Система автоматического управления движением судна

Изобретение относится к области судовождения, в частности к управлению движением кораблей и морских судов. Система содержит датчик (1) и задатчик (2) путевого угла, датчик угловой скорости (3) и датчик угла (4) перекладки руля, выходы которых подключены к входам сумматора-усилителя (5), выход которого соединен со входом рулевого привода (6). Система дополнена блоком с зоной нечувствительности (8), первым и вторым диодами, первым и вторым электромагнитными реле, первым (13) и вторым (14) блоками уставок. Выходы датчика путевого угла и задатчика путевого угла подключены к входам блока с зоной нечувствительности, выход которого через первый диод соединен с обмоткой управления первого реле, нормально разомкнутая контактная группа которого соединяет вход сумматора-усилителя с выходом первого блока уставки. Вход сумматора-усилителя через нормально разомкнутую контактную группу второго реле соединен с выходом второго блока уставки, а вход обмотки управления второго реле через второй диод соединен с выходом блока с зоной нечувствительности. Изобретение обеспечивает эффективную работу системы управления во всем диапазоне изменения углов курса (путевых углов). 1 ил.

 

Изобретение относится к области судостроения и предназначено для управления движением корабля. Известна система управления движением корабля в пространстве («Результаты создания и испытаний системы управления движением скоростного катера типа «Мираж». Сборник трудов XXXI Всероссийской конференции «Управление движением морскими судами и специальными аппаратами». Изд. ИПУ РАН. Москва, 2004), в которой для автоматического управления движением судна используют приемник СНС в качестве датчика текущего путевого угла в диапазоне 0-360° и задатчик путевого угла, работающий также в диапазоне 0-360°. При формировании закона автоматического управления движением судна вблизи 360-0° наблюдаются сбои в автоматическом управлении.

Известна также система автоматического управления движением корабля, принятая нами в качестве прототипа (патент России №2248914), содержащая датчик и задатчик курса, датчик угловой скорости, датчик положения руля, выходы которых подсоединены к входам сумматора-усилителя, выход которого соединен со входом рулевого привода. При использовании датчиков угла курса (путевого угла) и задатчика курса, работающих в диапазоне 0-360°, возникает сбой автоматического управления движением судна (при переходе судна, а следовательно, и датчика угла курса с 360° к углам, близким к нулевым значениям (при этом задатчик угла курса остается в области, близкой к 360°).

Задачей предлагаемого изобретения является создание системы управления движением судна, лишенного отмеченного выше недостатка, с обеспечением эффективной (без сбоев) работы системы во всем диапазоне изменения углов курса (путевых углов).

Рассмотрим причину появления сбоев в автоматической системе стабилизации заданного путевого угла с типовым законом управления движением судна (патент России №2248914):

где d/dt δ_зд - заданная скорость перекладки руля,

ΔПУ=(ПУ-ПУ_зд) - сигнал рассогласования по путевому углу,

Ω - сигнал угловой скорости судна,

δ - угол перекладки руля,

K₁, К₂,K₃ - коэффициенты регулирования.

Пусть судно автоматически движется в области малых путевых углов ПУ_зд=3°, при этом от внешнего возмущения судно перешло через ПУ=0° и вошло в область больших значения путевого угла (ПУ вблизи 360°), тогда, в соответствии с зависимостью (1), на вход рулевого привода поступит сигнал d/dt δ_зд положительного знака. Руль переложится также в положительном направлении, что приведет к дальнейшему увеличению ухода судна относительно заданного направления ПУ_зд=3°. Для устранения произошедшего сбоя необходимо вернуть судно на ПУ=ПУ_зд=3° вручную. Существенно отметить, что до перехода судна через ПУ=360° с ПУ=3° при уменьшении значения путевого угла, ПУ=2°..., 1°, сигнал d/dt δ_зд, в соответствии зависимостью (1), был отрицательного знака, т.е. при рыскании судна в сторону уменьшения текущего путевого угла в соответствии с зависимостью (1) отрицательный знак сигнала d/dt δ_зд приводит к отклонению руля в отрицательном направлении, противодействуя тем самым отклонению судна от возмущающего воздействия и стремясь возвратить судно к заданному значению путевого угла, но при переходе судна через нулевое значение ПУ в область больших значений «2π» ПУ (вследствие действия возмущения) знак сигнал d/dt δ_зд в зависимости (1) изменится на обратный, и руль начинает отклоняться в положительном (обратном) направлении, и угол рассогласования по путевому углу начнет увеличиваться.

Устранить сбой в работе системы можно, если в зависимость (1) в момент перехода путевого угла из области малых значений в диапазон значений путевого угла, близких «+2π», ввести уставку «-2π»:

В этом случае знак сигнала d/dt δ_зд не изменится при переходе судна через ПУ=0° в область ПУ, близких к «+2π», и останется отрицательным, заставляя тем самым судно вернуться к заданным малым значениям путевого угла. При обратном переходе судном нулевого значения путевого угла уставку -2π необходимо исключить из закона управления, т.е. заменить зависимость (1а) зависимостью (1).

При использовании закона управления (1) сбой может произойти также при движении судна с тем же путевым углом ПУ=3° при полном штиле, но если судоводитель начал вводить новое значение путевого угла, ПУ_зд, близкое к области 2π, для устранения такого сбоя вместо закона управления (1) следует ввести уставку «+2π» в зависимость (1):

Аналогично при стабилизации движения судна на путевых углах, близких к 2π, при отклонении судна или задатчика путевого угла через нулевое значение путевого угла в область малых путевых углов происходит сбой в системе управления, для устранения происходящих при этом сбоев системы автоматического управления необходимо в закон управления (1) вводить описанные выше уставки.

Для достижения поставленной цели (исключения сбоев в системе при движении судна с путевым углом вблизи нулевых или вблизи значений 2π) известная система управления движением судна дополняется блоком с зоной нечувствительности, двумя диодами, двумя электромагнитными реле и двумя блоками уставок.

Заявляемая система управления движением судна, содержащая датчик и задатчик путевого угла, датчик угловой скорости и датчик угла перекладки руля, выходы которых подключены соответственно к первому-четвертому входам сумматора-усилителя, выход которого соединен с входом рулевого привода, дополнена блоком с зоной нечувствительности, первым и вторым диодами, двумя электромагнитными реле и двумя блоками уставок. Выходы датчика путевого угла и задатчика путевого угла подключены к входам блока с зоной нечувствительности, выход которого через первый диод соединен с обмоткой управления первого электромагнитного реле, а также через второй диод соединен с обмоткой управления второго электромагнитного реле, нормально разомкнутый контакт которого соединяет шестой вход сумматора-усилителя с выходом второго блока уставки. Пятый вход сумматора-усилителя через нормально разомкнутую контактную группу первого электромагнитного реле соединен с выходом первого блока уставки.

На чертеже приведена функциональная схема системы управления движением судна, содержащая датчик и задатчик путевого угла 1, 2, датчик угловой скорости 3, датчик угла перекладки руля 4, сумматор-усилитель 5, рулевой привод 6, судно 7, блок с зоной нечувствительности 8, первый и второй диоды 9, 10, первое и второе электромагнитное реле 11, 12, первый и второй блоки уставок 13, 14.

При реализации системы управления движением судна в качестве датчика путевого угла 1 может использоваться приемник спутниковой навигационной системы, в качестве задатчика путевого угла 2 может использоваться типовой преобразователь «вал-цифра» с индикатором, датчик угловой скорости 3 судна должен обладать чувствительностью не хуже 0,03°/сек, датчик угла перекладки руля 4 - цифровой преобразователь «вал-цифра» с чувствительностью не ниже 0,5°, сумматор-усилитель 5 (при реализации в аналоговом варианте) - это может быть микросхема типа 140 УД-6, специальных требований к судовому рулевому приводу 6 не предъявляется, блок с зоной нечувствительности 8 может быть реализован на микросхеме типа 140 УД 6 с зоной нечувствительности на входе -/+π, к диодам 9, 10 и электромагнитным реле 11, 12 специальных требований нет, блоки уставок 13, 14 - двухполярные источники постоянных напряжений, соответствующие сигналу ПУ=-/+2π.

Описание работы системы управления движением судна.

Система предназначена для автоматического управления движением судна по заданному судоводителем путевому углу ПУ_зд и для выполнения заданных судоводителем градусных поправок к текущему курсу судна.

Рассмотрим, как осуществляется автоматическая стабилизация путевого угла при движении судна вблизи нулевых (малых) значений ПУ_зд. Автоматическое удержание судна на заданном путевом угле осуществляется благодаря использованию приведенного выше закона управления рулевым приводом (1), дополненного условием |(ПУ-ПУ_зд)|<π:

Вырабатываемый датчиком 1 сигнал текущего путевого угла ПУ поступает на первый вход сумматора-усилителя 5, на второй вход которого поступает сигнал заданного значения путевого угла ПУ_зд, который устанавливает судоводитель задатчиком путевого утла 2, на третий вход поступает сигнал отрицательной обратной связи по углу перекладки руля -δ с датчика 4, при этом на выходе рулевого привода 6 формируется угол перекладки руля:

В зависимости (2) по сравнению с (1) отсутствует член с « Ω» - сигнал угловой скорости судна, который необходим для обеспечения устойчивости замкнутой системы: «судно - система управления движением», но к нашему рассмотрению этот сигнал не имеет никакого значения.

При

судно двигается по заданному путевому углу.

При (ПУ>ПУ_зд), δ>0, судно, благодаря положительно отклоненному рулю при этом, начнет угловое движение в отрицательном направлении к заданному ПУ_зд (к реализации зависимости (3)).

При (ПУ<ПУ_зд), δ<0, судно, благодаря отрицательно отклоненному рулю, начнет положительное угловое движение к заданному направлению, т.е. к заданному направлению ПУ_зд (к реализации зависимости (3)).

При использовании закона управления (1) в особых областях, как мы уже отмечали, могут происходить сбои. Рассмотрим, как они исключаются в предложенных нами законах (А), (1а), (1б).

1^ый случай - судно движется в области малых путевых углов, например, ПУ_зд=3° и ПУ=3°, пусть появляется внешнее возмущение, которое отклоняет судно в сторону нулевого путевого угла: ПУ-(ПУ_зд=3°)<0.

При 3°>ПУ>0 руль отклоняется в отрицательном направлении и противодействует отклонению судна от заданного путевого угла, но если внешнее возмущение сильнее стабилизирующего воздействия руля, то судно проходит ПУ=0° и входит в область «2π» значений ПУ. В этот момент закон (А) отключается, т.к. |(ПУ=360°)-(ПУ_зд=3°)|>π (не выполняется условие использования закона (А)).

При использовании закона управления (1) это привело бы к перекладке руля в положительном направлении, следовательно, к дальнейшему уходу судна от заданного значения путевого угла. Для исключения такого сбоя в системе управления необходимо перейти с закона управления (1) на закон управления (1а). Осуществляется это благодаря тому, что в момент перехода судна из нулевой области путевых углов в область 2π путевых углов на вход блока 8 с датчика 1 и задатчика 2 поступит суммарный сигнал, превышающий π, поэтому на выходе блока 8 вырабатывается положительное напряжение, которое проходит через первый диод 9 на обмотку управления первого электромагнитного реле 11, контактная группа которого замкнется, и уставка -U₁=-2π с первого блока уставки 13 поступит на пятый вход сумматора-усилителя 5, на выходе которого сформируется отрицательный сигнал, что вызовет отклонение руля в отрицательном направлении, а следовательно, произойдет поворот судна в положительном направлении. В момент времени, когда судно достигнет нулевого значения путевого угла, на выходе блока 8 сигнал ступенькой отключится. (Результирующий сигнал на входе блока 8 (ПУ-ПУ_зд)≪π - величины зоны нечувствительности на входе блока 8, т.к. на выходе датчика путевого угла 1 вместо сигнала ПУ из области 2π окажется сигнал из области, близкой к нулю). Это приведет к отключению первого электромагнитного реле 11 и переходу от закона управления (1а) к закону управления (А).

2^ой случай - пусть судно движется в той же области, близкой к нулевому путевому углу ПУ=ПУ_зд=3°, а судоводитель выполняет градусную поправку ПУ_зд=357°, т.е. переход судна на 6°. После введения нового значения ПУ_зд=357° на вход блока с зоной нечувствительности 8 поступит сигнал с датчика 1 ПУ=3° и задатчика 2 -ПУ_зд=-357°, т.к. суммарный сигнал |-354°|>π, то на выходе блока 8 появится отрицательное напряжение, которое через второй диод 10 поступит на вход управляющей обмотки второго реле 12, контактная группа которого замкнется и соединит выход второго блока уставки 14 U₁=+2π с шестым входом сумматора-усилителя. При этом вместо закона управления (1) в системе произойдет изменение на закон управления (1б). Судно начнет переходить с ПУ=3° к ПУ_зд=357° через нулевое значение ПУ. В момент перехода судна из области нулевых ПУ в область «2π» ПУ произойдет переход закона управления(1б) к виду (А). Зависимость (А) будет сохраняться до тех пор, пока значения ПУ и ПУ_зд будут одновременно находится либо в нулевой области ПУ, либо в области «2π» ПУ (когда выполняется условие |(ПУ-ПУ_зд)|<π).

Система автоматического управления движением судна, содержащая датчик и задатчик путевого угла, датчик угловой скорости и датчик угла перекладки руля, выходы которых подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам сумматора-усилителя, выход которого соединен со входом рулевого привода, отличающаяся тем, что дополнена блоком с зоной нечувствительности, первым и вторым диодами, первым и вторым электромагнитными реле, первым и вторым блоками уставок, выходы датчика путевого угла и задатчика путевого угла подключены соответственно к первому и второму входам блока с зоной нечувствительности, выход которого через первый диод соединен с обмоткой управления первого реле, нормально-разомкнутая контактная группа которого соединяет пятый вход сумматора-усилителя с выходом первого блока уставки, шестой вход сумматора-усилителя через нормально-разомкнутую контактную группу второго реле соединен с выходом второго блока уставки, а вход обмотки управления второго реле через второй диод соединен с выходом блока с зоной нечувствительности.