全權(quán)潛艇控制技術(shù)研究

李小龍，郭隆華，左艷軍

(1.中國人民解放軍91278 部隊(duì)，遼寧 大連116041;2.中國船舶重工集團(tuán) 第七一四研究所，北京100012)

0 引 言

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)是一種綜合控制器，涵蓋了潛艇全速度范圍(包括反向速度)的所有水平操縱與潛浮控制需求，包括如下功能:

1)深度控制;2)縱搖控制;3)航向控制;4)平衡與補(bǔ)償;5)手動(dòng)控制;6)失衡狀態(tài)估計(jì);7)推進(jìn)控制。

傳統(tǒng)的控制方法是對上述控制分別實(shí)施，其缺點(diǎn)是控制過程不連續(xù)，而且控制方案也不是最優(yōu)。全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的概念是在初期的設(shè)計(jì)階段就使整個(gè)潛艇的性能達(dá)到最優(yōu)，即:

1)集成的控制系統(tǒng)能夠減少控制人員數(shù)量、復(fù)雜程度及全壽期成本;

2)轉(zhuǎn)向與潛浮控制方案可統(tǒng)一設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)成本;

3)接口數(shù)量較少，使軟件容易集成;

4)全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的便攜式特征能夠在多個(gè)位置控制潛艇，還可以用于控制無人潛航器;

5)關(guān)鍵時(shí)刻的深度變化不需要手動(dòng)的平衡與補(bǔ)償;

6)全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)基于開放式結(jié)構(gòu)，可以即插即用，能夠大幅縮短由于維護(hù)而停機(jī)的時(shí)間。

1 傳統(tǒng)的潛艇操控臺

傳統(tǒng)的潛艇水平操縱與潛浮控制由不同的控制器來完成。典型的配置如圖1所示，從圖中可以看出，每種不同運(yùn)動(dòng)的控制回路并行，它們之間沒有任何數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)的潛艇控制系統(tǒng)沒有通用接口，不同運(yùn)動(dòng)的控制器都從潛艇的各個(gè)系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，因此存在大量的重復(fù)工作。以深度控制為例，需要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)單獨(dú)的控制功能，由于不同的控制回路擁有不同的控制功能，因此潛艇的機(jī)動(dòng)效果被抵消，使控制效果變得很差。

另外，在自動(dòng)變深期間，最初指令發(fā)送到自動(dòng)駕駛儀，通常需要手動(dòng)調(diào)節(jié)潛艇的平衡與補(bǔ)償。因此，自動(dòng)控制一般不可重復(fù)，并且有時(shí)會(huì)受到手動(dòng)誤操作的影響。

圖1 傳統(tǒng)潛艇操控臺配置圖Fig.1 Conventional submarine console configuration diagram

傳統(tǒng)潛艇控制系統(tǒng)的復(fù)雜性造成了系統(tǒng)集成的問題，現(xiàn)在把這種集成問題簡化為2 套使用不同深度基準(zhǔn)點(diǎn)的系統(tǒng)，在低速情況下每套獨(dú)立的系統(tǒng)都無法滿足性能要求。然而，如果將2 套系統(tǒng)集成，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，性能就很容易滿足要求。

綜上所述，傳統(tǒng)的水平操作與潛浮控制方案能夠被簡化，并通過優(yōu)化提供更有效的和可控的潛艇控制系統(tǒng)。

2 全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)簡介

英國斯特林動(dòng)力公司的全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)概念圖如圖2所示，傳統(tǒng)的6個(gè)單獨(dú)的水平操縱和潛浮控制功能被綜合控制單元所取代，可以接收來自操縱桿和鍵盤的指令。這種控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并在全部的速度與深度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制性能的優(yōu)化。

圖2 全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)概念圖Fig.2 Concept figure of full authority submarine control system

潛艇利用全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)(利用操縱桿或鍵盤)控制，主動(dòng)力反饋的操縱桿取代了傳統(tǒng)的被動(dòng)彈性復(fù)原的操縱桿。全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的作用更像一套飛行控制系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的潛艇自動(dòng)駕駛儀。例如，來自操縱桿的輸入不再需要與水平舵的控制指令成比例，操作人員的輸入將被控制算法轉(zhuǎn)換成潛艇機(jī)動(dòng)所需的最佳方案。這種方案將同時(shí)執(zhí)行所有水平舵的移動(dòng)與壓載艙的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最有效的控制。

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)集成，因?yàn)槿珯?quán)潛艇控制系統(tǒng)的整個(gè)水平操縱與潛浮控制功能只有一個(gè)輸入和輸出接口。全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)也是一種完全便攜式的系統(tǒng)，能夠與開放式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相接。此外，全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)接口的簡易性使其很容易實(shí)現(xiàn)遙控操作，即操作人員在執(zhí)行任務(wù)期間，可以選擇在不同的位置來操控潛艇。

該潛艇控制系統(tǒng)具有很多實(shí)時(shí)的可編程特征，這可以通過全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)內(nèi)置的功能來激活，還能夠利用自動(dòng)駕駛儀反向驅(qū)動(dòng)。因此，在潛艇的機(jī)動(dòng)過程中，操縱桿可以通過程序控制自動(dòng)移動(dòng)以顯示向水平舵發(fā)送的指令。這一特性可使操縱更加安全(即顯示自動(dòng)駕駛儀設(shè)定的指令是否合理)，或者作為訓(xùn)練輔助(即對首次嘗試復(fù)雜操縱的新手進(jìn)行提示)。

1)壓載控制原理

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制潛艇的平衡和補(bǔ)償系統(tǒng)，所以由海水密度變化、潛艇壓縮性或內(nèi)部管路引起的浮力變化無需人工干預(yù)就可完成校正。為避免泵和閥門經(jīng)常移動(dòng)，平衡與補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)控制必須遵循一套嚴(yán)格的準(zhǔn)則。這套準(zhǔn)則能夠保證潛艇的隱身性能不會(huì)受到影響，同時(shí)平衡和補(bǔ)償系統(tǒng)的壽命不會(huì)低于手動(dòng)控制的系統(tǒng)。

表1 給出了采用不同類型的平衡和補(bǔ)償控制的優(yōu)缺點(diǎn)，以二維方式為自動(dòng)平衡和補(bǔ)償系統(tǒng)提供決策支持。

表1 壓載控制選項(xiàng)Tab.1 Ballast control options

2)全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的內(nèi)部算法

假定使用自動(dòng)平衡與補(bǔ)償，全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的操作流程如圖3所示。這些全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)中的基本控制元件算法提供與下述系統(tǒng)的接口:通信總線、人機(jī)接口、狀態(tài)顯示。

圖3 全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的操作流程Fig.3 Operation procedure of full authority submarine control system

所有通過接口進(jìn)入全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的信息將進(jìn)行有效性檢測，并且在進(jìn)入控制算法之前將無效信息濾掉。報(bào)警信息經(jīng)過處理顯示在狀態(tài)顯示屏上，狀態(tài)顯示屏還能夠提供諸如艦艇速度、深度和裝置狀態(tài)等信息。

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的輸出信息進(jìn)入數(shù)據(jù)總線，并分配到相關(guān)的執(zhí)行裝置。為了監(jiān)視裝置的運(yùn)行情況，每臺執(zhí)行裝置的相對位置都會(huì)與所需的位置進(jìn)行對比。一旦檢測到故障，系統(tǒng)將進(jìn)入復(fù)位模式。

3)人工/自動(dòng)控制原理

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的工作方式與飛機(jī)的“遙控自動(dòng)駕駛儀”飛行控制系統(tǒng)類似，全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)可作為手動(dòng)輸入與控制界面之間的接口。使用全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)可對潛艇深度或航向進(jìn)行手動(dòng)控制的同時(shí)進(jìn)行其他模式的自動(dòng)控制。然而，當(dāng)操縱桿用于設(shè)定、指示潛艇深度變化時(shí)，操作人員不再需要設(shè)定首水平舵和尾水平舵的角度。使用全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)時(shí)，移動(dòng)操縱桿將獲得所需的縱搖角度(或在低速情況下調(diào)整深度)。然后，全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出水平角度以獲得期望的潛艇姿態(tài)。各種控制模式的輸入/輸出關(guān)系如圖4所示。

圖4 全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)模式選擇Fig.4 Mode selection of full authority submarine control system

圖4 給出了標(biāo)準(zhǔn)十字型尾舵情況下進(jìn)行全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)模式選擇的原理，類似的模式可用于X－水平舵和分離式尾水平舵組合的情況。

每個(gè)操縱桿都具有復(fù)位模式，因此如果全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)處于離線狀態(tài)時(shí)，可用操縱桿中的電位計(jì)直接為水平舵提供信號。復(fù)位模式時(shí)，操縱桿的角度與水平舵的角度保持一致。因此，全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的緊急模式與傳統(tǒng)手動(dòng)控制工作方式相同。

鍵盤輸入與傳統(tǒng)的電子自動(dòng)駕駛儀相似，因?yàn)樵诮o定縱搖和速率限制條件下可用于設(shè)定潛艇深度、縱搖和航向。

4)手動(dòng)操作原理

潛艇的深度和航向分別或同時(shí)進(jìn)行手動(dòng)控制是可行的。然而，為避免過多的說明，本節(jié)討論的潛艇深度和航向控制分別進(jìn)行。操縱桿基于斯特林動(dòng)力公司的設(shè)計(jì)，這種操縱桿目前應(yīng)用在許多飛行模擬裝置中，如圖5所示。

圖5 斯特林動(dòng)力公司設(shè)計(jì)的操縱桿Fig.5 Joystick of stirling dynamics company

①手動(dòng)深度控制

在深度控制通道中，多種軟制動(dòng)或制動(dòng)器可以通過編程來顯示操作人員的執(zhí)行的深度變化(如慢速、正常、快速或5°，10°，15°)。然而，也可以選擇這些制動(dòng)器之間的任何角度。

圖6 中，在設(shè)定緩慢下潛方式時(shí)，將向全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)發(fā)送艇首下潛5°的指令。全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)中的算法對該指令進(jìn)行處理，并確保潛艇保持在指定的下潛狀態(tài)。當(dāng)接近目標(biāo)深度時(shí)，操作人員逐漸將操作桿移動(dòng)到中心位置，全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)將使?jié)撏П３衷诋?dāng)前的深度。

圖6 深度控制功能Fig.6 Depth control function

如果潛艇處于潛望鏡深度，無需使用操縱桿來抵消海洋環(huán)境對潛艇的影響，可以由全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)內(nèi)部算法來實(shí)現(xiàn)。因此，在一定海況下以手動(dòng)方式維持潛艇深度時(shí)，操作桿將置于中心位置，這種方式借鑒了直升機(jī)主動(dòng)控制中的“無憂機(jī)動(dòng)(carefree maneuvering)”理論。

綜合了慢速、正常和快速深度變化的制動(dòng)裝置是一種硬制動(dòng)方式，越過這種方式，操作人員則無法移動(dòng)操縱桿。由于安全或操作原因，硬制動(dòng)能夠?qū)崟r(shí)連接，來限制強(qiáng)加的機(jī)動(dòng)。例如，在靜止模式下，縱搖角度將受到限制，在高速運(yùn)動(dòng)情況下，水平舵只允許2°或3°的調(diào)整空間。

②手動(dòng)航向控制

手動(dòng)航向控制原理與手動(dòng)深度控制原理類似如圖7所示。手動(dòng)航向控制時(shí)，操縱桿放置角度可以表示潛艇航向的變化方向。此外，必要時(shí)需要引入硬制動(dòng)來將機(jī)動(dòng)期間舵產(chǎn)生的噪聲降到最低或在高速情況下控制舵的振幅。

5)開放式架構(gòu)特征

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適應(yīng)開放式結(jié)構(gòu)環(huán)境，可以在潛艇的任何位置上接入數(shù)據(jù)總線，通過相同的數(shù)據(jù)總線，還能夠與操縱和下潛控制設(shè)備進(jìn)行無縫互動(dòng)，如圖8所示。

數(shù)據(jù)總線具有以下功能:

操控系統(tǒng)與潛艇的設(shè)備進(jìn)行通信;

潛艇浮出水面時(shí)，可利用艦橋中的便攜裝置進(jìn)行控制;

圖7 航向控制功能Fig.7 Heading control function

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)通過接入無人潛航器(UUV)信號發(fā)送裝置的數(shù)據(jù)總線，來向UUV 傳輸控制數(shù)據(jù)。

潛艇系統(tǒng)的精確模型與岸基模擬器進(jìn)行通信;

潛艇?？堪哆厱r(shí)，實(shí)際的潛艇系統(tǒng)與岸上的設(shè)備相連，提供?？坑?xùn)練設(shè)施。

圖8 全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的開放式架構(gòu)特征Fig.8 Open architecture characteristics of full authority submarine control system

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的開放式架構(gòu)特征能夠使其與現(xiàn)有的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完美集成。目前斯特林動(dòng)力公司和雷聲Anschutz 公司合作，將全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)與潛艇操縱顯控臺集成。

6)與潛艇顯控臺集成

S54型潛艇顯控臺是雷聲Anschutz 公司最新型的潛艇操縱顯控臺之一。S54 采用專業(yè)的方法保證安全性以及對潛艇的水平操控和潛浮的完全控制。S54 是一臺綜合自動(dòng)駕駛儀，能夠由一名操作人員實(shí)現(xiàn)操作，如圖9所示。

圖9 S54型潛艇駕駛控制臺Fig.9 Type S54 submarine driving console

S54的設(shè)計(jì)能夠簡化為一套具有若干內(nèi)/外部接口、處理裝置的顯示系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)的集成，如圖10所示。

圖10 S54 顯控臺設(shè)計(jì)示意圖Fig.10 Design sketch map of S54 console

為了將全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)集成到顯控臺中，通過以太網(wǎng)連接的全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)替代了目前使用的自動(dòng)駕駛儀處理器。

這一改變將全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的全部功能都集成到現(xiàn)有的潛艇操作顯控臺中。為了將全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)完全集成到顯控臺中，將需要對機(jī)械設(shè)備與操作方式進(jìn)行微小的改動(dòng)。此外，對于平衡與補(bǔ)償系統(tǒng)，將增加額外的操作接口或者對現(xiàn)有的接口或系統(tǒng)進(jìn)行修改。

圖11 集成了全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的S54 設(shè)計(jì)示意圖Fig.11 Design sketch map of S54 console integrate with full authority submarine control system

3 結(jié) 語

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的開發(fā)基于主動(dòng)控制技術(shù)與潛艇自動(dòng)控制領(lǐng)域多年的經(jīng)驗(yàn)相融合。全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)最初的理念是設(shè)計(jì)一種超越所有現(xiàn)有安全特性的系統(tǒng)。為此，全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)借鑒了航空業(yè)的力反饋“遙控自動(dòng)駕駛儀”的概念，并將這一概念應(yīng)用到潛艇操控過程中，同時(shí)將傳統(tǒng)潛艇操控系統(tǒng)中相對獨(dú)立的控制通道集成到一起，通過內(nèi)部的綜合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)潛艇的最優(yōu)控制。

全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的概念目前還處于初期開發(fā)階段，正在進(jìn)行操縱桿的安全性及操控性能評估。全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的接口協(xié)議正在開發(fā)過程中，目的是確保系統(tǒng)的靈活性以及充分利用全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)的安全性保證傳輸信號的精確。與此同時(shí)，控制算法也在開發(fā)過程中，并將與全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)集成。這些算法植入全權(quán)潛艇控制系統(tǒng)將使?jié)撏Ъ癠UV的水平操控與潛浮控制理念發(fā)生重大變化。

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