Устройство для управления успокоителем качки судна

 

Использование: в судостроении. Сущность изобретения: устройство содержит формирователь 1 сигнала управления, дифференцирующий усилитель 6, функциональный преобразователь 3 сигнала от датчика скорости, суммирующий блок 4 с ограничением сигнала, выход которого является выходом устройства, два множительных элемента 2 и 5, блок 8 нелинейности и блок 7 выделения модуля. Вход блока 7 связан с выходом дифференцирующего усилителя, а выход через блок 8 нелинейности и множительный элемент 5 подключен ко входу суммирующего блока 4 с ограничением сигнала. Второй вход блока 4 связан с выходом функционального преобразователя 3 от датчика скорости, второй выход которого подключен ко входу множительного элемента 2, ко второму входу которого подключен формирователь 1 сигнала управления. Выход множительного элемента 2 одновременно связан со вторым входом множительного элемента 5 и входом дифференцирующего усилителя 6. 6 ил.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к устройствам для управления успокоителем качки (УК) судов.

Известно устройство для управления успокоителем качки судов [1] , содержащее формирователь сигнала управления, связанный через операционный усилитель с ограничением со входом блока умножения, к другому входу которого подключен выход функционального преобразователя сигнала от датчика скорости, а к выходу - следящие приводы, кинематически связанные с датчиком положительной обратной связи, второй блок умножения, к одному входу которого подключен функциональный преобразователь сигнала от датчика скорости, к другому через фазочувствительный выпрямитель - датчик положительной обратной связи, а к выходу - операционный усилитель с ограничением.

Недостатки данного устройства - низкие точность управления и эффективность успокоителя качки при изменении скорости судна, изменении курсового угла волны или возрастании интенсивности волнового возмущения в силу ограниченности скорости перекладки бортовых рулей, которые начинают отставать по фазе от оптимального сигнала управления с увеличением скорости изменения вычисленного сигнала управления и превышением максимальной скорости перекладки бортовых рулей. Данное обстоятельство может приводить к полной потере эффективности УК, а в некоторых режимах даже к раскачке судна.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является устройство для управления успокоителем качки судна [2] , содержащее формирователь сигнала управления по отклонению объекта, соединенный одним своим выходом со входом суммирующего блока с ограничением, а другим - через блок масштабных элементов со входом дифференцирующего усилителя, выход которого соединен с одним из входов функционального нелинейного преобразователя, соединенного своим выходом с другим входом суммирующего блока с ограничением, выход которого предназначен для подключения к следящим приводам бортовых рулей, функциональный преобразователь, выход которого соединен с другим входом функционального нелинейного преобразователя.

Недостаток данного устройства - снижение точности управления при изменении скорости хода, курсового угла волны и возрастании интенсивности волнового возмущения, действующего на судно. Наряду с этим при практической реализации возникают следующие трудности: необходимость суммирования на суммирующем блоке с ограничением значительных по амплитуде сигналов, что в частности приводит к необходимости введения зависимости сигнала коррекции от скорости хода, когда последний уменьшается при увеличении скорости хода. Скорость изменения сигнала управления значительно возрастает вместе с повышением частоты встречи с волной и неизбежно насыщение операционных усилителей, которые применяются в данных устройствах, или возрастает уровень высокочастотных помех; невозможность оценки требуемой зоны нечувствительности нелинейного звена, практически эмпирическая оценка ее при проектировании, что на практике привело к отказу от данного устройства.

Цель изобретения - повышение точности управления при изменении скорости хода, курсового угла волны и интенсивности волнового возмущения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления УК, содержащее формирователь сигнала управления, дифференцирующий усилитель, функциональный преобразователь сигнала от датчика скорости, суммирующий блок с ограничением сигнала, выход которого является выходом устройства, снабжено двумя множительными устройствами, блоком нелинейности и блоком выделения модуля, вход которого связан с выходом дифференцирующего усилителя, а выход через блок нелинейности и множительное устройство подключен ко входу суммирующего блока с ограничением, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя от датчика скорости, второй выход которого подключен ко входу второго множительного устройства, ко второму входу которого подключен формирователь сигнала управления. Выход второго множительного устройства одновременно связан со вторым входом первого множительного устройства и входом дифференцирующего усилителя.

В изобретении использованы известные свойства известных элементов. Однако в заявляемой совокупности отличительные признаки обеспечивают новое свойство устройства для управления успокоителем качки судов - коррекцию сигнала управления на выходе устройства при превышении скорости изменения этого сигнала максимальной скорости перекладки бортового руля. Скорость изменения сигнала управления на выходе устройства при этом не будет превышать максимальной скорости перекладки бортового руля, и фазовое запаздывание рублей относительно сигнала управления не будет возрастать при возрастании амплитуды оптимального сигнала управления, вычисленного без учета имеющихся ограничений на управление.

Проявление предлагаемым устройством нового свойства, обеспечивающего повышение точности управления на любой скорости хода при изменении интенсивности волнового возмущения и других условий плавания в широких пределах позволяет признать заявляемую совокупность новой по сравнению с известными и, следовательно, соответствующей критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - блок-схема формирователя сигнала управления; на фиг. 3 - характерная функциональная зависимость коэффициента усиления канала управления и ограничения сигнала управления; на фиг. 4 - блок-схема суммирующего блока с ограничением; на фиг. 5 - блок-схема блока выделения модуля; на фиг. 6 - графики изменения сигнала управления и угла перекладки бортового руля при наличии коррекции и без нее.

Устройство содержит (фиг. 1) формирователь 1 сигнала управления, выход которого соединен со входом множительного устройства 2. Другой вход множительного устройства 2 подключен к выходу функционального нелинейного преобразователя 3, другой выход которого подключен ко второму входу суммирующего блока 4 с ограничением. Выход множительного устройства 2 подключен ко входу множительного устройства 5 и одновременно ко входу дифференцирующего усилителя 6, выход которого подключен ко входу блока 7 выделения модуля, выход которого подключен к другому входу множительного устройства 5, выход которого подключен к первому входу суммирующего блока 4 с ограничением.

Формирователь 1 сигнала управления (фиг. 2) содержит датчик 9 угловой скорости качки, масштабные резисторы 10, 11 и 12, а также дифференцирующий, интегрирующий и суммирующий операционные усилители 13, 14 и 15. Датчик 9 угловой скорости подключен к одному из входов суммирующего усилителя 15 через масштабный резистор 12, ко второму входу - через последовательно соединенные дифференцирующий усилитель 13 и второй масштабный резистор 11, а к третьему входу - через последовательно соединенные интегрирующий усилитель 14 и третий масштабный резистор 10. Выход суммирующего усилителя 15 является выходом формирователя 1 сигнала управления.

Множительные устройства 2 и 5 выполнены на базе аналоговых устройств двухквадратного умножения по формуле U_вых= 0,1хU_вx1 х U_{вх 2}.

Функциональный нелинейный преобразователь 3 выполнен на операционных усилителях, обеспечивает преобразование входного сигнала методом кусочно-линейной аппроксимации. При этом обеспечивается заданная функциональная зависимость коэффициента усиления канала управления (фиг. 3) от скорости хода судна с целью устранения срыва потока на рулях.

Суммирующий блок 4 с ограничением (фиг. 4) может быть выполнен на операционном усилителе 16, к выходу которого подключены одновременно регулируемые резисторы 17 и 18, вторые концы которых подключены соответственно ко второму входу суммирующего блока 4 с ограничением и к выходу операционного усилителя 19, вход которого также подключен ко второму входу суммирующего блока 4 с ограничением. Движки регулируемых резисторов 17 и 18 подключены к суммирующей точке операционного усилителя 16, через диоды 20 и 21, причем анод диода 20 подключен к резистору 17, а анод диода 21 - к суммирующей точке операционного усилителя 19.

Дифференцирующий усилитель 6 выполнен на операционном усилителе и реализует передаточную функцию Wd(p)= , (1) где Wd (p) - передаточная функция звена; Т - постоянная времени аналогового звена; p - оператор преобразования Лапласа.

Блок 7 выделения модуля может быть выполнен (фиг. 5) на операционном усилителе 22, связанном через диод 23 со входом блока 7 выделения модуля и суммирующего усилителя 24, первый вход которого также подключен ко входу блока 7 выделения модуля через диод 25, а второй вход - к выходу операционного усилителя 22. Выход операционного усилителя 24 является выходом блока 7 выделения модуля.

Блок 8 нелинейности может быть выполнен на операционных усилителях, которые обеспечивают преобразование методом кусочно-линейной аппроксимации. В блоке реализуется следующая зависимость U8_вых= (2) где U8_вх - сигнал на входе блока 8 нелинейности, соответствующий модулю скорости изменения сигнала на выходе множительного устройства 2; U_пор - значение сигнала, соответствующее максимальной скорости перекладки ботовых рулей; U8_вых - выходной сигнал блока 8 нелинейности.

Устройство работает следующим образом.

При работе УК формирователь 1 сигнала управления измеряет угловую скорость бортовой качки с помощью гироскопического тахометра 9. На выходе операционных усилителей 13 и 14 вырабатываются сигналы, пропорциональные угловой скорости и углу бортовой качки, которые масштабируются потенциометрами 11 и 10, суммируются усилителем 15, на третий вход которого поступает сигнал, пропорциональный угловой скорости, масштабируемый потенциометром 12. Выход усилителя 15 является выходом формирователя 1 сигнала управления, с выхода которого сигнал управления поступает на первый вход множительного устройства 2, где он масштабируется в соответствии с заданной функциональной зависимостью коэффициента усиления от скорости хода судна, которая реализуется функциональным нелинейным преобразователем 3, сигнал с выхода которого поступает на второй вход множительного устройства 2.

Затем дифференцирующий усилитель 6 вычисляет скорость изменения сигнала на выходе множительного устройства 2, а блок 7 выделения модуля с помощью диодов 23 и 25, а также операционных усилителей 22 и 24 вырабатывает сигнал, пропорциональный абсолютной величине указанного сигнала. Сигнал с выхода блока 7 выделения модуля поступает на вход блока 8 нелинейности, где происходит анализ текущей скорости изменения сигнала управления. Если скорость изменения сигнала управления не превышает скорость перекладки бортовых рулей, на выходе блока 8 нелинейности устанавливается сигнал, соответствующий 1 (3). Таким образом, сигнал управления без изменений поступает на вход суммирующего блока 4 с ограничением, где ограничивается в соответствии с данной скоростью хода судна. Если скорость изменения сигнала управления превышает максимальную скорость перекладки бортовых рулей, то на выходе блока 8 нелинейности устанавливается сигнал в соответствии с (2), который меньше 1.

Сигнал управления в результате этого масштабируется множительным устройством 5 таким образом, что скорость изменения сигнала на выходе множительного устройства 5 не превышает, с учетом масштабного коэффициента, максимальной скорости перекладки бортовых рулей.

Сигнал, поступающий на второй вход усилителя 4 с ограничением обеспечивает ограничение сигнала управления на выходе операционного усилителя 16 в соответствии с функциональной зависимостью, представленной на фиг. 3. Диоды 20 и 21 обеспечивают двуполярность работы схемы.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УСПОКОИТЕЛЕМ КАЧКИ СУДНА, содержащее электрически связанные между собой формирователь сигнала управления, дифференцирующий усилитель, функциональный преобразователь сигнала от датчика скорости и суммирующий блок с ограничением сигнала, выход которого предназначен для подключения к следящим приводам бортовых рулей, отличающееся тем, что оно снабжено двумя множительными элементами, блоком нелинейности и блоком выделения модуля, вход которого связан с выходом дифференцирующего усилителя, а выход через блок нелинейности и первый множительный элемент подключен к входу суммирующего блока с ограничением сигнала, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя сигнала от датчика скорости, второй выход которого подключен к входу второго множительного элемента, к второму входу которого подключен формирователь сигнала управления, при этом выход второго множительного элемента одновременно связан с вторым входом первого множительного элемента и входом дифференцирующего усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6