阅读说明：本技术 一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法 (Submarine steering and balance control simulation test platform and method ) 是由 吕帮俊 黄斌 彭利坤 何曦光 陈佳 宋飞 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及大型设备仿真领域，特涉及一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法。本发明包括仿真试验控制台和潜艇操纵运动仿真软件，潜艇操纵运动仿真软件包括仿真算法软件和显示软件，仿真算法软件由水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块等组成。本发明可以根据试验方案进行不同初始状态、机动形式和操纵方式下的潜艇操纵运动仿真试验，也可实现多人的联合操纵和演练，训练团队之间的协同配合。(The invention relates to the field of large-scale equipment simulation, in particular to a submarine steering and balance control simulation test platform and a submarine steering and balance control simulation test method. The submarine maneuvering simulation system comprises a simulation test console and submarine maneuvering simulation software, wherein the submarine maneuvering simulation software comprises simulation algorithm software and display software, and the simulation algorithm software comprises a water surface motion module, an underwater motion module, a hovering motion module and the like. The submarine operation simulation test system can perform submarine operation simulation tests under different initial states, maneuvering forms and operation modes according to test schemes, and can also realize combined operation and drilling of multiple persons and cooperation among training teams.)

一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法

技术领域

本发明涉及大型设备仿真领域，特涉及一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法。

背景技术

现代潜艇是集各种高技术于一身的海上作战平台，装备了各种先进的探测、通信、导航、武器、水声对抗等设备，并通过先进的作战指挥系统将这些设备联接成一体。潜艇的高技术、大规模、操纵复杂等特点对受训人员的实际操作水平提出了很高的要求，潜艇部队的日常训练已成为各国海军所关注和研究的重要问题，而常规的海上训练经费高、周期长、风险大，特别是对于潜艇极限工况和应急工况下的操纵，无法进行实际训练。

随着计算机技术、系统仿真技术和虚拟现实技术的不断发展及其向军事领域的渗透，传统的训练观念和训练方式正面临着革命性的变化。为了减少训练费用、降低训练风险、提高训练效率，同时减轻训练对环境造成的影响，世界各国的海军都致力于潜艇操纵运动仿真试验平台的研制。

潜艇操纵运动仿真试验平台以潜艇动力学仿真模型为依据，结合受训人员的实际操作过程，利用计算机技术、自动化技术、模拟仿真技术等模拟潜艇车、舵、水、气等操纵装置的使用，在不同海区和海况下，对受训人员进行潜艇均衡、潜浮、水下航行等操纵的模拟训练。潜艇操纵运动仿真试验平台通常由运算控制计算机、虚拟操艇控制台等部分组成，运算控制计算机具有潜艇六自由度运动实时解算、模拟操舵以及与外界通讯的功能；虚拟操艇控制台用于模拟集中控制操舵仪和潜浮监控台，具有故障设置功能和其他一些辅助功能。利用潜艇操纵运动仿真试验平台可以模拟极限工况和应急工况下的潜艇操纵，如大纵倾、大攻角、舱室进水、舵卡、抛弃压载、短路快吹等，利用潜艇操纵运动仿真试验平台的这一功能对受训人员进行应急操纵训练，对于提高受训人员的应急操纵能力和潜艇战斗力具有十分重要的意义。

潜艇操纵运动仿真试验平台还可以用于潜艇操纵领域的理论研究和产品设计等。如进行潜艇操纵控制规律的研究，或者研究潜艇如何按预定的航迹选择最佳机动。此外，还可以通过改变艇型或操纵面的形状、尺寸和位置来改变相应的水动力系数，通过仿真试验平台分析它们对潜艇操纵性的影响，从而为潜艇操纵面的设计提供最佳的方案。

发明内容

针对现有技术的不同，本发明提供了一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法。本发明可以根据试验方案进行不同初始状态、机动形式和操纵方式下的潜艇操纵运动仿真试验，也可实现多人的联合操纵和演练，训练团队之间的协同配合。

本发明的技术方案是：一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，包括仿真试验控制台和潜艇操纵运动仿真软件，潜艇操纵运动仿真软件包括仿真算法软件和显示软件，其特征在于：仿真试验控制台包括两自由度围壳舵操舵手轮，输入首舵角δ_b、方向舵角δ_r；尾升降舵操纵旋钮，输入尾舵角δ_s；航向操纵方式转换开关，确定方向舵角δ_r由操纵者控制或由计算机自动生成；深度操纵方式转换开关，确定首舵角δ_b和尾舵角δ_s由操纵者控制或由计算机自动生成；均衡操纵方式转换开关，确定均衡调节静载力△P和静载力矩△M_P由操纵者控制或由计算机自动生成；推进电机遥控键盘，输入推进电机转速，即螺旋桨推力X_P；自动操舵和均衡输入键盘，输入指令深度或指令均衡调节量；仿真算法软件水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块；显示软件包括：仿真试验软件水舱水量显示、试验任务信息显示、潜艇运动状态显示、潜艇初始运动状态设置、潜艇仿真状态设置、试验任务过程控制、试验任务模式选择、风浪设置、潜艇操控综合显控和潜艇均衡综合显控。

根据如上所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，其特征在于：操舵手轮、操纵旋钮、航向操纵方式转换开关、深度操纵方式转换开关、均衡操纵方式转换开关、推进电机遥控键盘、自动操舵和均衡输入键盘集成在一个面板上。

根据如上所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，其特征在于：还包括触摸液晶屏，触摸液晶屏根据潜艇操纵运动仿真试验的需求，编制操控软件。

本发明还公开了一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验方法，包括水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块，潜艇吃水深度小于5m时采用水面运动模块；潜艇吃水深度大于等于5m且航速大于等于0.1m/s时，采用水下运动模块；潜艇吃水深度大于等于5m且航速小于0.1m/s时，采用悬停运动模块；其特征在于：水面运动模块采用无因次水动力系数作为潜艇六自由度空间运动方程的参数，根据输入的方向舵角和车令信号，采用四阶定步长龙格库塔算法测定仿真潜艇的首向角，漂角，横倾角，转首角速度；在水下运动模块时，共采用小攻角(攻角小于等于12°)及大攻角(攻角大于12°)两套无因次水动力系数作为潜艇六自由度空间运动方程的参数。初始取时小攻角时的无因次水动力系数，采用四阶龙格库塔算法迭代计算每一步的潜艇操纵运动参数，根据

判断当前的攻角大小，并自动确定下一步迭代采用小攻角系数或大攻角系数；仿真潜艇不同航速、舵角操纵以及静载力和力矩作用下潜艇的升速率，逆速以及阶跃操舵、梯形操舵、z形机动过程中特征参数的变化；悬停运动模块采用潜艇水下悬停运动数学模型，模拟潜艇在水下的无航速定深操纵。

根据如上所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验方法，其特征在于：悬停运动模块的模拟方法包括以下步骤：估算时近似取消声瓦的压缩量与潜深成正比：

式中，△C为极限压缩情况下引起的浮力差，H为潜艇深度；

计算海水密度引起的浮力变化量之和：Z₃＝Z₃₁+Z₃₂，其中引起浮力变化量为式中，

为水下全排水量；ρ₁、ρ₂分别为原海区、新海区的海水密度；Z₃₂为深度变化使密度产生变化引起浮力变化量；

按零升力及其力矩公式计算浮力的变化量；

式中，Z₀、M₀分别为自然减速时减小的零升力、零升力矩；V为实施停车时的航速；

然后根据公式

求不同均衡量值Z₄及M₄作用下潜艇运动参数的变化情况，公中，m为水下全排水量对应的潜艇质量；ρ为海水密度；L为潜艇长度；h为稳定中心高。相关水动力系数的定义参考文献[1][2]。

根据如上所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验方法，其特征在于：还包括潜艇由水下运动转为水上航行状态时的运动模块，根据伯努利计算法和潜艇六自由度空间运动方程模拟潜艇所受静载力和静载力的作用点的变化。

本发明的有益效果是：一是集操控、仿真于一体，既可用于操纵性试验也可以用于模拟训练。二是具有水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块等多个模块，能够针对不同模块进行参数的模拟，实用性强。三是可以用于潜艇操纵领域的理论研究和产品设计，缩短研发时间，可尽早模拟潜艇的操作性能。四是通过参数的变化，便于模拟不同类型的潜艇在各种情况下的参数，为潜艇操纵面的设计提供最佳的方案。

附图说明

图1为潜艇实时运动仿真算法流程。

图2为本发明所述仿真试验控制台结构图。

图3为本发明所述潜艇操纵运动仿真软件界面。

图4为建立数学模型的坐标系。

附图标记说明：操舵手轮1.1、操纵旋钮1.2、航向操纵方式转换开关1.3、深度操纵方式转换开关1.4、均衡操纵方式转换开关1.5、推进电机遥控键盘1.6、自动操舵和均衡输入键盘1.7、触摸液晶屏1.8、水舱水量显示2.1、试验任务信息显示2.2、潜艇运动状态显示2.3、潜艇初始运动状态设置2.4、潜艇仿真状态设置2.5、试验任务过程控制2.6、试验任务模式选择2.7、风浪设置2.8、潜艇操控综合显控2.9、潜艇均衡综合显控2.10。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1至图3所示，本发明的潜艇操纵运动仿真试验平台包括仿真试验控制台和潜艇操纵运动仿真软件，潜艇操纵运动仿真软件包括仿真算法软件和显示软件。

如图2所示，本发明的仿真试验控制台包括两自由度围壳舵操舵手轮1.1，输入首舵角δ_b、方向舵角δ_r；尾升降舵操纵旋钮1.2，输入尾舵角δ_s；航向操纵方式转换开关1.3，确定方向舵角δ_r由操纵者控制或由计算机自动生成；深度操纵方式转换开关1.4，确定首舵角δ_b和尾舵角δ_s由操纵者控制或由计算机自动生成；均衡操纵方式转换开关1.5，确定均衡调节静载力△P和静载力矩△M_P由操纵者控制或由计算机自动生成；推进电机遥控键盘1.6，输入推进电机转速，即螺旋桨推力X_P；自动操舵和均衡输入键盘1.7，输入指令深度或指令均衡调节量。操舵手轮1.1、操纵旋钮1.2、航向操纵方式转换开关1.3、深度操纵方式转换开关1.4、均衡操纵方式转换开关1.5、推进电机遥控键盘1.6、自动操舵和均衡输入键盘1.7可以集成到一个面板上，便于集中操作。本发明的面板最好设置触摸液晶屏1.8，触摸液晶屏1.8可以根据潜艇操纵运动仿真试验的具体需求，编制相应的操控软件，完成相应的仿真试验任务。本发明的仿真试验控制台能够提供完整的操纵输入参数，使操作人员能够实际体验操作流程，也便于科研教学，使学员在实验室体会操作过程需要注意的要领。

如图3所示，潜艇操纵运动仿真软件的显示软件包括以下几部分：仿真试验软件水舱水量显示2.1，集中显示浮力调整水舱、补重水舱和首尾均衡水舱的水量；试验任务信息显示2.2，采用文字显示试验任务的名称，开始结束时刻，以及任务过程各种参数超限提示信息；潜艇运动状态显示2.3，采用曲线和数字同步显示潜艇空间运动各状态参数变化情况；潜艇初始运动状态设置2.4，设定试验任务前，潜艇的初始运动信息，包括航速u、深度ζ、航向ψ、纵倾θ、横倾

等信息；潜艇仿真状态设置2.5，设定仿真平台的工作状态，包括开始、设定试验任务的顺序、暂停、刷新、数据保持等功能；试验任务过程控制2.6，手动控制试验任务的各个步骤，包括准备、开始实施、试验完毕等操作；试验任务模式选择2.7，设定试验任务为手动或自动程式模式；风浪设置2.8，设定风浪的方向和等级；潜艇操控综合显控2.9，采用集中显控界面，显示操舵角、潜艇航向、深度、纵倾、横倾等运动参数；潜艇均衡综合显控2.10，可以采用触摸方式完成潜艇浮力调整水舱的主排水，以及首尾均衡水舱的压水等操作，采用数字同步显示浮力调整水舱和首尾均衡水舱的水量。

如图4所示，所述潜艇操纵运动仿真软件所采用的数学模型基于此坐标系建立，名词术语、符号规则均采用ITTC和SNAME术语公报的体系，详见参考文献[1][2]，其中固定坐标系为E-ξηζ，运动坐标系为G-xyz。潜艇操纵运动仿真软件的基本数学模型采用1967年泰勒海军舰船研究和发展中心(DTNSRDC)发表的潜艇六自由度空间运动方程：

■轴向力方程

■侧向力方程

■垂向力方程

■横摇力矩方程

■纵倾力矩方程

■偏航力矩方程

■辅助方程——运动关系式

参考文献：

[1]中国造船编辑部.船舶动力学词典[M].上海：中国造船编辑部，1981.

[2]Nomenclature for Treating the Motion of a Submerged Body through aFluid[R].SNAME Technical and Research Bulletin 1-5，1952.

将(1)-(6)式进行整理，含有加速度

的项移到方程左边，其余项移到方程右边得到

其中：

C_A为对称矩阵，中间主要包含惯性类水动力系数。C_D为一个6×1的列向量，各行元素分别为(1)-(6)式中除去加速度项之后的剩余项的代数和。

将式(9)两边左乘

整理得到

联立式(7)、(8)、(10)，构成一个12元微分方程组，可采用四阶定步长龙格库塔算法积分，即后续模型可采用四阶定步长龙格库塔算法积分进行参数的计算，仿真计算得到潜艇的实时运动参数，具体算法流程及软件模块如图1所示。

由于潜艇是一种既能够在水面航行，又可以在水下机动，还可以悬停于海洋一定深度的特殊舰船，为了实现潜艇操舵和均衡控制仿真试验的全工况覆盖，需要对仿真软件进行模块化设计，根据潜艇的实际运动情况以及吃水不同而引起水动力的差异，分为水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块，不同计算模块采用潜艇深度ζ_G、航速V或垂直面攻角α作为判定指标进行数学模型或水动力系数的选择和切换，如图1所示，从而实现潜艇运动参数的平滑过渡。

如图1所示，本发明的潜艇操舵和均衡控制仿真试验方法即为仿真算法软件。仿真算法软件的工作过程是，判定潜艇深度，如潜艇吃水深度小于5m，则采用水面运动模块，如潜艇吃水深度大于等于5m，则进一步判定航行速度，如航速小于等于0.1m/s，则采用悬停运动模块，如航速大于等于0.1m/s，则采用水下运动模块。在水下运动模块中，根据攻角的不同选择不同的系数，从而实现每种不同模型下前提运动参数的输出。

1.潜艇在水面运动时选择水面运动模块，将方程(1)-(6)中的无因次水动力系数取为潜艇水面操纵性水动力试验结果。模型求解实时输入的操纵参数主要包括方向舵角δ_r和车令信号，即螺旋桨推力X_P，可开展潜艇水面操纵运动仿真试验，测定不同航速以及方向舵角操纵下潜艇的首向角ψ，漂角β，横倾角

转首角速度r，定常回转直径D，进距l_A，战术直径D_T等回转运动参数以及z形机动过程中特征参数的变化情况。

2.潜艇在水下运动时选择水下运动模块，将方程(1)-(6)中的无因次水动力系数取为潜艇水下操纵性水动力试验结果(初始取小攻角α≤12°时的试验结果)，模型求解实时输入的操纵参数主要包括首舵角δ_b、尾舵角δ_s、方向舵角δ_r、车令信号，即螺旋桨推力X_P以及潜艇受到的总的静载力△P和静载力的作用点x_P,y_P,z_P。其中，静载力及其作用点的确定则需要考虑浮力调整水舱注排水、纵倾平衡水舱的移水、潜艇主压载水舱注水和吹除等诸多因素的综合作用。当潜艇在水下高速大攻角机动(攻角α>12°)时，由于水动力的高度非线性，采用小攻角系数将会引起较大的仿真计算误差，为此，采用四阶定步长龙格库塔算法每进行一步迭代计算后，根据

判断当前的攻角大小，并自动确定下一步迭代应采用小攻角系数或大攻角系数，从而保证潜艇空间机动数学模型的计算精度。基于此模型，开展潜艇水下操纵运动仿真试验，测定不同航速、舵角操纵以及静载力和力矩作用下潜艇的升速率

逆速V_rs以及阶跃操舵、梯形操舵、z形机动过程中特征参数的变化情况。

3.当主推进电机停车，判断潜艇航速降到0.1m/s时，选择悬停运动模块，仿真求解模型由潜艇空间六自由度运动模型逐渐退化为潜艇水下悬停运动数学模型，模拟潜艇在水下的无航速定深操纵。水下悬停是潜艇操纵运动的一个特例，属于缓慢运动，通常在悬停期间只关注悬停深度。因此，采用垂直面操纵运动非线性方程进行描述：

其中：方程中的水动力系数可用模型试验或实艇试验测定。Z₀、Z₂、Z₃及M₀为干扰力，这里主要考虑艇体和消声瓦的压缩、海水密度变化和初始不均衡等三个方面的干扰。

(1)艇体和消声瓦压缩产生的浮力

根据敷贴于艇体外表面的消声瓦在艇处于极限下潜深度下，其排水容积的压缩量，估算时近似取消声瓦的压缩量与潜深成正比：

式中，△C为极限压缩情况下引起的浮力差，H为潜艇深度。

(2)海水密度变化产生的浮力

海水盐度、温度和海水压力对潜艇浮力的影响，都可归结为海水密度的变化对潜艇浮力的影响。浮力的变化一般分为两方面来计算：

潜艇在海水密度为ρ₁的海区均衡好以后，过渡到密度为ρ₂的新海区，引起浮力变化量为Z₃₁

式中，

为水下全排水量(m³)；ρ₁、ρ₂分别为原海区(海深)、新海区(海深)的海水密度(t/m³)。

由于深度变化使密度产生变化，引起浮力变化量Z₃₂。

因此，海水密度引起的浮力变化量应为上面两部分之和：Z₃＝Z₃₁+Z₃₂。

(3)潜艇进入悬停前的初始不均衡量

一般情况下，潜艇进入悬停前航速减到经济航速，补充均衡。然后停车，自然减速到零，在这一过程中，按零升力及其力矩公式计算浮力的变化量。

式中，Z₀、M₀分别为自然减速时减小的零升力、零升力矩；V为实施停车时的航速(m/s)。

考虑上述力和力矩Z₀、Z₂、Z₃及M₀的变化，可利用方程(11)进行仿真求解，主要开展潜艇水下悬停时，不同均衡量值Z₄及M₄作用下潜艇深度ζ，深度变化率纵倾角θ，纵倾角速度q的变化情况。

4.潜艇由水下运动转为水上航行状态时，需要采用高压气吹除主压载水舱，高压气吹除主压载水舱的排水量可以根据伯努利计算法进行求解。

压载水舱通海阀处压力为：

P_hi＝P_at+ρg(z₀-x_Bisinθ) (15)

根据伯努利方程：

P_Bi+gh_i-P_hi＝0.5ρ_wV_hi ² (16)

q_Bi＝C_h·V_hi·A_hi (18)

Buoy＝V_B-V_B0 (20)

式中：P_hi为各压载水舱外环境压力，P_at为大气压力，z₀为潜艇初始潜深，随吹除过程中随潜艇实时状态变化而变化；x_Bi为压载水舱中心纵向坐标，θ为潜艇瞬时纵倾角，P_Bi为各压载水舱内的气体压力，h_i为各压载水舱中海水水位高度，V_hi为压载水舱的排水速度，ρ_w为海水密度，q_Bi为主压载水舱的排水流量，A_hi为通海阀排水面积，V_B0为压载水舱初始气体容积，V_B为吹除过程中全部压载水舱的气体容积，V_Bi为吹除过程第i个压载水舱中的气体容积，N为吹除的水舱数量，Buoy为压载水舱的排水量，C_h为排水损耗系数，可取0.45。

根据模型计算的主压载水舱排水量和压载水舱中心纵向坐标，进一步可以等效为潜艇所受静载力△P和静载力的作用点x_P,y_P,z_P的变化，利用方程(1)-(8)进行仿真求解。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的操控面板、潜艇操纵运动仿真试验软件做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。