全權潛艇控制技術研究

李小龍，郭隆華，左艷軍

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

0 引 言

全權潛艇控制系統是一種綜合控制器，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)平衡與補償;5)手動控制;6)失衡狀態估計;7)推進控制。

傳統的控制方法是對上述控制分別實施，其缺點是控制過程不連續，而且控制方案也不是最優。全權潛艇控制系統的概念是在初期的設計階段就使整個潛艇的性能達到最優，即:

1)集成的控制系統能夠減少控制人員數量、復雜程度及全壽期成本;

2)轉向與潛浮控制方案可統一設計，減少設計成本;

3)接口數量較少，使軟件容易集成;

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

5)關鍵時刻的深度變化不需要手動的平衡與補償;

6)全權潛艇控制系統基于開放式結構，可以即插即用，能夠大幅縮短由于維護而停機的時間。

1 傳統的潛艇操控臺

傳統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，每種不同運動的控制回路并行，它們之間沒有任何數據交換。傳統的潛艇控制系統沒有通用接口，不同運動的控制器都從潛艇的各個系統獲得數據，因此存在大量的重復工作。以深度控制為例，需要同時執行多個單獨的控制功能，由于不同的控制回路擁有不同的控制功能，因此潛艇的機動效果被抵消，使控制效果變得很差。

另外，在自動變深期間，最初指令發送到自動駕駛儀，通常需要手動調節潛艇的平衡與補償。因此，自動控制一般不可重復，并且有時會受到手動誤操作的影響。

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

傳統潛艇控制系統的復雜性造成了系統集成的問題，現在把這種集成問題簡化為2 套使用不同深度基準點的系統，在低速情況下每套獨立的系統都無法滿足性能要求。然而，如果將2 套系統集成，經過系統優化，性能就很容易滿足要求。

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

2 全權潛艇控制系統簡介

英國斯特林動力公司的全權潛艇控制系統概念圖如圖2所示，傳統的6個單獨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。這種控制系統通過數據總線控制執行機構，并在全部的速度與深度范圍內實現控制性能的優化。

圖2 全權潛艇控制系統概念圖Fig.2 Concept figure of full authority submarine control system

潛艇利用全權潛艇控制系統可以實現手動或自動(利用操縱桿或鍵盤)控制，主動力反饋的操縱桿取代了傳統的被動彈性復原的操縱桿。全權潛艇控制系統的作用更像一套飛行控制系統，而不是傳統的潛艇自動駕駛儀。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換成潛艇機動所需的最佳方案。這種方案將同時執行所有水平舵的移動與壓載艙的調整，以實現最有效的控制。

全權潛艇控制系統比傳統的控制系統更容易實現集成，因為全權潛艇控制系統的整個水平操縱與潛浮控制功能只有一個輸入和輸出接口。全權潛艇控制系統也是一種完全便攜式的系統，能夠與開放式結構系統數據總線相接。此外，全權潛艇控制系統接口的簡易性使其很容易實現遙控操作，即操作人員在執行任務期間，可以選擇在不同的位置來操控潛艇。

該潛艇控制系統具有很多實時的可編程特征，這可以通過全權潛艇控制系統內置的功能來激活，還能夠利用自動駕駛儀反向驅動。因此，在潛艇的機動過程中，操縱桿可以通過程序控制自動移動以顯示向水平舵發送的指令。這一特性可使操縱更加安全(即顯示自動駕駛儀設定的指令是否合理)，或者作為訓練輔助(即對首次嘗試復雜操縱的新手進行提示)。

1)壓載控制原理

全權潛艇控制系統能夠自動控制潛艇的平衡和補償系統，所以由海水密度變化、潛艇壓縮性或內部管路引起的浮力變化無需人工干預就可完成校正。為避免泵和閥門經常移動，平衡與補償的自動控制必須遵循一套嚴格的準則。這套準則能夠保證潛艇的隱身性能不會受到影響，同時平衡和補償系統的壽命不會低于手動控制的系統。

表1 給出了采用不同類型的平衡和補償控制的優缺點，以二維方式為自動平衡和補償系統提供決策支持。

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

2)全權潛艇控制系統的內部算法

假定使用自動平衡與補償，全權潛艇控制系統的操作流程如圖3所示。這些全權潛艇控制系統中的基本控制元件算法提供與下述系統的接口:通信總線、人機接口、狀態顯示。

圖3 全權潛艇控制系統的操作流程Fig.3 Operation procedure of full authority submarine control system

所有通過接口進入全權潛艇控制系統的信息將進行有效性檢測，并且在進入控制算法之前將無效信息濾掉。報警信息經過處理顯示在狀態顯示屏上，狀態顯示屏還能夠提供諸如艦艇速度、深度和裝置狀態等信息。

全權潛艇控制系統的輸出信息進入數據總線，并分配到相關的執行裝置。為了監視裝置的運行情況，每臺執行裝置的相對位置都會與所需的位置進行對比。一旦檢測到故障，系統將進入復位模式。

3)人工/自動控制原理

全權潛艇控制系統的工作方式與飛機的“遙控自動駕駛儀”飛行控制系統類似，全權潛艇控制系統可作為手動輸入與控制界面之間的接口。使用全權潛艇控制系統可對潛艇深度或航向進行手動控制的同時進行其他模式的自動控制。然而，當操縱桿用于設定、指示潛艇深度變化時，操作人員不再需要設定首水平舵和尾水平舵的角度。使用全權潛艇控制系統時，移動操縱桿將獲得所需的縱搖角度(或在低速情況下調整深度)。然后，全權潛艇控制系統會計算出水平角度以獲得期望的潛艇姿態。各種控制模式的輸入/輸出關系如圖4所示。

圖4 全權潛艇控制系統模式選擇Fig.4 Mode selection of full authority submarine control system

圖4 給出了標準十字型尾舵情況下進行全權潛艇控制系統模式選擇的原理，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。

每個操縱桿都具有復位模式，因此如果全權潛艇控制系統處于離線狀態時，可用操縱桿中的電位計直接為水平舵提供信號。復位模式時，操縱桿的角度與水平舵的角度保持一致。因此，全權潛艇控制系統的緊急模式與傳統手動控制工作方式相同。

鍵盤輸入與傳統的電子自動駕駛儀相似，因為在給定縱搖和速率限制條件下可用于設定潛艇深度、縱搖和航向。

4)手動操作原理

潛艇的深度和航向分別或同時進行手動控制是可行的。然而，為避免過多的說明，本節討論的潛艇深度和航向控制分別進行。操縱桿基于斯特林動力公司的設計，這種操縱桿目前應用在許多飛行模擬裝置中，如圖5所示。

圖5 斯特林動力公司設計的操縱桿Fig.5 Joystick of stirling dynamics company

①手動深度控制

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

圖6 中，在設定緩慢下潛方式時，將向全權潛艇控制系統發送艇首下潛5°的指令。全權潛艇控制系統中的算法對該指令進行處理，并確保潛艇保持在指定的下潛狀態。當接近目標深度時，操作人員逐漸將操作桿移動到中心位置，全權潛艇控制系統將使潛艇保持在當前的深度。

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境對潛艇的影響，可以由全權潛艇控制系統內部算法來實現。因此，在一定海況下以手動方式維持潛艇深度時，操作桿將置于中心位置，這種方式借鑒了直升機主動控制中的“無憂機動(carefree maneuvering)”理論。

綜合了慢速、正常和快速深度變化的制動裝置是一種硬制動方式，越過這種方式，操作人員則無法移動操縱桿。由于安全或操作原因，硬制動能夠實時連接，來限制強加的機動。例如，在靜止模式下，縱搖角度將受到限制，在高速運動情況下，水平舵只允許2°或3°的調整空間。

②手動航向控制

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

5)開放式架構特征

全權潛艇控制系統的設計適應開放式結構環境，可以在潛艇的任何位置上接入數據總線，通過相同的數據總線，還能夠與操縱和下潛控制設備進行無縫互動，如圖8所示。

數據總線具有以下功能:

操控系統與潛艇的設備進行通信;

潛艇浮出水面時，可利用艦橋中的便攜裝置進行控制;

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

全權潛艇控制系統通過接入無人潛航器(UUV)信號發送裝置的數據總線，來向UUV 傳輸控制數據。

潛艇系統的精確模型與岸基模擬器進行通信;

潛艇停靠岸邊時，實際的潛艇系統與岸上的設備相連，提供停靠訓練設施。

圖8 全權潛艇控制系統的開放式架構特征Fig.8 Open architecture characteristics of full authority submarine control system

全權潛艇控制系統的開放式架構特征能夠使其與現有的系統實現完美集成。目前斯特林動力公司和雷聲Anschutz 公司合作，將全權潛艇控制系統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 是一臺綜合自動駕駛儀，能夠由一名操作人員實現操作，如圖9所示。

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

S54的設計能夠簡化為一套具有若干內/外部接口、處理裝置的顯示系統與自動駕駛儀系統的集成，如圖10所示。

圖10 S54 顯控臺設計示意圖Fig.10 Design sketch map of S54 console

為了將全權潛艇控制系統集成到顯控臺中，通過以太網連接的全權潛艇控制系統替代了目前使用的自動駕駛儀處理器。

這一改變將全權潛艇控制系統的全部功能都集成到現有的潛艇操作顯控臺中。為了將全權潛艇控制系統完全集成到顯控臺中，將需要對機械設備與操作方式進行微小的改動。此外，對于平衡與補償系統，將增加額外的操作接口或者對現有的接口或系統進行修改。

圖11 集成了全權潛艇控制系統的S54 設計示意圖Fig.11 Design sketch map of S54 console integrate with full authority submarine control system

3 結 語

全權潛艇控制系統的開發基于主動控制技術與潛艇自動控制領域多年的經驗相融合。全權潛艇控制系統最初的理念是設計一種超越所有現有安全特性的系統。為此，全權潛艇控制系統借鑒了航空業的力反饋“遙控自動駕駛儀”的概念，并將這一概念應用到潛艇操控過程中，同時將傳統潛艇操控系統中相對獨立的控制通道集成到一起，通過內部的綜合優化實現潛艇的最優控制。

全權潛艇控制系統的概念目前還處于初期開發階段，正在進行操縱桿的安全性及操控性能評估。全權潛艇控制系統的接口協議正在開發過程中，目的是確保系統的靈活性以及充分利用全權潛艇控制系統的安全性保證傳輸信號的精確。與此同時，控制算法也在開發過程中，并將與全權潛艇控制系統集成。這些算法植入全權潛艇控制系統將使潛艇及UUV的水平操控與潛浮控制理念發生重大變化。

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［6］Stirling-Dynamics company［EB/OL］.http://www.stirlingdynamics.com.