СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТНЫМ СУДНОМ

Предлагаемая полезная модель относится к судостроению, в частности, к системам автоматического управления движением скоростных судов с динамическими принципами поддержания, например, к системам управления движением судов на подводных крыльях, воздушной подушке или с воздушной каверной.
Известна система автоматического управления судном на подводных крыльях, содержащая один центральный вычислитель, связанный через первую группу переключающих элементов с группой автономных вычислителей, воздействующих на группу исполнительных приводов рулевых поверхностей судна по числу автономных вычислителей через вторую группу переключающих элементов. Информация о состоянии и параметрах движения судна снимается с соответствующих датчиков, общих для всех вычислителей системы [см. патент РФ №2081780 от 11.05.94 "Система автоматического управления судном на подводных крыльях". Авторы С.В.Петров, С.П.Баньковский, О.И.Сидоренко и др.]
В известной системе центральный вычислитель и автономные вычислители подстраховывают друг друга при отказах.
Однако известная система обладает тем недостатком, что в случае отказа какого либо датчика система перестает выполнять часть своих функций по управлению движением судна.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенной полезной модели является система автоматического управления скоростным судном, содержащая пульт индикации и управления, связанный с двумя группами вычислителей, подключенных к датчикам состояния и положения судна и управляющих двумя группами соответственно носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна. Из пары дублирующих друг друга вычислителей одной группы каждый вычислитель подключен, по меньшей мере, к одному из вычислителей аналогичной пары другой группы и к соответствующей группе из двух дублирующих друг друга датчиков с образованием самостоятельного канала управления приводами всех рулевых поверхностей судна [см. патент РФ №2085430 от 08.08.1995 "Система автоматического управления скоростным судном". Авторы Баньковский С.П., Капитонов В.М., Петров С.В., Сидоренко О.И.].
В известной системе парируется отказ одного любого вычислителя и любого датчика судна.
Известная система обладает недостаточной отказоустойчивостью, поскольку при наличии в системе четырех дублирующих друг друга вычислителей она сохраняет работоспособность не при любых двух одновременно отказавших вычислителях, а только если один из них принадлежит к носовой группе, а другой - к кормовой. Кроме того, недостатком известной системы является то, что в случае отказа любого датчика система переходит на одноканальное управление исполнительными приводами, обеспечивающее безопасность плавания, но обладающее ухудшенными динамическими характеристиками.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача повышения отказоустойчивости и живучести системы и обеспечения парирования отказов любых двух вычислителей и одного датчика системы без ухудшения динамических характеристик процесса управления.
Поставленная задача решается тем, что предложена система автоматического управления скоростным судном, содержащая пульт индикации и управления, две дублирующих друг друга группы датчиков состояния и положения судна и две пары дублирующих друг друга вычислителей, управляющих группами носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна.
Новым в предложенной системе является то, что каждый из дублирующих друг друга вычислителей, датчиков состояния и положения судна и двухканальных исполнительных приводов, а также пульт индикации и управления подключены к двум дублирующим друг друга каналам обмена с обеспечением связей типа "каждый с каждым" через две образованные сетевые структуры связи.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в повышении отказоустойчивости и живучести системы за счет парирования отказов любых двух вычислителей и одного датчика с сохранением всех режимов работы и параметров системы управления.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленной системы.
Заявленная система (фиг.) содержит вычислители 1, разбитые на две группы дублирующих друг друга вычислителей: группу 2 и группу 5 управления двухканальными исполнительными приводами 3 кормовой группы 4 и носовой группы 6 рулевых поверхностей судна.
Имеющиеся в системе датчики 7 состояния и положения судна объединены в две дублирующие друг друга группы 8 и 9 и служат для определения, например, положения штурвала управления судном, углового положения судна и параметров его движения (курса, угловых скоростей, перегрузок и т.д.).
Каждый из вычислителей 1 групп 2 и 5, датчиков 7 групп 8 и 9, исполнительных приводов 3 групп 4 и 6, а также пульт индикации и управления 10
подключены к двум каналам обмена 11 и 12, в качестве которых могут служить стандартные каналы связи типа RS-485, Манчестер-2 или CAN со скоростью передачи данных до 1 Мбит/с.
Система работает следующим образом.
Режим управления движением судна задается под контролем человека с пульта индикации и управления 10 соответствующей командой, содержащей заданные значения параметров управления, одновременно всем вычислителям 1 групп 2 и 5 по каналам связи 11 и 12. В свою очередь, вычислитель 1 посылает в пульт индикации и управления 10 по этим же каналам связи информацию о параметрах движения судна, положении рулевых поверхностей и состоянии системы управления, при этом каждый из вычислителей 1 групп 2 и 5 по информации с датчиков 7 системы формирует законы управления для всех двухканальных исполнительных приводов 3 как кормовой 4, так и носовой 6 групп рулевых поверхностей судна. По сетевым каналам связи 11 и 12 результаты расчетов заданного положения управляющих поверхностей судна от каждого из вычислителей 1 передаются в соответствующие исполнительные приводы 3 и сравниваются между собой контроллерами исполнительных приводов 3 (на фиг. контроллеры не показаны), например, по мажоритарному принципу. Указанное сравнение может производиться или аппаратурно известными средствами, или на программном уровне.
При отсутствии отказов (неисправностей), а также при отказе любого одного или двух вычислителей 1 управление приводами 3 кормовой группы 4 и носовой группы 6 рулевых поверхностей судна ведется по двухканальной схеме через оба входа каждого привода 3 без ухудшения динамических характеристик процесса управления, при этом сложение управляющих воздействий обоих каналов управления происходит непосредственно на обмотках управления рулевых агрегатов, являющихся составной частью общеизвестных двухканальных приводов 3 (на фиг. рулевые агрегаты не показаны). Контроллеры исполнительных приводов 3 осуществляют сравнение результатов
расчетов вычислителей 1 между собой и при длительном их несовпадении делается вывод об отказе (неисправности) соответствующих вычислителей 1 и информация с них перестает использоваться для управления приводами 3 с выдачей соответствующей информации о состоянии системы на пульт 10 индикации и управления. Указанная длительность несовпадения расчетов задается для каждого конкретного судна в зависимости от его динамических характеристик.
При отказе любого одного датчика 7 из группы 8 или 9 датчиков состояния и положения судна, обнаруженного вычислителями 1 по результатам сравнения информации с одинаковых датчиков 7 между собой и с пересчитанной информацией с датчиков 7 другой физической природы, вычислители 1 перестают использовать информацию с отказавшего датчика 7 при расчетах законов управления приводами 3, продолжая использовать ее с аналогичного не забракованного датчика 7 дублирующей группы с выдачей соответствующей информации о состоянии системы на пульт 10 индикации и управления.
При этом управление всеми приводами 3 судна продолжает вестись по двухканальной схеме во всех предусмотренных системой режимах без ухудшения динамических характеристик процесса управления. И только при отказе одного из каналов связи 11 или 12 или при одновременном отказе двух. дублирующих друг друга датчиков 7 в одном из каналов или при отказе контроллера канала в исполнительных приводах 3 система переходит на одноканальное управление приводами 3 с выдачей соответствующей информации о состоянии системы на пульт 10 индикации и управления.
По сравнению с известными системами управления, содержащими такое же количество дублирующих друг друга блоков с радиальными линиями связи между ними, предложенная система с сетевой структурой дополнительно к изложенным выше обладает следующими преимуществами: унификацией линий связи и обеспечивающего связь программного обеспечения; сокращением массы, объема и общей длины проводов, улучшением расширяемости
системы, понимаемой как возможность добавления и даже изменения функций системы в процессе ее эксплуатации, модернизациях и ремонтах, и, наконец, отсутствием жесткой привязанности конкретных модулей системы к блокам, что облегчает расположение датчиков в наиболее подходящих местах судна и позволяет не привязывать вычислители к приводам, как это имеет место в прототипе. Реализуемая в полезной модели универсальность подключения к каналу связи, обеспечиваемая сетевой структурой системы, достигается за счет усложнения интерфейсного оборудования датчиков, вычислителей, исполнительных приводов и пульта управления системы. Однако в настоящее время этот недостаток успешно преодолевается тем, что указанные средства интегрированы в современные микроконтроллеры, а надежность функционирования самих каналов связи обеспечивается гальванической развязкой всех абонентов от сети и высокой степенью интеграции применяемой элементной базы.
Таким образом, суть реализованного в полезной модели технического решения заключается в использовании вместо радиальных линий связи между различными блоками системы управления двух дублирующих друг друга сетевых каналов связи, к каждому из которых подключены все блоки системы. При этом реализуется возможность парирования отказов двух вычислителей и одного любого датчика системы с сохранением всех режимов работы и параметров системы управления, что немаловажно для обеспечения безопасности плавания быстроходных судов.