измерения характеристик поля течения не ставится пользователем аппарата, она имеет значение для повышения эффективности гидроплана, так как она зависит от соотношения угла планирования и скорости течения в данный момент.

В результате обзора литературы по исследованию движения гидропланов выяснилось, что в некоторых работах рассматривается оптимизация движения гидроплана [46]. Однако не рассматривается исследование движения гидроплана при наличии множества критериев. При многокритериальной оптимизации, в некоторых случаях, выработка целевой функции при интегральном критерии качества является слишком сложной, а, иногда, и невозможной из-за сложности свёртки множества критериев в один интегральный.

Можно сделать вывод о необходимости работы, посвященной исследованию управляемого движения гидроплана в присутствии течений. Выполненный анализ дает основания для вывода о том, что адекватная математическая модель, методы определения местоположения и исследование движения гидроплана ещё не получили необходимой научной проработки.

Положения, выносимые на защиту.

1. Имитационная модель движения гидроплана, учитывающая воздействие течений на динамику аппарата.

2. Аналитические выражения, полученные на основе линеаризованной модели, позволяющие определить соответствие между величиной силового воздействия на гидроплан и кинематическими параметрами поступательного движения и необходимые для ускорения исследования движения гидроплана.

3. Метод определения местоположения гидроплана при функционировании в неоднородном поле течения и методы определения поля скорости течения.

4. Критерии качества и метод оптимизации движения гидроплана при наличии множества критериев качества управляемого движения.

Апробация исследования.

Основные положения и выводы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных, российских и региональных научных конференциях, в частности:

1. Четвёртой конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2002 г.

2. Международном конгрессе «Молодежь и наука, 3-е тысячелетие», Москва, 15-19 апреля 2002 г.

3. Межвузовской научной конференции «Основные направления эксплуатации корабельной техники и тенденции совершенствования инженерного образования», Санкт Петербург, 24 мая 2002 г.

4. Шестой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», Санкт-Петербург, 28-31 мая 2002 г. 5. Третьей международной конференции по судостроению ISC2002, Санкт Петербург, 8-Ю октября 2002 г.

6. Пятой конференции молодых учёных «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 14 марта 2003 г.

7. Двенадцатой Санкт-Петербургской Международной конференции по интегррированным навигационным системам, 23-25 мая 2005 г.

Публикации.

По основным результатам диссертационного исследования автором опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка используемой литературы (81 источник). Работа содержит 43 рисунка и 10 таблиц.  

Подобные работы
Федорова Наталья Николаевна
Анализ турбулентных отрывных течений и управление их параметрами
Козлов Семен Александрович
Управление возникновением акустических резонансов в пространственных течениях с когерентными структурами

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net