Система автоматического управления движением судна по направлению и скорости - RU171461U1

Чертежи

Описание

Система управления движением судна относится к области судостроения-автоматическому управлению движением судна по двум каналам - заданному направлению - генеральному курсу - и заданной скорости хода как при спокойном море, так и при развитом морском волнении.

В существующих системах автоматического управления движением судна (САУД) обычно применяют «ПД» (пропорционально-дифференциальный) закон управления движением судна, что приводит при появлении внешних возмущающих моментов - М_возм, воздействующих на судно (это морское волнение, ветровые нагрузки, …), к весьма отрицательным явлениям.

Сейчас начали появляться САУД, в которых «ПД» закон управления движением дополняется сигналом оценки внешнего возмущающего момента - М_возм:

где

δ - угол перекладки руля,

ПУ, ПУ_зд - текущий и заданный путевые углы,

ω - угловая скорость судна,

к_il=К1, К2, К3 - коэффициенты регулирования,

М_возм - оценка внешнего возмущающего момента воздействующего на судно.

Именно к этой группе систем относится предлагаемая комплексная двух канальная САУД судна.

Известна полезная модель «Система автоматического управления движением судна по заданной траектории» (RU №151140 U1, 20.03.2015). Автоматическое управление движением судна базируется на использовании информации от приемника спутниковой навигационной системы (текущего путевого угла ПУ или угла курса ϕ), датчика угловой скорости ω, задатчика путевого угла ПУ_зд (или заданного угла курса ϕ_зд), датчика руля δ и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна и угла перекладки руля, формируется «ПД» закон управления рулевым приводом судна по заданному направлению ПУ_зд.

Недостатком этой системы является одноканальность управления - только по направлению движения, а также отсутствие в законе управления сигнала внешних возмущений. Известна также полезная модель - система автоматического управления движением судна с оценкой внешнего возмущения (принятая в качестве прототипа - RU №157389 U1, 27.11.2015). Система-прототип содержит информацию от приемника спутниковой навигационной системы (текущего путевого угла ПУ или угла курса ϕ), датчика угловой скорости ω, задатчика путевого угла ПУ_зд (или заданного угла курса ϕ_зд), датчика руля δ и сумматор, в котором по сигналам: текущего путевого угла и заданного путевого угла, угловой скорости судна и угла перекладки руля формируется «ПД» закон управления рулевым приводом судна, дополненный сигналом оценки внешнего возмущения М_возм.

Недостатком этой системы является:

- неудачная реализация сигнала оценки внешних возмущений,

- отсутствие канала управления по скорости хода судна.

Рассматриваемая система по патенту RU 157389 использует «ПД» закон управления движением судна, дополненный сигналом оценки внешнего возмущающего момента на судно от морского волнения и ветра, близка к предложенной авторами полезной модели (по каналу управления движением судном по заданному направлению).

Используемый в патенте RU 157389 конструктивно-технологический метод формирования сигнала внешнего возмущения не позволяет получить сигнал оценки возмущения близкий к реально протекающему процессу, при наличии внешних возмущений.

Техническим результатом, предлагаемой двухканальной системы управления движением судна по курсу и скорости является использование высокоэффективной оценки внешнего возмущения в обоих каналах управления.

Технический результат достигается благодаря разработке и введению в закон управления (в обоих каналах управления) высококачественных сигналов оценки внешних возмущений.

Технический результат достигается тем, что система управления движением судна по направлению и скорости состоит из двух независимых каналов канал управления движением судна, по заданному направлению содержит задатчик 1 путевого угла ПУ_зд, датчик 2 путевого угла ПУ, датчик3 руля δ, сумматор 4, датчик 5 угловой скорости ω и рулевой привод 6 δ, к входу которого подключен выход сумматора 4 с сигналами: ПУ_зд ПУ, δ, ω, на выходе сумматора 4 при этом формируется типовой «ПД» закон управления движением судна (1а) по заданному направлению - путевому углу ПУ=ПУ_зд:

где ПУ, ПУ_зд - текущий и заданный путевой угол,

ω - угловая скорость судна,

δ - угол перекладки руля,

Кi=1, 2, 3, - коэффициенты регулирования,

d/dt δ - скорость перекладки руля;

канал управления скоростью движением судна содержит привод 15 оборотов гребного вала N_гр.вал, регулятор 16 скорости хода, датчик 18 оборотов гребного вала М_гр.вал, задатчик 20 скорости хода V_зд, датчик 21 скорости хода V и блок 19 разности скоростей (V-V_зд), выход которого поступает на вход регулятора 16 скорости хода, на вход которого также подключены датчики сигналов:

N_гр.вал - обороты гребного вала с датчика 18 оборотов гребного вала,

(V-У_зд) - с блока 19 разности скоростей, на вход которого вводится

также сигнал V_зд с задатчика 20 скорости хода V,

V - скорость хода с датчика 21 скорости хода V, V – также вводится на вход блока 19 разности скоростей,

выход регулятора 16 скорости хода подключен к входу привода 15 оборотов гребного вала, формируя при этом типовой закон управления скоростью движения судна (2а),

где V - текущая скорость хода судна, с выхода блока 19 разности скоростей,

N_{гр. вала} - обороты гребного вала судна с выхода датчика 18 оборотов гребного вала,

К₁, К₂ - коэффициенты регулирования,

ƒ - функция,

Дополнительно система содержит блок 17 памяти разности скоростей, блок 22 модуля разности скоростей, блок 23 логики, блок 24 интегрирования, выход блока 17 памяти разности скоростей циклически подключается к входу регулятора 16 скорости хода, а вход блока 17 памяти разности скоростей через блок 24 интегрирования подключается к выходу блока 19 разности скоростей, также циклически выход блока 19 разности подключается через блок 22 модуля разности скоростей к блоку 23 логики, в котором формируются циклические команды:

1) при формировании блоком 23 логики неравенства (5б) в блоке 24 интегрирования формируют сигнал оценки внешнего возмущения в течение интервала времени Δt_сглаж в соответствие с зависимостью (3), через интервал времени Δt_сглаж сигнал оценки внешнего возмущения с выхода блока 24 интегрирования подключается через блок 17 памяти разности скоростей к входу регулятора 16 скорости хода,

2) при формировании в блоке 23 логики неравенства (5а)

включается таймер 11, который через интервал времени Т_цикла=Δt_сглаж+Δt_управл подключает выход блока 19 разности через блок 22 модуля разности скоростей к блоку 23 логики, в котором формируется одно из двух неравенств (5а) или (5б).

На чертеже схематически представлена система управления движением судна по направлению и скорости.

1) Канал заданного направления САУД включает: задатчик 1 путевого угла ПУ_зд, датчик 2 путевого угла ПУ, датчик 3 руля δ, сумматор 4, датчик 5 угловой скорости ω и рулевой привод 6, к входу которого подключены сигналы с соответствующих измерителей сигналов: ПУ, ПУ_зд, δ, ω. В сумматоре 4 при этом формируется «ПД» закон управления движением судна (1а), используемый в большинстве существующих САУД для автоматического управления движением судна по заданному направлению (по генеральному курсу, путевому углу ПУ):

где ПУ, ПУ_{зд -} текущий и заданный путевой угол,

ω - угловая скорость судна,

δ - угол перекладки руля,

Кi=1, 2, 3 - коэффициенты регулирования,

d/dt δ - скорость перекладки руля.

В канал управления дополнительно вводят блоки для циклического (во времени в процессе движения судна) формирования сигнала оценки внешнего возмущения м_возм и дополнения им типового (широко распространенного) закона управления (1а):

- блок модуля разности -

- блок 9 сравнения,

- блок 10 памяти,

- таймер 11,

- блок 12 оценки внешнего возмущающего момента м_возм,

- блок 13 допустимой величины внешнего возмущения М_допуст.

Использование дополнительных блоков позволило сформировать закон управления движением судна (1), в котором циклически во времени корректируется внешнее возмущение в процессе выполнения рейса судна (подробности см. ниже в разделе Особенности функционирования САУД по направлению и скорости хода).

2) Канал заданной скорости САУД включает: привод 15 оборотов гребного вала N_гр.вал, регулятор 16 скорости хода, датчик 18 оборотов гребного вала N_гр.вал, блок 19 разности скоростей (V-V_зд), задатчик 20 скорости хода V_зд и датчик 21 скорости хода V. К входу регулятора 16 скорости хода подключены сигналы:

N_гр.вал - обороты гребного вала, с датчика 18 оборотов гребного вала N_гр.вал,

(V-V_зд) - разность скоростей с блока 19 разности скоростей (на вход блока 19 вводится сигнал V_зд с задатчика 20 скорости хода V_зд),

V - скорость хода с датчика 21 скорости хода V (сигнал V также вводится на вход блока 19 разности скоростей).

Выход регулятора 16 скорости хода подключен к входу привода 15 оборотов гребного вала, что позволяет сформировать типовой закон управления скоростью движения судна (2):

где V - текущая скорость хода судна,

V_зд - заданная скорость хода судна,

N_{гр.вала} - обороты гребного вала судна,

К₁, К₂ - коэффициенты регулирования,

ƒ - функция.

Для формирования сигнала оценки внешнего возмущения (которым в рассматриваемой полезной модели дополнен канал скорости) в САУД введены:

- блок 17 памяти разности скоростей,

- блок 22 модуля разности скоростей,

- блок 23 логики,

- блок 24 интегрирования.

Выход блока 17 памяти разности скоростей подключен к входу регулятора 16 скорости хода, вход блока 17 памяти разности скоростей через блок 24 интегрирования подключается к выходу блока 19 разности скоростей; циклически выход блока 19 разности скоростей (V-V_зд) подключается через блок 22 модуля разности скоростей к блоку 23 логики для формирования сигнала оценки внешнего возмущения ΔV_зд. Подключение сигнала ΔV_зд с выхода блока 17 памяти разности скоростей к входу регулятора 16 скорости хода формирует на выходе блока 16 закон точного управления движением судна с заданной скоростью V=V_зд (при наличии внешних возмущений (2а)):

где V - текущая скорость хода судна,

V_{зд -} заданная скорость хода судна,

N_{гр.вала} - обороты гребного вала судна,

К₁, К₂ - коэффициенты регулирования,

ƒ - функция,

ΔV_зд - оценка внешнего возмущения (коррекция заданной скорости хода судна).

Оценка внешнего возмущения ΔV_зд формируется в блоке 24 интегрирования с использованием сигнала разности скоростей из блока 19, выход блока 19 разности скоростей связан через блок 24 интегрирования с входом блока 17 памяти разности скоростей, где запоминается сигнал ΔV_зд сглаженной оценки внешнего возмущения на интервале времени Δt_сглаж:

где ΔV_зд - коррекция заданной скорости хода судна,

Δt_сглаж - время осреднения внешнего возмущения на отрезке времени плавания Δt_сглаж.

Δt_сглажi - интервал времени осреднения внешнего возмущения (корректировки скорости ΔV_зд).

Циклическое подключение к входу регулятора 16 скорости хода сигнала К₁ ΔV_зд, позволило на выходе регулятора 16 скорости хода сформировать закон (2а) и обеспечить более точное управление движением судна с заданной скоростью V=V_зд даже при наличии сильного внешнего возмущения, воздействующего на судно в канале управления скоростью движением.

Особенности функционирования САУД по направлению и скорости хода

Судоводитель устанавливает заданные параметры:

- V_зд - заданную скорость движения судна V_зд (задатчиком 20 скорости хода V_зд),

- ПУ_зд - заданный путевой угол (задатчиком 1 путевого угла ПУ_зд),

- М_допуст - допустимый внешний возмущающий момент М_допуст 13

Оба канала САУД при этом должны обеспечивать движение судна со скоростью, равной заданной V_зд, и в направлении ПУ_зд.

1) Пусть в момент времени T_n начинается очередной Т_цикл цикл формирования и подключения блока 12 оценки внешнего возмущающего момента - М_возм к входу сумматора 4 в канале управления движением по заданному направлению, сигнал разности (ПУ-ПУ_зд) с выхода блока 7 разности через блок 8 модуля разности вводится на вход блока 9 сравнения, на второй вход которого введен сигнал допустимой величины внешнего возмущения М_допуст с блока 13, в блоке 9 сравнения при этом формируется условие (4а) или (4б):

Если удовлетворяется условие (4б), в блоке 9 сравнения вырабатывается команда на включение таймера 11, который выдаст команду на подключение сигналов разности (ПУ-ПУ_зд) из блока 7 разности в блок 12 оценки внешнего возмущающего момента М_возм для формирования усредненного значения оценки внешнего возмущающего момента за будущий интервал времени Δt_сглаж. На вход блока 10 памяти спустя интервал времени Δt_сглаж (в момент текущего времени: t₁=Т_n+Δt_сглаж) таймер 11 подключит сигнал с выхода блока 10 к входу сумматора 4 (с момента текущего времени: t₁ в САУД начнет осуществляться управление движением судна в соответствие с зависимостью (1), (до конца времени одного цикла Т_цикл=Δt_сглаж+Δt_управл).

В момент времени t₂=Т_цикл.п=Δt_сглаж+Δt_управл начинается следующий цикл формирования и подключения оценки - М_возм сигнал (ПУ-ПУ_зд), с выхода блока 7 разности поступает через блок 8 модуля разности на вход блока 9 сравнения (на второй вход которого подключен блок 13 с сигналом допустимого внешнего возмущающего момента M_допус). В блоке 9 сравнения формируется условие (4а) или (4б):

Если удовлетворяется условие (4а), в блоке 9 сравнения вырабатывается команда на включение таймера 11, который через интервал времени Т_цикла в момент текущего времени: t>t₂+T_цикл. подключит сигнал (ПУ-ПУ_зд) с выхода блока 7 разности через блок 8 модуля на вход блока 9 сравнения, на второй вход блока 9 сравнения подключен сигнал с блока 13 допустимого внешнего возмущающего момента М_допус. В блоке 9 сравнения при этом вновь формируется условие (4а), или (4б).

Если удовлетворяется условие (4а),_.. в блоке 9 сравнения вырабатывается команда на включение таймера 11. Таймер 11 через интервал времени Δt=Т_цикла подключит сигнал (ПУ-ПУ_зд) с выхода блока 7 разности через блок 8 модуля на вход 9 блока сравнения, на второй вход блока 9 сравнения 9 подключен сигнал с блока 13 допустимого внешнего возмущающего момента М_допус._. В блоке сравнения 9 при этом формируется условие (4а) или (4б).

Если удовлетворяется условие (4б), в блоке сравнения 9 вырабатывается команда на включение таймера 11, который выдаст команду на подключение сигналов разности (ПУ-ПУ_зд) из блока 7 разности в блок 12 оценки внешнего возмущающего момента М_возм для формирования нового усредненного значения оценки внешнего возмущающего момента за интервал времени Δt_сглаж, спустя интервал времени Δt_сглаж таймер 11 подключит сигнал с выхода блока 12 к блоку 10 памяти 10 и далее к входу сумматора 4. Через интервал времени Δt_управл (т.е. в момент времени окончания Т_цикла) таймер 11 подключит сигнал (ПУ-ПУ_зд) с выхода блока 7 разности через блок 8 модуля на вход блока 9 сравнения, на второй вход блока 9 сравнения подключен сигнал из блока 13 допустимого внешнего возмущающего момента М_допус В блоке 9 сравнения при этом формируется условие (4а) или (4б).

Таким образом, циклически через каждый интервал времени Т_цикла формируется одно из двух условий:

- при удовлетворении условия (4а) сигнал - М_возм из блока 10 неизменным продолжает поступать на вход сумматора 4 весь следующий интервал времени Т_цикла, по окончании которого вновь формируется одно из двух условий (4а) или (4б),

- при удовлетворении условия (4б) сигнал М_возм блок 10 отключается от сумматора 4, таймер 11 подключает блок 12 к выходу блока 7 разности (ПУ-ПУ_зд) на интервал времени Δt_сглаж. По окончании интервала времени Δt_сглаж сигнал - М_возм поступает в блок 10, а с выхода блока 10 поступает на вход сумматора 4. Затем через следующий интервал времени Δt_управл вновь формируется одно из двух условий (4а) или (4б).

2) Пусть в момент времени t₀ началась перестройка оценки внешнего возмущения в канале скорости хода судна, (перестройки происходят автономно в процессе непрерывного функционирования системы управления движением судна по направлению и скорости хода судна).

В нормальных условиях эксплуатации с датчика 21 скорости хода V и задатчика 20 скорости V_зд в блоке 19 разности скоростей формируется разность скоростей (V-V_зд), которая из блока 19 разности вводится в блок 23 логики через блок 22 модуля разности скоростей. В блоке 23 логики формируется неравенство (5а) или (5б):

или

Если в момент времени t₀ сформируется неравенство (5б) то таймер 11 подключит выход блока 19 разности скоростей к входу блока 24 интегрирования через интервал времени Δt_сглаж таймер 11 подключит усредненный сигнал разности скоростей (V-V_зд) в интервале времени Δt_сглаж, с выхода блока 24 интегрирования в блок 17 памяти разности скоростей (через блок 17 памяти разности скоростей сигнал оценки внешнего возмущения поступает на вход регулятора 16 привода гребного вала, при этом на выходе регулятора 16 привода гребного вала сформируется закон управления (2а)). Затем таймер 11 в момент времени t₁=t₀+(Т_цикла=Δt_сглаж+Δt_управл) подключит выход блока 19 разности скоростей через блок 22 модуля разности скоростей к блоку 23 логики, где сформируется вновь неравенство (5а) или (5б).

Если в момент времени t_о удовлетворяется неравенство (5а), то таймер 11 через интервал времени одного цикла Т_цикла в момент времени t₂=t₁+Т_цикла подключит вход блока 24 интегрирования к выходу блока 19 разности скоростей. Спустя интервал времени Δt_сглаж таймер 11 в момент времени t₃=t₂+Δt_сглаж выходной сигнал оценки внешнего возмущения с блока 17 памяти разности скоростей подключится к выходу блока 24 интегрирования, сигнал с выхода блока 17 памяти разности скоростей поступает на вход регулятора 16 скорости хода и формирует закон управления скоростью хода с корректированной оценкой внешних возмущений (2а). Через интервал времени +Δt_управл, т.е. в момент времени t₄=t₂+Δt_сглаж+N_управл, формируется в блоке 16 логики одно из неравенств (5а) или (5б). Если в момент времени t₄ в блоке 23 логики сформируется неравенство (5а), то включается таймер 11, который спустя интервал времени - Т_цикла, т.е. в момент времени t₅=t₄+Т_цикла, формирует в блоке 16 логики одно из неравенств (5а) или (5б).

Циклы коррекции с интервалом времени T_i повторяются до прихода в порт.

Реферат

Система управления движением судна относится к области судостроения - автоматическому управлению движением судна по двум каналам - заданному направлению - генеральному курсу - и заданной скорости хода как при спокойном море, так и при развитом морском волнении. Техническим результатом предлагаемой двухканальной системы управления движением судна по курсу и скорости является использование высокоэффективной оценки внешнего возмущения в обоих каналах управления. Технический результат достигается благодаря разработке и введению в закон управления (в обоих каналах управления) высококачественных сигналов оценки внешних возмущений. Система управления движением судна по направлению и скорости, использующая оценки внешних возмущений, позволяет снизить загрузку рулевого привода при сильном морском волнении с одновременным повышением точности стабилизации судна как по заданному направлению, так и скорости хода. Вводя оценку внешних возмущений в регулятор, удается компенсировать воздействие внешних возмущений. Оценка внешних возмущений сглаживается в течение интервала времени Δtи запоминается в блоке памяти на интервал времени Δt. Через интервал времени цикла Т=Δt+Δtначинается следующий цикл: корректировки оценки внешнего возмущения в интервале времени - Δtи управления движением судна - Δt

Формула