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1、华中科技大学 硕士学位论文 潜艇悬停控制试验系统研究 姓名：赵秀娟 申请学位级别：硕士 专业：轮机工程 指导教师：唐国元 20090523 I 华中科技大学硕士学位论文 摘 华中科技大学硕士学位论文 摘 要要 潜艇的悬停操纵是实现隐身作战的重要方式之一。悬停控制试验系统是在实验 室完成悬停控制模拟技术和控制规律的研究，同时还可以在实验室进行新型潜艇悬 停控制设备的陆上联调试验的重要装置。 本文研究的悬停控制试验系统在实验室设置压力罐模拟实艇悬停水舱的注排水 控制。通过深度舱的压力控制模拟潜艇的悬停深度，两个悬停舱模拟实艇设置的悬 停水舱。深度舱和悬停舱的内部压力均通过注排气的流量来进行控制，深
2、度舱和悬 停舱维持一定的压差以实现自流注水，悬停舱通过水泵向舷外强制排水。根据悬停 试验系统的功能要求，将其控制系统分为单机和联调两种工作模式，在单机模式下 完成悬停控制模拟技术和控制规律的研究，在联调模式下完成潜艇悬停控制设备的 陆上联调试验。搭建深度舱压力控制系统模型，针对潜艇深度模拟的需要，本文推 导了深度舱压力控制系统的数学模型，并运用simulink对深度舱的压力控制进行了数 字仿真，结果表明试验系统方案是可行的。基于试验系统的基本构成框架，本文提 出以OMRON PLC为控制核心，结合CX-Programmer6.1软件开发程序，完成了系统信 号采集、逻辑控制和过程控制。并通过具有
3、高传输率的Controller Link网络实现与上 位工控机通信，运用FinsGateway驱动软件完成上位机监控软件开发。 本文提出的控制系统采用了模块化的结构，便于工人操作和系统维护。经初步 调试表明系统性能稳定、使用方便，为整个悬停控制系统的完成奠定了基础。 关键词：关键词： 悬停；自注泵排；可编程控制器；压力控制；Controller Link II 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 Abstract Hovering is one of the important operations to achive submarines stealth. Hovering
4、control experimental system is set up in the laboratory to not only do research on hovering control law and control technology, but also to be a test device for land-based control equipment. In this paper, pressure tanks is set up in the laboratory for hovering control experimental system to simulat
5、e the hovering cabins injection-drainage-water. The pressure control is done to simulate depth of the submarine and the two hovering tank is set to simulate hovering cabin. 3 tankss pressure is controlled by the flow of injected water and a pressure difference must be maintained to achieve automatic
6、al injection. Through pumps, the water is drained outside. In accordance with the functional requirements of the control system, it works in two modes: single and coordinate. in single-mode, it completes the research on hovering control law and control technology; in the coordinate-mode, it complete
7、s the experiment on land-based control equipment. Build model of pressure control system for depth tank and work out its mathematical model as well as use simulink to do the digital simulation. The results shows that the experimental system is feasible. Based on the basic framework, its proposed in
8、this paper to use OMRON PLC for the core control combined with CX-Programmer6.1 to develop programme. It achieves the collection of system signals, logic control and process control. And through the controller link network, communication is built between PLC and IPC with a high transfer rate. Driven
9、 software Finsgateway is used to develop PC monitoring software. In this paper, the control system uses a modular structure. It comes out to be easy to operate and maintain. Preliminary experiment shows that the system is stable and it establishes foundation for the completion of the entire control
10、system. Keywords：Hovering；Auto-injection-Pump-drainage；Programme Logical Controller； Pressure Control； Controller Link 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权
11、书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 1 绪绪 论论 1.1 课题来源课题来源 本研究课题来源于与中船重工 707
12、研究所（九江）的合作项目“潜艇悬停控制 试验系统” 。 从技术角度上来说，潜艇是第一流的隐蔽性武器系统。潜艇的基本特征或者说 潜艇所具有的魅力或神秘性也在于它的隐蔽性，潜艇上没有装甲保护，利用隐蔽性 是潜艇进行自我防护的最重要和最基本的手段1。 为实现潜艇隐蔽效果，研究潜艇悬停操纵意义重大23。 潜艇水下航行状态停车后，若仍要求保持指令深度和姿态或按指令自动改变到 新的给定深度时，经准确均衡，通过专用水舱的注、排水，实现潜艇无航速下深度 控制的操艇方式便称为悬停45。悬停也成悬浮，是潜艇水下重要停泊方式之一6。 潜艇在水下悬停操纵是基于阿基米德原理，即潜艇的重力等于海水对潜艇的浮 力，而潜艇的
13、浮力又等于与潜艇具有相同体积海水的重量。根据阿基米德定律，要 使潜艇下潜，向水舱中注水，使潜艇的重量大于它最初所排开水的重量，潜艇便将 逐渐下沉。经设计，当水舱全部装满水时，潜艇在水下的重量与它在水下所受的浮 力相等，此时，潜艇可悬浮于海水中任何位置。当潜艇上浮时，用高压气体将水舱 中的水排出去，潜艇本身的重量减轻，小于其在水中所受的浮力，由牛顿定律便得 知潜艇必然上浮。潜艇在水下航行正像一杆天平，为了避免纵倾维持平衡状态，潜 艇上均有均衡系统，由两个均衡水舱、一根水管和一个水平仪组成。两个水舱分别 布置在艇艏和艇艉，平时装有一定数量的海水，两个水舱用一根小管连接在一起， 而水平仪则装在操纵战
14、位上，水平仪主要提示潜艇的平衡情况。在艇艏和艇艉的均 衡水柜上方装有高压空气管路，现代潜艇装有计算机控制高压空气调节海水。根据 水平仪的指示，如果是潜艇的艏部重了，在计算机控制下，向艇艏均衡水舱中供入 高压空气，艇艏均衡水舱中的海水在高压空气挤压下，顺着水管流向艇艉均衡水舱 中。相反，如果潜艇的艉部重了，就用高压气体将潜艇艉部均衡水舱中的海水调节 到潜艇艏部的均衡水舱中。这样调节潜艇艏部和艉部水舱中的海水，在保证潜艇总 重量不变的前提下保证潜艇前后重量相等，潜艇重心的位置不发生变化，还要同时 2 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 采取其他一些有效的措施，如操纵升降舵，加大或降
15、低航速，其他专用水舱进行排 水等，控制纵倾现象的发生，平衡不易打破7。 1.2 研究目的和意义研究目的和意义 潜艇处于水下悬停状态时，其处于低噪声、低功率工况，可最大限度地延长在 水下逗留的时间，提高战斗力。研制专门的悬停控制系统是目前我军装备建设中的 紧迫任务，具有重要的实用价值和突出的军事意义5。 本文所论述的“潜艇悬停控制装置”主要是针对这种战术需求，结合潜艇悬停 试验系统，以“自注泵排”的控制方式，在实验室完成潜艇悬停控制技术和控制规 律的研究，同时还可以在实验室进行新型潜艇悬停控制设备的陆上联调试验。因此， 本文所研究的潜艇水下悬停模拟控制技术具有非常重要的意义。 悬停控制装置显示整
16、个悬停试验系统的实时工作状态，控制相关阀门和水泵的 动作完成需要试验的各种工况，具体实现以下功能： 1) 电动控制和自动控制实现自流注水、悬停水泵排水、浮力调整水舱向悬停水 舱补水、悬停水舱向浮力调整水舱移水的实验工况； 2) 能根据设定的海洋深度或潜艇运动模拟器发送过来的指令深度信号动态模 拟潜艇在海洋的深度压力； 3) 按照设定自动或接收悬停潜浮控制台的信号控制悬停水舱的气压，并使之与 潜艇模拟深度压力保持一定的压力差的功能； 4) 能实时显示储气罐的气体压力、深度模拟水舱的水压力、悬停水舱和深度模 拟水舱的压力差， 实时显示悬停水舱、 浮力调整水舱和深度模拟水舱的液位， 深度模拟水舱和悬停水舱之间的瞬时移水流量和累计移
