СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ

Полезная модель относится к области судовождения, а именно: к автоматическому управлению движением судна по заданной траектории (заданному маршруту).
Известны системы автоматического управления движением судна по траектории, в которых используется пропорционально-дифференциальный («ПД») закон управления продольным движением судна по путевому, а не по курсовому углу (см. книгу Г.Э. Острецова и Л.М. Клячко «Методы автоматизации управления движением корабля», М.: Физматлит, 2009, стр. 58-62, 91-93).
Недостатком известных систем является недостаточная точность управления при воздействии на судно внешних возмущений (ветра, течения).
Известна также система автоматического управления движением судна по заданному маршруту, основанная на использовании путевого угла, получаемого от приемника спутниковой навигационной системы, и которая по совокупности сходных существенных признаков является наиболее близкой к предложенной полезной модели (см. патент РФ на изобретение №2292289, опубл. 27.01.2007 г.). Указанная система содержит рулевой привод, механически связанный с рулем судна и датчиком угла перекладки руля, датчик угловой скорости, навигационный датчик и задатчик путевого угла и сумматор, на выходе которого формируется «ПД» закон управления рулевым приводом судна вида:
,
где δ - угол перекладки руля;
зд.
ПУ, ПУ - путевой угол и заданный путевой угол;
ω - угловая скорость судна;
1
2
3
K K, K - коэффициенты регулирования.
Сигнал вида (1) вводится с выхода сумматора на вход рулевого привода, механически связанного с рулем судна и с датчиком угла перекладки руля, подключенным к первому входу сумматора, на второй вход которого подается сигнал угловой скорости судна с датчика угловой скорости, третий вход сумматора подключен к задатчику путевого угла, а на четвертый вход сумматора заводится сигнал текущего путевого угла с навигационного датчика. Это обеспечивает автоматическое управление движением судна по заданному путевому углу в соответствии с заданной траекторией движения, вводимой в задатчик путевого угла, например, с электронной картографической навигационно-информационной системы (ЭКНИС), при отсутствии внешних возмущений.
Однако использование известной системы не позволяет обеспечить требуемую точность управления движением по заданной траектории при наличии внешних возмущений, так как при этом появляется угол дрейфа судна, а, следовательно, уход с заданной траектории движения и потеря крейсерской скорости хода судна.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача повышения точности движения судна по заданной траектории при наличии внешних возмущений как по силе, так и по моменту.
Поставленная задача решается тем, что предложена система управления движением судна по заданной траектории, содержащая рулевой привод, датчик угла перекладки руля, датчик угловой скорости, датчик и задатчик навигационных параметров и сумматор, выход которого подключен к рулевому приводу, механически связанному с рулем судна и с датчиком угла перекладки руля, подключенным к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с датчиком угловой скорости судна, третий вход сумматора подключен к первому выходу задатчика навигационных параметров, а четвертый вход сумматора соединен с первым выходом датчика навигационных параметров.
Новым в предложенной системе является то, что система содержит вычислитель и блок четырех квадрантов, подключенный к первому выходу датчика навигационных параметров и к первому входу вычислителя, второй вход которого соединен со вторым выходом датчика навигационных параметров с входом задатчика навигационных параметров, второй выход которого соединен с третьим входом вычислителя, четвертый вход которого подключен к выходу блока четырех квадрантов, а выход вычислителя соединен с пятым входом сумматора.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в формировании точного управления движением судна по заданному путевому углу в условиях внешних возмущений, минимизации бокового отклонения судна от заданной траектории движения и повышении безопасности проводки судна в узкостях.
На чертеже представлена схема заявленной системы (фиг. 1). Заявленная система управления движением судна по заданной траектории содержит рулевой привод 1, датчик угла перекладки руля 2, датчик угловой скорости 3, датчик навигационных параметров 4, задатчик навигационных параметров 5, сумматор 6, вычислитель 7 и блок четырех квадрантов 8. Выход сумматора 6 подключен к рулевому приводу 1, механически связанному с рулем судна 9 и датчиком угла перекладки руля 2 по линиям механической связи 10. Датчик угла перекладки руля 2 подключен к первому входу сумматора 6, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости судна 3. Третий вход сумматора 6 подключен к первому выходу задатчика навигационных параметров 5, а четвертый вход сумматора 6 соединен с первым выходом датчика навигационных параметров 4. Блок четырех квадрантов 8 подключен к первому выходу датчика навигационных параметров 4 и к первому входу вычислителя 7, второй вход которого соединен со вторым выходом датчика навигационных параметров 4 и с входом задатчика навигационных параметров 5, второй выход которого соединен с третьим входом вычислителя 7. Четвертый вход вычислителя 7 подключен к выходу блока четырех квадрантов 8, а выход вычислителя 7 соединен с пятым входом сумматора 6. Реализация предлагаемой системы может быть осуществлена с использованием цифровой вычислительной техники или с использованием микросхем типа 140УД6, 140УД8 (сумматор 6, задатчик 5). Датчик угловой скорости 3 - типовой датчик угловой скорости ДУС-5, с чувствительностью не ниже 0,05 гр/с. Блок четырех квадрантов 8 и вычислитель 7 - микроконтроллеры. Датчик навигационных параметров 4 - приемник спутниковой навигационной системы, рулевой привод 1 - штатная судовая система.
Заявленная система работает следующим образом. На вход сумматора 6 поступают сигналы:
- угловой скорости судна ω с выхода датчика угловой скорости 3;
- угла перекладки руля δ с выхода датчика угла перекладки руля 2;
- текущего путевого угла ПУ с выхода датчика навигационных параметров 4;
зд.
- заданного путевого угла ПУ с выхода задатчика навигационных параметров 5;
зд.
- коррекции заданного путевого угла ΔПУ с выхода вычислителя 7.
На выходе сумматора 6 формируется заданное значение угловой скорости перекладки руля dδ/dt.
ЗД
Руль судна 9 автоматически перекладывается и обеспечивает удержание судна на заданной траектории движения с путевым углом ПУ, равным заданному путевому углу ПУ, в соответствии с зависимостью:
,
где δ - угол перекладки руля;
зд.
ПУ, ПУ - путевой угол и заданный путевой угол;
зд.
ΔПУ - коррекция заданного путевого угла в течение интервала времени τ<Δt;
ω - угловая скорость судна;
1
2
3
4
K, K, K, K - коэффициенты регулирования.
зд.
зд.
Движение судна по заданной траектории осуществляется практически с нулевым углом дрейфа даже при наличии внешних боковых возмущений. Это достигается благодаря использованию сигнала корректировки заданного путевого угла ΔПУ в законе управления (2). Сигнал ΔПУ вырабатывается в вычислителе 7 и вводится на вход сумматора 6.
зд.
Если с выхода блока четырех квадратов 8 на вход вычислителя 7 поступает сигнал - команда о нахождении вектора путевого угла в первом или третьем квадрантах (первый квадрант - 45°=+45°, второй 45°-135°, третий 135°-225° и четвертый 225°-315°), то в вычислителе 7 формируется сигнал коррекции заданного путевого угла ΔПУ вида:
,
где γ - текущая долгота судна из датчика навигационных параметров 4;
зд.
зд.
γ - текущая заданная долгота точки линии траектории движения судна, широта которой ψ=ψ;
ψ - текущая широта судна из датчика навигационных параметров 4;
ПУ - текущий путевой угол из датчика навигационных параметров 4.
Если с выхода блока четырех квадрантов 8 на вход вычислителя 7 поступает команда о нахождении вектора путевого угла во втором или четвертом квадрантах, то в вычислителе 7 формируется коррекция заданного путевого угла вида:
.
зд.
i
зд.i
i
зд.
0
0τ
0
зд.1
2
1
зд.2
Таким образом, при нахождении вектора путевого угла в первом или третьем квадранте ΔПУ формируется по текущим γ и заданным γ долготам точки линии траектории при широте судна ψ в соответствии с зависимостью (3), а при нахождении вектора ПУ во втором и четвертом квадрантах используются текущие широты и зависимость (4). Сигнал коррекции заданного путевого угла ΔПУ с выхода вычислителя 7 подключается к соответствующему входу сумматора 6 в момент времени t и отключается в момент времени t=t+τ, где τ<Δt. Через интервал Δt формируется сигнал ΔПУ и подключается к сумматору на интервал времени τ. В момент времени t=t+Δt вновь формируют сигнал ΔПУ и т.д.
1
0
зд.2
2
2
1
На интервале времени Δt=(t-t) обеспечивается управление движением судна, близкое к астатическому, что весьма существенно при наличии внешних возмущений. Далее после корректировки величина ΔПУ в момент времени t подключается к сумматору 6 и на интервале времени Δt=(t-t) вновь обеспечивается управление движением судна, близкое к астатическому.
зд.
Величина сигнала коррекции заданного путевого угла ΔПУопределяется величиной бокового сноса судна относительно заданной траектории движения, которая в координатах широты ψ и долготы γ может быть введена в задатчик навигационных параметров 5, например с системы ЭКНИС.
Моделирование рассмотренной выше системы автоматического управления движением судна по заданной траектории практически с нулевым углом дрейфа и нулевым боковым сносом подтвердило его работоспособность, а следовательно, и высокую эффективность использования предложенной системы для задач управления движением судна по заданной траектории.