CB Z 259-1996 潜艇空间机动控制规律.pdf

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1、u 11 CB 中国船舶工业总公司吉肘示准CB/Z 259-96 潜艇空间机动控制规律1996-09-03发布1997-04-01实施中国船舶工业总公司发布1 范围1. 1 主题内容中国船舶工业总公司部标准潜艇空间机动控制规律CB/Z 259-96 分类号：u11 本标准规定了潜艇空间机动自动操舵的控制规律及选取相应控制参数的一般原则。1. 2适用范围本标准适用于大、中型潜艇自动操舵系统控制规律的设计及其仿真试验、陆上联调试验和航行试验。不适用于潜艇倒车工况。2 引用文件GJB 3812-86常规动力潜艇系泊航行试验规程操舵装置CB 1179-88舰用航向自动操舵仪通用技术条件3 定义3.1

2、术语3, 1. 1 惯性坐标系以ETJ表示。坐标原点E位于地面或海洋中的任一定点上；E轴正向指向正北，E轴正向指向地心，E轴与E守轴位于水平面内且相互垂直；ETJ构成一个右手直角坐标系。3, 1. 2 艇体坐标系以OXY Z表面。坐标原点。位于潜艇的任一定点上；ox铀平行于艇基线且正向指向艇脯，OY轴平行于艇体基面且正向指向右舷，oz轴正向指向艇底；OXYZ构成一个右手直角坐标系。3. 1. 3 首向角ox轴在水平面上的投影与EE袖之间的夹角；以向右转腊为正。3.1. 4 纵倾角ox轴与水平面ET/之间的夹角，以仰首为正。3. 1. 5 横倾角oxz平面与过ox轴的垂直平面之间的夹角；以右倾为

3、正。3. 2 符号表l符号表符号名称单位u 潜艇当前航速m/s u,v，四J潜艇航速在艇体坐标轴上的三个分量m/s 户，q，潜艇转动角速度在艇体坐标抽上的三个分量rad/s 中国船舶工业总公司1996-09-03批准1997-04-01实施CB/Z 259-96 时间尽可能最短。4.1. 3 潜艇在25米以下深度以任意航速作定深直航，在不计海况影响时，自动控制稳定精度应满足：a.航向不低于士10b.纵倾不低于士o.5 c.深度不低于土O.5m 稳定精度按CB1179规定确定。4.1. 4 潜艇在25米以下深度以任意航速作空间变深度，变航向机动，在不计海况影响时，超调量应小子修正量的10%，深度

4、超调量的绝对值应小于2m，振荡次数不超过一次。4. 1.5 在不高于四级海况的条件下，潜艇在通气管状态能以规定航速正常航行，其控制精度应满足4,1. 3条要求，且在lOmin航行过程中操舵的平均次数应小于10次min.4.2 限界条件4.2. 1 对安装辅升降舵的潜艇，在均衡航速下进行均衡后，幌升降舵在土5。范围内能保持潜艇在腊升降舵8b=0。条件下实现无纵倾定深航行。对安装圈壳舵的潜艇，在均衡航速下进行均衡后，圈壳舵在士3。范围内能保持潜艇在幌升降舵乱O。条件下实现无纵倾定深航行。4.2.2 在使用自动操舵系统时，最大纵倾角应由海区深度加以限制。在初步设计阶段可参照表2确定纵倾角限界值。表2

5、海区深度m 最大纵倾角。）100 士94. 2. 3 使用自动操舵系统控制潜艇正常航行时，宜根据不同航速对艇下潜舵设置限位。在初步设计阶段可参照表3确定该限位置。表3航速kn幌下潜舵限位值的12 10。5 详细要求5, 1 自动控制操舵的表达形式. 5. 1. 1 方向舵的操舵控制由公式。）和公式（2）依次确定，各式中的角度单位应采用度（。8rd =K阶如）+ KD针KJ一sbd)dt+ 8rp I 若o,d+ o,max 则令Ord=+Orrnn 3 CB/Z 259-96 若a,d+a.max 则令a.d十a.ma.I 若a.d-K，和K；，并且，对于实船情况，还要校验或调节控制参数：K和

6、K各使潜艇机动过程满足4.1. 2 4. 1. 3条。5. 3. 3. 5 空间变航向变深度机动一如注90。、-di注30m校验和修正第s.3. 3. 2条和5.3. 3. 4条的控制参数值使潜艇机动过程满足第4.1. 2 4. 1. 3条。5.4 自动操舵控制系统的仿真数学模型5.4. 1 潜艇空间运动微分方程5. 4. 1.1 方程表达形式5 CB/Z 259-96 续表1符号名称单位X,Y,Z 潜艇水动力在艇体坐标轴上的三个分量N K,M,N 潜艇水动力矩在艇体坐标轴上的三个分量Nm u. 给定螺旋桨转速下潜艇的定深直航速度m/s;Kn 中d指令首向角rad ；（。）中潜艇当前的首向角r

7、ad; （。）中潜艇当前的首向角速度rad ，（。）s。d指令纵倾角rad1 （。）。潜艇当前的纵倾角rad1 （。）。潜艇当前的纵倾角速度rad, （。）s 潜艇当前的横倾角rad, （。） 潜艇当前的横倾角速度rad ，（。）sd 指令深度m 潜艇当前深度m 潜艇当前升速m/s o, o, oh 潜艇当前的方向舵角，幅升降舵角，麟升降舵角（围壳舵舵角）rad ，（。）0,0 0,0 oho 潜艇定常定深直航时的方向舵，解升降舵，麟升降舵（围壳舵）压舵舵角（。o,d o,d 8bd 当前操舵控制所需的方向舵角，幅升降舵角，籁升降舵角（围壳舵舵角）（。u, 1, (fb 方向舵，幌升降舵，筋升

8、降舵（围壳舵）当前的操舵控制信号。）士8,mn士8,max方向舵，幌升降舵，籁升降舵（围壳舵）最大允许正负舵角（。士（bmaza+,a,8b 方向舵，眼升降舵，筋升降舵（围壳舵）当前的转舵速率（。）sH e 纵倾指令切换深度指标口1哇螺旋桨负荷系数市U)U.K卡普自动操舵控制规律中的控制参数。上标r,s,b表示为方向舵、幅升降舵和婚升降舵（围壳舵）控制参数；下标表示与控制参数相对应的反馈4 一般要求4, 1 基本要求4. 1. 1 利用操舵措施控制潜艇航向（）、潜深m和纵倾角（的，在满足其它航行规范的条件下应可自动完成下列组合中的任一航态：a.航向保持、深度保持（定深直航）；b.航向保持、深度

9、改变（定向变深）；c.航向改变、深度保持（定深变向hd.航向改变、深度改变（空间机动he.无纵倾下潜上浮变深机动。4. 1.2 自动操舵控制系统的控制规律应使潜艇在满足机动要求的前提下，安全到达指令运动状态的CB/Z 259-96 方程表达形式见附录AC补充件）。5. 4.1. 2 方程中各水动力系数的确定方法加速度系数可采用数值计算方法或平面运动机构模型试验来确定。其它水动力系数目前主要依靠模型试验来确定。模型试验应在螺旋浆进速系数与实艇进速系数相等的带浆模型上进行。试验模型的艇长雷诺数R，二三1.1 107 ,R.1按公式(10）计算式中：U，.一一模型试验速度，m/s;Lm一一模型长度，

10、m;U一一流体运动粘性系数，m2/s0R,=.UmL,./u 05) 螺旋浆浆叶剖面雷诺数R,P注2.5 105 ,R,P按公式（11）计算R.p = b o. 70R(UM)2 + (0. 70Dn)2112 ju (16) 式中：bo.10R一螺旋浆0.10倍半径处浆叶剖面舷长，m;n一一螺旋浆的转速，rad/s;D一一螺旋浆的直径，rad/s。螺旋浆负荷变化的最小变化范围o.75 1. 25 5. 4. 2舵的传动特性舵的运动方程为：冉（t+ Llt) 屯（t)玩Llt(j = r,s，的.(17) 在自动操舵控制中，舵的运动由操舵信号J控制，一般舵的转舵速率乱是操舵信号的非线性函数，见

11、图2，可分为以下三段：a.不灵敏区（在土1范围）；b.比例操舵区（在土1至土2范围hc.饱和区（超过士民范围）。一般取不灵敏区上限1士1。、饱和区下限2士60 4/d-1. 0 -Ali . - - - - - 1.0 图2 01 在初步仿真研究中为简化起见，可取1=0。或用平均转舵速率8平均作为恒定的转舵速率将舵的传动特性简化为图3。最大转舵速率和平均转舵速率可参照GJB3812选取。6 CB/Z 259-96 均乎. 。, -EO 41llt1111AU , I.0 图37 8 CB/Z 259-96 附录A潜艇空间运动仿真数学方程（补充件）潜艇空间运动仿真数学方程按公式（Al)（A8）表

12、达m句ur十wq- Xc(q2 + r2）十Ye（户q- i) + zc（户r+ cj) = ft4X qqq2十Xrpr2 + X ,prp + ft3X.u + X vrvr + X wqwq + f l2X u2 + X wwV2 + X wwW2 + ft2u2X川2十Xa，十X硝护2a1U2十b1UUc+ C1u;J 一（W- B)sin8 + fl2X PW?v2 + X叫切2+Xaa卢u2+ Xa,a，u2(77一1). CAI) mu -wp十ur- Ycr2 扩）+ zc(qr - p) + Xc(qp 均= ft4Y,r + Ypp + YPIPI户IPI + Ypqpq十

13、Y叫+ ft3Y户Yvp吵Y wpwp + Y wrWr + frYqur + YPup + Y lrlO, + fl3Y .u2 + Y pUU + Y vlvlu I (u2十w2)tI J + fl2CYvw柳Y州十（W- B)cos8sinijJ +f厅吁ur(7J一1)？巾IrUV+Yvl旬mu一uq+ u户一Zc（户2+ q2) + x.(rp一q)+ y（rq 户？以q+ Z ppp2 + Zrrr2 + Z,prp + ft3ZwW + Z,.ur + Zvpvp + f l3Z quq + Z lqlaU I q I Ob + Z wlql时ICr2 川Ilql + f t2

14、Z vU2 + Z,uw + Z wlwl时I( u2 + w 2) f I ？巾1由+ ft2z山u2+ Z bi从Z bu20b + (W -B)cos8cos伊+ ft3z1 qqUQ何一1)CB/Z 259 96 ？咿叫uw+Z叫Icu2 川十Zbq8vu2 （卜1). (A3) I,p + Uz一）q_r- (i + pq)/xz + (r2 - q2)lyx + (pr - q)/xy + myc(w - uq + vp) -Zc（心wp + ur) = fi5CK pp+ K rf + K qrqr + K pqpq + K PIPIP IP I J + ft4K pup十KrU

15、r + K vU 俨Kuq呵十KwpW户Kwrwr + fi3K .u2 + K.叫KlIUI （2 + w2)t IJ + ft3K .wuW + KA + (ycW -y8B)cos8cos伊一（zcW- z8B)cos8sin9 J 十ft3K9u2（守一1).“.“. CA4) lyq十（，-I.)rp一（p+qr）勺，十（p2- r2)J.x + (qp - r)ly. + mzc(u - ur + wq) - xc(W - uq P) = 1-l5M qq + MppP2 + M rrr2 + M r川Mq1q1qlqlJ 俨Mww+Murur+ M upup + f t4M qu

16、q + M lql + -l3M，幡u2+M，田uw+M，田l酣1wl(u2 + w呐！” ？叫M1四lulwl + M wwlw(U2 + w2对+ ft3M wu2 + M气i+ Mb6u2 -(x0W一xBB )cos8cos9一（z0W一z8B)sin(j ？川q?uq(f/一1)？俨M附仰M，田酣亨w J.i + (/y一lx)Pq一（q十rp)/Y+ (q2 - p2)/xy + (rq - p)J.x + mxJu - wp + ur) - yc(u - ur + wq) = ft5Nrr + NPP + N pqpq + N qrqr + N rlrlr Ir I十fNN .u

17、 + N wrwr + Nwpwp + Nu + fi4CNpu户N rUr + N lrl俨lrl8r+ N忡忡Icu2十以）tlr+ ft3N. u2 + N uUU + N ululU I (u2十w2)t+ ft3N阳阳N 6ru2乱+ CxcW - xBB)cos8sin9 + (ycW - y8B)sin8 9 10 CB/Z 259-96 十f川吁ur（守1)十？咐F坷u十NtI啻（俨P十叫同gOcos伊0 = qcosp - rsinp “.”.”(A7) ip = (qsin伊十rcos）cosO如Osi- ifJcosp) 十w(cos如inOsin伊十sin如in伊弘usinifJcosO十（sinifJsinOsin十cos如OS伊）.”.”A的十w(sin如in8coscos如inp)附加说明：本指导技术文件由船舶理论与实验标审组提出；本指导性技术文件由船舶总公司七院七O二所归口z本指导性技术文件由船舶总公司七院七O二所负责起草F本指导技术文件的主要起草人搏廷辉、英宝山。