Аппаратура автоматического управления движением судна

 

Изобретение относится к судостроению и предназначено для реализации автоматического управления движением морского судна. Аппаратура автоматического управления движением судна содержит задатчик путевого угла, датчик угла перекладки кормового руля, приемник спутниковой навигационной системы и вычислитель, включающий в себя первый сумматор, первый и второй интеграторы и дифференциатор. Кроме того, аппаратура снабжена датчиком носовых рулей, рулевым приводом носовых рулей и вторым сумматором. Выход второго сумматора через второй выход вычислителя подключен к входу рулевого привода носовых рулей. Датчик носовых рулей через шестой вход вычислителя соединен с первым входом второго сумматора и третьим входом второго интегратора, выход которого соединена вторым входом второго сумматора. Достигается повышение точности стабилизации судна на заданном направлении движения и снижение сопротивления движению судна. 1 ил.

Изобретение относится к судостроению и предназначено для реализации автоматического управления движением морского судна.

Известно устройство (А. С. СССР 460535), обеспечивающее автоматическое удержание судна на заданном курсе. Стабилизация курса осуществляется по данным гирокомпаса, который является основным источником информации о направлении движения судна. Сигнал текущего курса и его производная поступают на вход вычислителя (суммирующего устройства), на вход которого поступает также сигнал с датчика угла перекладки руля.

Рассматриваемый авторулевой обладает следующими недостатками: - перегружает рулевой привод при развитом морском волнении; - сигнал угла курса, вырабатываемый гирокомпасом, зашумлен и при дифференцировании не удается получить сигнал производной курса с требуемыми динамическими качествами, что исключает применение его на неустойчивых на курсе судах; - нет сигнала угла дрейфа, что приводит к параллельному уходу судна с заданного направления движения при боковом ветре или течении.

Известна также "аппаратура автоматического управления движением судна" (патент России 2144884, кл. В 63 Н 25/04), принятая нами в качестве прототипа, содержащая задатчик направления движения, датчик угла перекладки руля, выходы которых подключены к вычислителю (суммирующему усилителю). К вычислителю также подключены: - сигналы с выхода приемника спутниковой навигационной системы (СНС), путевой угол (ПУ); - сигнал угла перекладки руля δ; - сигнал угловой скорости (производной путевого угла ω=d/dt ПУ); - сигнал угла дрейфа β.

Выход вычислителя подключен к входу рулевого привода, последний, отклоняя кормовой руль, удерживает судно на заданном направлении движения.

Эта аппаратура автоматического управления движением судна обеспечивает автоматическое управление движением малотоннажного судна. Установка аппаратуры на крупнотоннажные и речные суда, неустойчивые на курсе, не обеспечивает требуемой точности удержания судна на заданном направлении движения.

Аппаратура имеет следующие недостатки: - использование сигнала угла дрейфа совместно с сигналами угловой скорости и сигналом угла курса в законе управления кормовым рулем неэффективно, т. к. кормовой руль при положительном угле отклонения создает отрицательный (по знаку) момент поворота судна(уход судна влево) и положительный (по знаку) угол дрейфа (уход судна вправо); - исключение же из закона управления угла дрейфа приведет к появлению не учитываемого угла дрейфа, а следовательно, к уходу судна с заданной траектории движения.

В предложенной нами аппаратуре автоматического управления движением судна отмеченные выше недостатки устранены.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание аппаратуры для автоматического управления движением судна, обеспечивающей повышенную точность стабилизации судна на заданном направлении движения и сниженным сопротивлением движению судна.

Поставленная задача достигается тем, что в аппаратуру, содержащую: задатчик путевого угла, датчик угла перекладки руля, привод кормовым рулем, приемник спутниковой навигационной системы (СНС) и вычислитель, состоящий из: первого сумматора, двух интеграторов и дифференциатора, соединенных в соответствии с приведенной ниже функциональной схемой, дополнительно введены: подруливающий механизм (или привод носового руля или привод интерцепторов), который в основном управляет движением судна по углу дрейфа β, второй сумматор и датчик положения носового руля.

Преимущества предложенной аппаратуры.

1. Автоматическое управление носовым рулем осуществляется только по углу дрейфа:
d/dtδ_нос = K1β-K2δ_нос, (1)
где δ_нос - управляющее воздействие на судно от подруливающего механизма (угла перекладки носового руля),
d/dt δ_нос - задание подруливающему устройству по скорости перекладки носовых рулей (приводу носовых рулей),
K1, K2 - коэффициенты регулирования,
β - угол дрейфа.

2. Введение дополнительного канала стабилизации судна по углу дрейфа. (Это стало возможным благодаря использованию высококачественной информации о величине текущего значения угла дрейфа β относительно земной поверхности от приемника СНС).

3. Обеспечение близкого к астатическому управления движением судна по заданному направлению с повышенной точностью.

4. Компенсация отклонения судна при появлении угла дрейфа дополнительным исполнительным органом снижает сопротивление движению судна по заданному направлению, а следовательно, приводит к экономии топлива в процессе выполнения рейса.

Функциональная схема предлагаемого изобретения приведена на чертеже.

Аппаратура автоматического управления движением судна содержит задатчик путевого угла 1, датчик угла перекладки кормового руля 2, приемник спутниковой навигационной системы (СНС) 3, вычислитель 4, первый сумматор 5, первый и второй интеграторы 6, 7, дифференциатор 8, привод кормовых рулей 9, датчик носовых рулей 10, рулевой привод носовых рулей 11 и второй сумматор 12.

В качестве задатчика 1 и датчиков угла перекладки рулей 2, 10 может быть использован любой аналоговый (цифровой) серийно выпускаемый преобразователь угла поворота с точностью не ниже 0,5%. В аналоговом варианте реализации аппаратуры в качестве вычислителя 4 (включающего в себя сумматоры 5, 12, два интегратора 6,7 и дифференциатор 8) можно использовать набор интегральных микросхем типа 140-УД-6 и 140-УД-8, приемник СНС 3 должен иметь вход для подключения вспомогательной антенны. (Приемник СНС 3 может также использоваться из аппаратуры Японской фирмы Furuno Elektric Co. LTD."Model SC-120" или типа МРК-11 для спутниковых навигационных систем из угломерной аппаратуры ГЛОНАС и GPS, разработки НИИ радиотехники Красноярского государственного технического университета). Сумматоры 5, 12 - интегральная микросхема типа 140-УД-6. Интеграторы 6, 7 - интегральная микросхема 140-УД-8. Дифференциатор 8 - интегральная микросхема типа 140-УД-6 с подключенным на вход конденсатором с малыми утечками. Возможен также вариант цифровой реализации вычислителя 4 на серийном микроконтроллере.

Задатчик 1, датчики 2, 10 и три выхода приемника СНС 3 подключены к входам вычислителя 4, два выхода которого подключены соответственно к приводу кормовых рулей 9 и рулевому приводу носовых рулей 11. Внутренние связи между блоками в вычислителе 4 рассмотрены в следующем разделе.

Аппаратура работает следующим образом.

Требуемое направление движения судна задается задатчиком путевого угла 1. Если это направление движения судна не совпадает с текущим направлением, то на выходе первого сумматора 5 появится сигнал, приводящий к отклонению кормового руля судна рулевым приводом 9, после чего начинается поворот судна к заданному направлению движения. При достижении судном заданного направления движения кормовой руль вернется в балансировочное положение.

Рассмотрим, как формируется закон управления рулевым приводом 9. Сигнал, пропорциональный текущему направлению движения судна, - ПУ, вырабатывается на первом выходе приемника СНС 3 и поступает через третий вход вычислителя 4 на третий вход первого сумматора 5, на первый вход которого поступает сигнал с задатчика 1 - заданное направление движения судна - ПУзад. На выходе первого сумматора 5 при этом будет формироваться сигнал отклонения судна от заданного направления движения: ΔПУ=ПУ-ПУзад. Сигналы, поступающие на входы II, IV сумматора 5, необходимы для обеспечения заданной точности стабилизации судна, а также для обеспечения требуемого запаса устойчивости замкнутой системы управления: "аппаратура... - привод кормовых рулей - судно".

Сигнал отклонения судна по углу дрейфа β с второго выхода приемника СНС 3 поступает через пятый вход вычислителя 4 на первый вход второго интегратора 7 и далее с выхода последнего на второй вход второго сумматора 12, далее через второй выход вычислителя 4 поступает в виде сигнала задания угла перекладки носового руля, на вход рулевого привода носового привода 11. После отклонения носового руля пропорционально углу дрейфа на II выходе вычислителя 4, в соответствии с зависимостью (1), сигнал будет нулевым, т.к. на первый вход второго сумматора 12 поступает сигнал отрицательной обратной связи, пропорциональный углу перекладки носового руля. (По мере уменьшения сигнала угла дрейфа угол перекладки носового руля будет также уменьшаться и достигнет нулевого значения при угле дрейфа, равном нулю).

Для снижения загрузки обоих рулевых приводов 9, 11 сигнал угловой скорости судна ω (вырабатываемый путем дифференцирования сигнала угла курса - ϕ, ω= d/dt ϕ), поступает не непосредственно на IV вход первого сумматора 5, а через первый интегратор 6, на выходе которого вырабатывается оценка угловой скорости На выходе второго интегратора 7 формируется аналогично оценка угла дрейфа (получение оценок будет рассмотрено ниже). На II вход первого сумматора поступает от датчика 2 сигнал отрицательной обратной связи, пропорциональный углу перекладки кормового руля. Таким образом на сумматоре 6 формируется закон управления кормовым рулевым приводом вида:
,
где d/dt δ,δ - скорость перекладки кормового руля и угол перекладки кормового руля;
ΔПУ=ПУ-ПУзад. - отклонение судна с заданного путевого угла;
оценка угловой скорости судна;
К1-К3 - коэффициенты регулирования.

Рассмотрим процесс выработки оптимальных (близких к оптимальным) оценки сигнала угловой скорости на выходе первого интегратора 6 и оценки сигнала угла дрейфа на выходе второго интегратора 7.

Необходимость получения оценок сигналов угловой скорости и угла дрейфа вызвана тем, что при формировании законов управления движением инерционными объектами, крутизна сигнала их относительно других сигналов, входящих в закон управления (1) и (2), часто на порядок выше и поэтому даже незначительные шумы, связанные с волнением на море, оказываются преобладающими и "забивают" остальные сигналы, что приводит к перегрузкам рулевого привода и даже его "заклинке".

Выработка оптимальных оценок базируется на использовании электронной модели движения судна и на наличии невязок по оцениваемым параметрам. Получение невязок в аппаратуре осуществляется путем алгебраического суммирования оценок и измеренных значений этих же сигналов на входах II и III первого интегратора 6 и на входах I и II второго интегратора 7.

Рассмотрим вид электронной модели движения судна и ее реализацию в аппаратуре автоматического управления движением судна. Математическая модель динамики движения судна при постоянной скорости хода описывается двумя дифференциальными уравнениями:

Для вычисления оценок уравнения (3) дополняются невязками Δω,Δβ и имеют вид:

В аппаратуре реализация зависимости (4) осуществляется на двух интеграторах 6, 7. Сигналы углов перекладки кормового и носового рулей поступают с датчиков 2 и 10 через второй и шестой входы вычислителя 4 на первый и третий входы соответственно первого 6 и второго 7 интеграторов.

Проведенное моделирование приведенных выше законов (1-4) подтвердило возможность получения высокоэффективной аппаратуры автоматического управления движением судна как в отношении точности стабилизации судна на заданном путевом угле, так и в отношении обеспечения требуемого запаса устойчивости замкнутой системы.

Формула изобретения

Аппаратура автоматического управления движением судна, содержащая задатчик путевого угла, датчик угла перекладки кормового руля, приемник спутниковой навигационной системы (СНС) и вычислитель, содержащий первый сумматор, первый и второй интеграторы и дифференциатор, причем выходы задатчика путевого угла и датчика угла перекладки кормового руля подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя, первый, второй и третий выходы приемника СНС подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому входам вычислителя, первый выход которого подсоединен к входу привода кормовых рулей, первый вход вычислителя соединен с первым входом первого сумматора, второй вход вычислителя подсоединен к второму входу первого сумматора и первому входу первого интегратора, третий вход вычислителя соединен с третьим входом первого сумматора, выход первого интегратора соединен с вторым входом первого интегратора и четвертым входом первого сумматора, выход которого подключен к первому выходу вычислителя, четвертый вход которого соединен через дифференциатор с третьим входом первого интегратора, пятый вход вычислителя соединен с первым входом второго интегратора, выход которого соединен с его вторым входом, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик носовых рулей, рулевой привод носовых рулей и второй сумматор, выход которого через второй выход вычислителя подключен к входу рулевого привода носовых рулей, датчик носовых рулей через шестой вход вычислителя соединен с первым входом второго сумматора и третьим входом второго интегратора, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1