СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ ПО ЗАДАННОМУ МАРШРУТУ ПРИ МИНИМИЗАЦИИ РАСХОДУЕМОЙ МОЩНОСТИ

Предлагаемая полезная модель относится к области автоматизации процессов судовождения, например, для выполнения режимов маневрирования и управляемого движения судов на маршруте (по заданной траектории) в условиях воздействия на суда внешних возмущений морской среды - ветра, волнения и течений.
В специфических условиях плавания на внутренних водных путях и в море движение судов по заданному маршруту обеспечивается при создании судовыми комплексами технических средств движения (ТСД) - рулями с поворотной насадкой (РН), подруливающими устройствами (ПУ) и движительно-рулевыми колонками (ДРК) необходимых стабилизирующих сил, противодействующих внешним возмущениям.
Однако при интенсивных значениях возмущающих сил и ограниченной мощности судовой электростанции стабилизирующие силы и моменты по курсу, развиваемые ТСД по максимальным сигналам алгоритмической структуры системы автоматизированного управления курсом и скоростью хода, обеспечивают движение судна по желаемой траектории не во всех случаях. Это обусловливает необходимость в разработке новых подходов к построению и совершенствованию как алгоритмического обеспечения, так и в целом структурной оптимизации систем автоматизированного управления движением судов.
Известен «Способ управления судном без хода» (Авт св. СССР №766958, МПК В63Н 25/04, 1980), в котором управляющие воздействия на носовое и кормовое подруливающие устройства подают раздельно: на носовое - в течение времени снижения смещений и текущего курса судна до их допустимых значений, а на кормовое - в момент нахождения его упора в направлении диаметральной плоскости, после чего отклоняют кормовое средство от диаметральной плоскости судна на угол, равный разности между заданным углом курса и углом действия ветроволнового возмущения и, в целях минимизации расходуемой мощности в процессе динамического позиционирования судна в круге заданного радиуса относительно определенной точки дна, устанавливают значение его упора, равным амплитуде действующего возмущения. Недостатком способа является то, что значение времени ориентации судна по курсу и заданная последовательность реализации управляющих воздействий не являются эффективными для задач движения судна по заданному маршруту.
Известна «Система автоматической стабилизации судна без хода» (Авт. св. СССР №583032, 1977), в котором в целях уменьшения расходуемой мощности при действии ветроволновых возмущений система реализует в два этапа алгоритмы минимизации, причем на первом этапе функционирует алгоритм минимизации поперечного упора ТСД, обеспечивающий разворот судна по курсу в направление действия возмущений на угол, при котором суммарные стабилизирующие воздействия системы в боковой плоскости становятся близкими к нулевому значению, а на втором - алгоритм импульсного управления продольным упором ТСД. Недостатком системы является достаточно сложный алгоритм формирования сигналов коррекции, настройка которого зависит от условий эксплуатации и глубины дна в месте работ судна.
В качестве прототипа принята Система регулирования (Авт св. СССР №732824, МПК G05D, 1/00, 1978), содержащая блоки формирования управляющего сигнала, блок регулирующих органов, датчик регулируемого параметра, задатчик регулируемого параметра. В такой системе на период действия максимальных ветроволновых возмущений качество стабилизации заданного курса судна обеспечивается при оптимизации ресурсов управления (расходуемой мощности) за счет перестраиваемой структуры алгоритмов - закона управления составом и режимом работы судовых ДРК, развивающих стабилизирующие момент и силы одновременно по поддержанию заданного курса и созданию скорости хода судна.
В целом к недостаткам известных систем формирования управляющих воздействий для управления движением судна относится:
- необходимость выполнения продолжительных по времени алгоритмических процедур по введению в действие судовых ТСД, что ограничивает возможности и снижает эффективность управления для режимов движения судна на маршруте;
- отсутствие рационального использования судовых ТСД в задаче координированного управления при обеспечении заданных требований к движению судна при прохождении узкостей и фарватеров;
- необходимость корректировки используемых логических блоков алгоритмов при каждом рейсе судна данного типа и на судах других типов и проектов;
- отсутствие возможности одновременного управления судовым движительным комплексом в составе рулей (РН), подруливающих устройств (ПУ) и движительно-рулевых колонок (ДРК).
В предлагаемой полезной модели для повышения качества и эффективности управления процессами минимизации расходуемой мощности для задачи движения судна на маршруте (по заданной траектории) отмеченные выше недостатки устраняются на основе координированного управления упорами (стабилизирующими воздействиями) судовых ТСД и реализации в системе:
- взаимосвязанного управления комплексом судовых ТСД в виде РН, ПУ и ДРК одновременно в продольном и боковом (поперечном) направлении движения судна;
- введения в структуру системы автоматизированного управления дополнительных блоков, обеспечивающих взаимосвязанное формирование стабилизирующих воздействий РН, ПУ и ДРК:
- задания радиуса поворота судна по курсу;
- задания реперных точек траектории;
- контроля и ограничения мощности;
- вычисления текущей и желаемой скорости разворота судна по курсу;
- формирования текущего смещения судна от траектории и сигнала желаемого значения углов разворота ДРК, положения руля;
- вычисления и формирования управляющих сигналов;
- комплексирования в блоке ФПР интерфейсных информационных сигналов и формирования управляющих воздействий в обеспечение совместной работы приводов ДРК и РН с учетом стабилизирующей силы, развиваемой ПУ.
Заявляемая в качестве полезной модели система автоматизированного управления движением судна по заданному маршруту при минимизации расходуемой мощности, содержащая измеритель местоположения и курса судна ИМКС, задатчик скорости движения (ЗСД) судна на траектории, задатчик точек траектории (ЗТТ) движения, датчик текущей скорости (ДТС) движения, приводы упора комплекса движительно-рулевой колонки (ДРК) в составе привода угла разворота лопастей винтов регулируемого шага (ВРШ) и привода угла разворота каждой ДРК, приводы разворота лопастей ВРШ комплекса подруливающих устройств (ПУ), приводы комплекса руля направления (РН) в составе привода оборотов винтов поворотной насадки и привода угла поворота насадки каждого РН, а также задатчик радиуса поворота судна (ЗРПС) по курсу, вычислитель текущей и желаемой скорости разворота (ВСР) судна по курсу, формирователь текущего смещения судна от траектории и сигнала желаемого угла (ФПР) положения РН, первый вычислитель-формирователь управляющего сигнала (ВФУС-1) на приводы РН, блок контроля и ограничения мощности (БКОМ) расходуемой ДРК, РН и ПУ, второй вычислитель-формирователь управляющего сигнала (ВФУС-2) на приводы разворота лопастей ВРШ комплекса ПУ, третий вычислитель-формирователь управляющего сигнала (ВФУС-3) на приводы упора комплекса ДРК, при этом выход ИМКС подключен к первому входу блока ФПР, второй вход которого связан с выходом ЗСД, а третий вход - с выходом ЗТТ, а четвертый вход соединен с выходом датчика ДТС, при этом первый и второй входы-выходы ФПР по интерфейсным каналам подключены соответственно к первым и вторым входам-выходам., вычислителей ВФУС-1, ВФУС-2, ВФУС-3, третьи входы-выходы которых соединены по интерфейсным каналам с входом-выходом БКОМ, а первые входы - с выходом вычислителя ВСР, первый вход которого связан с выходом ЗСД, второй вход подключен к выходу ЗРПС, а третий вход соединен с блоком ДТС, при этом ВФУС-1 подключен к приводам РН, связанным посредством датчика оборотов винтов поворотной насадки каждого РН и датчика угла поворота насадки каждого РН со вторым входом ВФУС-1, вычислитель ВФУС-2 подключен к приводам разворота лопастей ВРШ каждого подруливающего устройства, связанного через датчики угла лопастей ВРШ ПУ со вторым входом ВФУС-2, вычислитель ВФУС-3 подключен к приводам каждой ДРК, связанной через датчик угла лопастей ВРШ ДРК и датчик угла разворота ДРК с вторым входом ВФУС-3, позволяет устранить указанные недостатки и решить задачу управления движением судов по заданному маршруту при минимизации расходуемой мощности.
У заявляемой полезной модели следующие общие признаки с прототипом: задатчик скорости движения (ЗСД) судна на траектории, задатчик точек траектории (ЗТТ) движения, задатчик радиуса поворота судна (ЗРПС), (задатчик регулируемого параметра в прототипе), датчик текущей скорости (ДТС) (датчик в прототипе), приводы упора комплекса движительно-рулевой колонки (ДРК), приводы комплекса руля направления (РН) (блок регулирующих органов в прототипе), первый, второй, третий вычислители-формирователи управляющего сигнала (блок формирования управляющего сигнала в прототипе). Остальные признаки заявляемой полезной модели являются отличительными.
На фигурах представлены:
Фиг.1. Управляющие воздействия ДРК, ПУ, РН;
Фиг.2. Блок-схема системы управления;
Фиг.3. Координированное совместное управление ДРК, РН, ПУ;
тек
жел
Фиг.4. Взаимосвязи блоков системы при формировании сигналов z, z;
Ес
жел
ДРКжел
Фиг.5. Взаимосвязи блоков системы при формировании сигналов Δ, µ, δ;
n
µ
Фиг.6. Взаимосвязи блоков системы при формировании сигналов σ, σ;
Фиг.7. Формирование сигналов привода 10 оборотов винтов РН;
Фиг.8. Формирование управляющего сигнала подруливающего устройства;
ПУ
ВРШПУ
Фиг.9. Взаимосвязи блоков системы при формировании сигналов R(t), α;
δ
αВРШДРК
Фиг.10. Взаимосвязи блоков системы при формировании сигналов σ, σ;
ВРШДРК
ДРК
Фиг.11. Взаимосвязи блоков системы при формировании сигналов α, , δ;
yΣДРК
Фиг.12. Вычислительная схема для составляющей R(t);
тек
жел
Фиг.13 Взаимосвязи блоков системы при формировании сигналов z, z;
Ес
жел
Фиг.14 Взаимосвязи блоков системы при формировании сигналов Δ, µ, ξ;
В предлагаемых технических решениях реализуются требования по обеспечению высокоточного управления по заданному курсу (траекторному углу) при маневрировании судна на траектории. Это, в свою очередь, обусловливает при работе ДРК, РН и ПУ (фиг.1) необходимость сохранения в течение времени t=T условий равновесия
когда для реализации уравнений (1) в системе автоматизированного управления движением судна по заданному маршруту (далее - система) создаются необходимые управляющие воздействия:
x
- R(t) - желаемая продольная сила для обеспечения заданной скорости хода судна;
y
- R(t) - желаемая поперечная (боковая) сила для минимизации смещений судна с траектории движения и обеспечения управления по курсу;
φ
- M - желаемый момент стабилизации курса;
x
y
- суммарное значение внешней возмущающей силы с составляющими F(t), F(t) - ветроволнового воздействия на судно, приведенными к осям судна.
x
y
В соответствии с фиг.1 управляющие воздействия R(t), R(t) по осям судна реализуются системой по уравнениям общего вида
где  - требуемое (желаемое) значение упора (тяги) ДРК с составляющими:
x1
y1
- R(t) - продольная сила в направлении траектории судна и R(t) - боковая сила, развиваемые колонками;
xPH
PHy
-  - желаемый упор, развиваемый поворотной насадкой комплекса РН, с составляющими: R(t) - продольная сила в направлении диаметральной плоскости судна и R(t) - боковая сила;
ПУ1
- R(t) - боковая сила, развиваемая комплексом подруливающих устройств;
ДРК
ПУ
ПУ
- l, l, l - соответственно плечи (отстояния) ДРК, ПУ и РН от центра тяжести (ЦТ) судна;
ДРК
- δ - угол горизонтального разворота ДРК от диаметральной плоскости судна.
0
П
Совокупность систем уравнений (1), (2) обеспечивает устойчивый режим управления движением судна по заданной траектории, когда поддерживается заданная скорость движения V(t) и траекторный угол (курс) φ, если суммарное значение внешней возмущающей силы F(t) не превосходит имеющихся ресурсов (мощности), требуемых для одновременного управления скоростью хода, курсом и минимизацией отклонений судна от заданной траектории движения.
Из фиг.1 также следует, что для сохранения требуемого приоритета управления по курсу и минимизации отклонений судна от траектории необходимо обеспечить равновесие взаимодействующих сил согласно системе уравнений.
С учетом комплекса уравнений (2) и (3) система обеспечивает контроль состояния и управление упорами (силами) движительно-рулевых колонок (ДРК), РН и подруливающих устройств (ПУ), определяемыми функциональными зависимостями:
ВРШДРК
ВРШПУ
РН
где α, α, n - соответственно углы разворота лопастей винтов регулируемого шага (ВРШ) ДРК, ВРШ ПУ и обороты винтов насадки РН.
x1
xPH
xmax
Вместе с тем, в практических условиях эксплуатации внешние воздействия морской среды могут превосходить имеющиеся текущие ресурсы управления, формируемые по схеме фиг.1 при совместном использовании комплексов ДРК, ПУ и РН, что приводит к срыву заданного режима движения судна. При этом характерно, что если согласно (3) продольная составляющая сил движительно-рулевых колонок R(t) и поворотной насадки R(t) РН в сумме меньше составляющей внешнего воздействия F(t), управление скоростью движения судна по траектории вообще не достигается, а судно только удерживается на линии заданной траектории (с попятным движением) и стабилизируется по курсу, что в целом не обеспечивает желаемого траекторного движения судна.
x1
y1
φ
В целях обеспечения в этих случаях требуемых (достижимых) характеристик траекторного движения судна в предлагаемой полезной модели, в отличие от традиционного подхода (2), (3), на период времени, когда интенсивность воздействия возмущений F(t) существенно возрастает, а расходуемая комплексами ДРК, РН и ПУ мощность стремится к максимальному значению, структура управления системы перестраивается с присвоением первого приоритета управлению для поддержания параметров курса и положения судна на заданной траектории. При этом система так перераспределяет желаемые управляющие воздействия R(t), R(t) по уравнениям (3) и по моменту M, например, в варианте судна с кормовыми ДРК, рулем направления с поворотной насадкой (ПН) и носовым подруливающим устройством (ПУ), чтобы одновременно обеспечивался приоритет управления по курсу, движение с траекторией скоростью V0 и минимум отклонений судна от траектории.
На фиг.2 (без потери общности, на примере судна, оборудованного комплексами ДРК, ПУ и РН) представлена блок-схема системы управления траекторным движением судна, реализующая расчетные соотношения (1)-(4) с использованием следующих аппаратно-программных блоков:
1 - измеритель местоположения и курса (ИМКС) при движении судна на траектории;
2 - задатчик скорости движения (ЗСД) судна по траектории;
3 - задатчик радиуса поворота судна (ЗРПС) по курсу при прохождении точки поворота на новую траекторию движения;
4 - задатчик реперных точек траектории (ЗТТ);
5 - датчик текущей скорости (ДТС) движения судна;
6 - вычислитель текущей и желаемой скорости разворота по курсу (ВСР) при движении судна на траектории;
ДРК
7 - формирователь (ФПР) текущего смещения судна от траектории, сигнала угла δ разворота судовой ДРК в горизонтальной плоскости судна и сигнала желаемого значения угла положения насадки РН судна при траекторном движении;
8 - блок контроля и ограничения (БКОМ) мощности комплексов движительно-рулевой колонки (ДРК), РН и подруливающих устройств (ПУ);
9 - первый вычислитель - формирователь управляющего сигнала (ВФУС-1) на приводы 10 оборотов винтов комплекса РН;
11 - второй вычислитель - формирователь ВФУС-2 управляющего сигнала на приводы 12 оборотов ВРШ комплекса ПУ;
13 - третий вычислитель - формирователь ВФУС-3 управляющего сигнала на приводы 14 упора комплекса ДРК.
зем
зем
На фиг.2 также обозначено: 15 - судно, 16 - текущее значение курса, 17 - текущее значение скорости хода, 18 - текущее местоположение судна (координаты в продольном - Х, в поперечном (боковом) движении - Y).
При этом выход ИМКС 1 подключен к первому входу блока ФПР 7, второй вход которого связан с выходом ЗСД 2, а третий вход - с выходом ЗТТ 4, а четвертый вход соединен с выходом датчика ДТС 5, при этом первый и второй входы-выходы ФПР 7 по интерфейсным каналам подключены соответственно к первым и вторым входам-выходам вычислителей 9, 11, 13 ВФУС-1, ВФУС-2, ВФУС-3, третьи входы-выходы которых соединены по интерфейсным каналам с входом-выходом БКОМ 8, а первые входы - с выходом вычислителя ВСР 6, первый вход которого связан с выходом ЗСД 2, второй вход подключен к выходу ЗРПС 3, а третий вход соединен с блоком ДТС 5, при этом ВФУС-1 9 подключен к приводам РН 10, связанным посредством датчика оборотов винтов поворотной насадки каждого РН и датчика угла поворота насадки каждого РН со вторым входом ВФУС-1 9, вычислитель 11 ВФУС-2 подключен к приводам разворота лопастей ВРШ каждого подруливающего устройства, связанного через датчики угла лопастей ВРШ ПУ со вторым входом ВФУС-2 11, вычислитель 13 ВФУС-3 подключен к приводам каждой ДРК, связанной через датчик угла лопастей ВРШ ДРК и датчик угла разворота ДРК с вторым входом ВФУС-3 13.
ДРК1
ПУ
PH
с
с
mp
0
c
П
Управления R, R, R рассматриваемой по фиг.2 системы, развиваемые в виде стабилизирующих сил, и суммарные возмущающие воздействия  показаны в координатных осях («СЕВЕР - 0 - ВОСТОК» и «x - 0 - y») на схемах фиг.3а, б, где также приведены основные параметры движения судна (R, V) на траектории (φ, φ), заданной отрезком ОА.
Система по фиг.2 характеризуется следующей последовательностью формирования управляющих сигналов на приведение в действие судовых ДРК, РН и ПУ.
П
Σ
0
с
- А. Траекторное движение судна (траекторный угол φ и отрезки прямых ОА, АВ) по фиг.3а представлено для случая, когда суммарное значение внешней возмущающей силы F(t) не превосходит имеющихся ресурсов (мощности) комплексов технических средств движения - ДРК, ПУ и РН, требуемых для одновременного управления скоростью хода V(t) курсом φ и минимизацией отклонений судна от заданной траектории движения O-А-В.
тр
0
П
с
ΣДРК
Σ
Σx
Σy
ПУ
с
с
xPH
yPH
На фиг.3а обозначено: R - стабилизирующая сила, требуемая для обеспечения движения судна со скоростью V по траектории ОА с траекторным углом φ=φ; R - стабилизирующая сила, развиваемая комплексом ДРК для компенсации суммарного возмущающего воздействия F(t) с составляющими по осям судна F(t) и F(t); R - стабилизирующая сила, развиваемая комплексом ПУ в боковом направлении оси 0у судовой системы координат x-0-ус; RPH - стабилизирующая сила, развиваемая поворотными насадками комплекса РН с составляющими по осям судна R(t) и R(t).
ПУ
РН
ΣДРК
Управления R, R, R формируются системой с использованием блоков по фиг.2 в следующей последовательности.
с
зем
зем
c
c
с
с
1. В блоке ИМКС 1 определяются значения курса φ и текущих координат судна x(1) и y(t) в неподвижной (земной) системе координат СЕВЕР - 0 - ВОСТОК и производится их пересчет в координаты x(t) и y(t) в судовой системе координат x-0-y по соотношениям
и обратно - по соотношениям
с
где φ - курс судна.
0
2. В блоке ЗСД 2 судоводителем задается значение желаемой V(t) скорости траекторного движения судна.
A
3. В блоке ЗРПС 3 устанавливается значение желаемого радиуса r поворота судна при прохождении реперной точки траектории А для обеспечения движения судна по дуге w на новую траекторию АВ.
4. В задатчике ЗТТ 4 в земной системе координат фиксируются координаты ХА, ХВ, YA, YB реперных точек 0, А, В желаемых траекторий движения судна, заданных в виде отрезков прямых ОА, АВ, каждый из которых определяется общим уравнением прямой на плоскости
тек
жел
5. В вычислителе ВСР 6 по схеме фиг.4 системой осуществляется формирование значений текущей z и желаемой z угловой скорости разворота по курсу при движении судна по дуге w с использованием выражений
Ec
ДРК
6. В формирователе ФПР 7 с использованием схемы по фиг.5 системой производится последовательное вычисление текущего отклонения Δ(t) судна от заданной траектории (здесь, например, по прямой ОА) и желаемого значения: угла µ положения поворотной насадки РН и угла δ разворота судовой ДРК в горизонтальной плоскости судна.
Ec
6.1. Вычисление текущего отклонения судна Δ(t) от заданной траектории движения (например, отрезок ОА, рис.3а) выполняется с использованием выражения
1
1
1
где A, B, C - коэффициенты общего уравнения прямой
при задании отрезка прямой ОА траектории на плоскости с реперными точками О и А;
зем
зем
x(t), y(t) - текущие координаты судна в земной (неподвижной) системе координат, когда
6.2. С учетом условий (1), (2) и для обеспечения управления по курсу определяется система уравнений
yPH
где R(t) - боковая сила, развиваемая поворотными насадками комплекса РН;
ПУ
- R(t) - боковая сила, развиваемая подруливающими устройствами комплекса ПУ;
ПУ
РН
- l, l - соответственно плечи (отстояния) ПУ и РН от ЦТ судна;
ужел
φжел
- R(t), M(t) -_ соответственно желаемые при управлении курсом боковая сила и момент по курсу.
yPH
ПУ
На основании уравнений (12) значения R(t), R(t) вычисляются из уравнений
xPH
тр
Создаваемая при отклонении поворотных насадок комплекса РН на угол µ продольная сила R(t)=R описывается как функция (фиг.3а)
0
от заданной траекторией скорости движения V.
PH
С учетом (14) и второго уравнения из (13) система определяет требуемое значение суммарной силы R(t) из уравнения
, где  после чего с использованием соотношений (14), (15) становится возможным вычислить желаемое значение угла \л положения поворотных насадок РН по выражению
ΣДРК
Σ
ДРК
6.3. Согласно фиг.3а упор R=-F, что позволяет системе рассчитать желаемое значение угла δ разворота судовой ДРК из соотношения
7. Одновременно с этим в блоке БКОМ 8 по интерфейсному каналу обмена контролируются значения расходуемой мощности комплексов руля направления  подруливающего устройства - и ДРК -.
n
µ
PHжел
0
8. Вычислитель ВФУС-1 9 по схеме фиг.6 содержит два субблока формирования управляющего сигнала: 21 - σ оборотов винтов насадки РН и 22 - сигнала σ разворота насадки РН. В субблоке 21 ВФУС-1 9 производится формирование управляющего сигнала n как функции от заданной траекторией скорости движения судна V
n
и задание алгоритма управления σ в виде
µ
В субблоке 22 ВФУС-1 9 производится формирование управляющего сигнала σ на разворот поворотной насадки РН на угол, рассчитанный в (16), в виде алгоритма
n
µ
xPH
тр
yPH
9. Выходные сигналы σ, σ вычислителя ВФУС-1 9 поступают на привод 10 оборотов винтов поворотной насадки РН, выполненный по схеме фиг.7, где для создания упора  с составляющими R(t)=R и R(t) реализуются в соответствующих приводах оборотов 23 и поворота 25 насадки РН зависимости
10. Система в вычислителе ВФУС-2 11 по схеме фиг.8, с использованием первого уравнения из (13)  и соотношения
ПУ
формирует управляющий сигнал σ
ПУ
ПУ
11. Выходной сигнал σ вычислителя ВФУС-2 11 по выражению (23) поступает на привод 12 угла α разворота лопастей винтов регулируемого шага (ВРШ) судового ПУ, выполненный по схеме фиг.9, где системой для создания текущего значения упора  реализуется алгоритм работы привода 12 ПУ согласно зависимости
δ
αВРШДРК
12. Вычислитель системы ВФУС-3 13 по схеме фиг.10 содержит два субблока: субблок 29 - формирования управляющего сигнала σ разворота судовой ДРК в горизонтальной плоскости судна и субблок 30 - формирования управляющего сигнала σ угла разворота лопастей ВРШ ДРК.
Σ
δ
12.1. В субблоке 29 вычислителя ВФУС-3 13 для создания направления действия упора , компенсирующего текущие значения возмущения F(t), производится формирование управляющего сигнала α по уравнению
где по сигналам блока ФПР 7 введено значение угла
c
П
12.2. В субблоке 30 вычислителя ВФУС-3 13, когда φ=φ (фиг.3а) и имеет место выражение (26), желаемое при движении судна значение упора комплекса ДРК  определяется системой в следующей последовательности.
yΣДРК
Σy
Ec
Δ
Есдон
1. Для вычисления составляющей R(t) компенсирующей (фиг.3а) силу внешнего возмущения F(t) вызывающую дрейфовые (боковые) смещения судна Δ(t), реализуется вычислительная схема по фиг.12 с использованием выражения (9), на которой обозначены: k - масштабный коэффициент; Δ - допустимое боковое смещение судна от траектории движения.
yΣДРК
2. По вычисленному в п.1 значению R(t) из решения уравнения
ΣДРК
ВРШДРК
определяется требуемое значение суммарного (развиваемого комплексом ДРК) упора R(t), создаваемого при развороте лопастей ВРШ каждой ДРК на угол α(t) и такого, что для фиг.2,
1ДРК
v-1ДРК
v
когда R(t)=R(t)…=R(t) и v=1, 2 - состав судовых ДРК.
ВРШДРК
3. Вычисление с учетом (28) желаемого значения α(t) угла разворота лопастей каждой ДРК осуществляется в субблоке 30 реализацией зависимости
ВРШДРК
что обеспечивает формирование управляющего сигнала α судовой ДРК по выражению
δ
ВРШДРК
ДРК
13. Выходные сигналы σ, σ вычислителя ВФУС-3 13 поступают на привод 14 каждой ДРК, выполненный по схеме фиг.11, где для создания величины и направления упора R(t) судовой ДРК в соответствующих приводах разворота 31 лопастей ВРШ и разворота 33 в горизонтальной плоскости судна ДРК системой для обеспечения уравнений (25), (29) реализуются зависимости
П
Σ
0
с
Б. Траекторное движение судна (траекторный угол φ и отрезки прямых ОА, АВ), когда суммарное значение внешней возмущающей силы F(t) достигает имеющихся ресурсов (мощности) комплекса технических средств движения - ДРК, ПУ и РН, требуемых для одновременного управления скоростью хода V(t), курсом φ и минимизацией отклонений судна от заданной траектории движения, представлено на фиг.3б.
На фиг.3б обозначено:
тр
0
П
- R - стабилизирующая сила, требуемая для обеспечения движения судна со скоростью V по траектории ОА с траекторным углом φ;
1ΣДРК
с
П
- R - стабилизирующая сила, развиваемая комплексом ДРК для обеспечения стабилизации судна на новом значении курса φ≠φ;
хΣДРК
Σ
- R - суммарная продольная составляющая силы ДРК для компенсации продольной составляющей суммарного возмущающего воздействия F(t);
- ξ - желаемое значение угла изменения курса судна в задаче минимизации расходуемой мощности;
1ДРК
- δ - желаемое значение угла разворота каждой ДРК в горизонтальной плоскости судна;
1ПУ
с
с
- R - стабилизирующая сила, развиваемая комплексом ПУ в направлении оси 0ус судовой системы координат x-0-y;
Σy
Σ
- F - нескомпенсированная при отработке системой угла ξ изменения курса часть боковой силы суммарного возмущения F(t), используемая в предлагаемой полезной модели для решения задачи минимизации расходуемой мощности;
1PH
xтр
- R - стабилизирующая сила, развиваемая при угле µ=0 поворотных насадок комплекса РН для обеспечения составляющей траекторией силы R.
1ПУ
1РН
1ΣДРК
1ДРК
В рассматриваемом по фиг.3б случае траекторного движения судна управления R, R, R, δ формируются системой в следующей последовательности.
зем
зем
c
c
с
с
с
1. В блоке ИМКС 1, как и ранее, определяются текущие координаты судна x(t) и y(t) в неподвижной (земной) системе координат СЕВЕР - 0 - ВОСТОК с необходимым их пересчетом согласно (5), (6) в координаты x(t) и y(t) в судовой системе координат x-0-y и обратно. Также здесь контролируется изменение курса φ при маневрировании судна.
0
2. В блоке ЗСД 2 фиксируется значение желаемой скорости V(t) движения судна.
A
3. В блоке ЗРПС 3, как и ранее, устанавливается значение желаемого радиуса r поворота судна при прохождении реперных точек траектории.
A
B
A
B
4. В задатчике ЗТТ 4, как и ранее, фиксируются в земной системе координат координаты Х, Х, Y, Y реперных точек 0, А, В желаемых траекторий движения судна, заданных в виде отрезков прямых ОА, АВ, каждый из которых определяется общим уравнением прямой на плоскости
тек
жел
5. В вычислителе ВСР 6 по схеме фиг.13 системой осуществляется вычисление, как и ранее, значений текущей z и желаемой z угловой скорости разворота по курсу при движении судна по дуге w с использованием, как и ранее, выражений (8).
6. В формирователе ФПР 7 системой, с использованием схемы по фиг.13, производится:
Ec
6.1. Вычисление, как и ранее в (9), текущего отклонения судна Δ(t) от заданной траектории движения (например, отрезок ОА, рис.3б).
6.2. Формирование по условию
c
П
где 0.8≤λ≤1 - коэффициент «экономичности» мощности комплекса РН, обеспечивающего по окончании разворота судна по курсу на угол φ=φ-ξ необходимое траекторное (фиг.3б) движение судна, значение угла разворота поворотной насадки РН
с
для обеспечения в направлении оси судна Ох суммарной продольной силы
6.3. Формирование желаемого угла ξ при реализации вычислений:
жел
6.3.1. Система с учетом данных задатчика ЗТТ 4 о параметрах траектории ОА вычисляет желаемое значение угла ξ(t) по выражениям
где ρ=(0.3÷0.6) - коэффициент «динамичности» разворота по курсу судов рассматриваемого класса;
-  - рассогласование сил в процессе разворота судна по курсу;
R
жел
- Δ - минимальное значение управляющей траекторией силы, развиваемой поворотной насадкой РН при угле разворота µ=0;
1PH
Σ
- Тр+1 - апериодическое звено с постоянной времени Т≥(30÷50) сек для фильтрации высокочастотных составляющих изменения траекторией силы R(t) в процессе действия возмущений F(t).
7. В блоке БКОМ 8, как и ранее, по интерфейсному каналу обмена данными формируются сигналы ограничения мощности и контролируются значения развиваемой максимальной мощности комплексами руля направления -, подруливающего устройства - и движительно-рулевой колонки -.
8. Система, с использованием как и ранее вычислителя ВФУС-1 9 по фиг.6, реализует зависимость
nPHжел
РНжел
µ
жел
с последующим формированием субблоком 21 управляющего сигнала σ желаемых оборотов n винтов поворотной насадки РН и субблоком 22 управляющего сигнала σ на отработку значения угла µ=0.
1PH
1Σy
9. По результатам расчета значений угла ξ (36) и силы R (37), развиваемой поворотными насадками комплекса РН, система в режиме нескомпенсированного возмущающего воздействия F на судно обеспечивает его заданное траекторное движение в боковой плоскости движения и по курсу только при использовании комплексов ДРК и ПУ. При этом в формирователе ФПР 7 системой формируется условное равенство составляющих сил в боковой плоскости движения судна в виде выражения
1Σx
на основании которого становится возможным определить в формирователе ФПР 7 значение продольной составляющей возмущения F по уравнению
с
F
где β=φ-(γ-π) - угол MON треугольника MNO.
Σ
Таким образом, управляющие воздействия системы в случае возрастания суммарных внешних возмущений F до максимально допустимых значений вырабатываются с использованием, как и ранее, вычислителей ВФУС-1 9, ВФУС-2 11, ВФУС-3 13 соответственно по структурным схемам фиг.6 и 7, 8 и 9, 10 и 11. При этом поворотная насадка комплекса РН создает стабилизирующую силу, ориентированную только в направление продольной оси судна, а комплексы ДРК и ПУ - стабилизирующие силы в боковом движении судна и по курсу.
В целом предложенная организация управления комплексом судовых технических средств движения (РН, ПУ, ДРК) в рассматриваемых, без потери общности, вариантах решает задачу минимизации расходуемой мощности управляемого движения судна по заданному маршруту.
Система автоматизированного управления движением судна по заданному маршруту при минимизации расходуемой мощности в соответствии с блок-схемой по фиг.2 (далее - система) работает в обеспечение вариантов фиг.3 следующим образом.
Обеспечение режима движения судна по фиг.3а.
зем
зем
0
Ec
С измерителя ИМКС 1 текущие значения координат местоположения судна в продольном - Х и в поперечном (боковом) движении - Y и курса поступают на первый вход формирователя ФПР 7, на второй вход которого для выработки упора поворотной насадки комплекса РН поступают от задатчика ЗСД 2 сигналы заданной скорости движения V, на третий вход - от задатчика ЗТТ 4 параметры точек заданной траектории движения судна для формирования сигнала отклонения Δ(t), а на четвертый вход блока ФПР 7 поступает сигнал текущего значения скорости Vx(t) от датчика ДТС 5. Одновременно с этим соответственно на первый, второй и третий входы блока ВСР 6 передаются сигналы с блоков ЗСД 2, ЗРПС 3 и ДТС 5.
жел
тек
В блоке ВСР 6 по сигналам взаимосвязанных по схеме фиг.4 блоков ЗСД 2, ЗРПС 3 и ДТС 5 вычисляются по уравнениям (8) значения желаемой z(t) и текущей z(t) угловой скорости изменения курса при движении судна по траектории ОА-АВ и прохождении точки поворота А, используемые в дальнейшем при формировании управляющих сигналов в вычислительных блоках системы.
Ec
жел
ДРКжел
xPH
yPH
ПУ
В блоке ФПР 7 с учетом сигналов измерителя ИМКС 1, преобразованных по соотношениям (5), (6) и в соответствии с сигналами интерфейсных каналов обмена данными взаимосвязанных по схеме фиг.5 блоков ИМКС 1, ЗСД 2, ЗТТ 4 и ДТС 5 формируются значения параметров регулирования: Δ(t) - по соотношению (9), µ - по соотношению (16) и δ - по соотношению (17), используемые в дальнейшем для обеспечения условий равновесия (1) движения судна в горизонтальной плоскости и по курсу. При этом для реализации расчетных значений составляющих R(t), R(t) продольной стабилизирующей силы и упора R(t) по уравнениям (12)-(14) в блоке ФПР 7 инициирована структура уравнений для формирования желаемых управляющих воздействий в виде соотношений от регулируемых параметров движения судна
V2
V1
где , k≅(20÷30)k - коэффициенты регулирования в продольной плоскости движения;
y
Vy
φ
z
Δ
- k, k, k, k, k -_ соответственно коэффициенты регулирования в боковой плоскости движения судна и по курсу;
Eсдон
0x
- Δ, ΔV - соответственно допустимые значения смещения судна от траектории и отклонения траекторией скорости движения судна от заданной;
П
- φ - заданное судоводителем в блоке ЗТТ 4 значение траекторного (путевого) угла.
Ec
жел
жел
Выработанные в блоке ФПР 7 параметры регулирования Δ(t), µ поступают согласно фиг.6 по интерфейсному каналу связи соответственно на первый и второй входы-выходы блока ВФУС-1 9, на третий вход-выход которого из блока БКОМ 8 вводится сигнал  как мера максимального упора насадки РН, а на четвертый вход - сигнал z, выработанный в блоке 6 ВСР по уравнениям (8).
n
µ
PH
xPH
тр
yPH
Сигналы блока ВФУС-1 9 σ по уравнению (19) и σ по уравнению (20) передаются на привод 10 насадки РН (фиг.7), где реализуются зависимости (21) для создания (фиг.3а) упора R(t) по уравнению (15) с составляющими R(t)=R по уравнению (14) и R(t) по уравнению (13) в обеспечение движения судна 17 по траектории ОА-АВ.
PH
PH
PH
Отработанные приводом 10 значения оборотов n(t) винтов насадки РН с датчика 24 по интерфейсному каналу связи поступают на второй вход блока ВФУС-1 9 для реализации зависимости (20) и значения угла µ(t) с датчика 26 параллельно на этот же вход для реализации зависимости (19) и формирования значения упора R(t) по функции
PH
обратной зависимости по выражению (18). Значение упора R(t) поступает с вычислителя ВФУС-1 9 по интерфейсному каналу связи в блок БКОМ 8 для контроля установленного в виде неравенства
условия сохранения режима траекторного движения судна.
φжел
Ec
ПУжел
жел
Одновременно с этим также, в обеспечение желаемого по третьему уравнению из соотношений (40) управления по курсу M(t) выработанный в блоке ФПР 7 сигнал Δ(t) передается на первый вход вычислителя ВФУС-2 11, на второй вход-выход которого в соответствии с фиг.8 поступает сигнал R(t), на третий вход-выход из блока БКОМ 8 вводится сигнал  как заданная мера ограничения максимального упора, создаваемого при работе ПУ, а на первый вход - сигнал z(t) вычисленный в блоке ВСР 6 по второму уравнению соотношения (8).
ПУ
ПУ
ВРШПУ
ПУ
Выходной сигнал σ блока ВФУС-2 11, вычисленный по уравнению (23), передается на привод 12 подруливающего устройства ПУ (фиг.9) для создания (фиг.3а) желаемого значения упора R(t) по первому уравнению (13) путем реализации приводом зависимости (24). Значение отработанного приводом 12 угла α с датчика 28 поступает на второй вход блока ВФУС-2 11 для формирования текущего значения упора R(t) по обратной выражению (22) зависимости
ПУ
Выработанное по функциональной зависимости (43) значение упора R(t) поступает с вычислителя ВФУС-2 11 по интерфейсному каналу связи в блок БКОМ 8 для контроля установленного в системе неравенства
как одного из необходимых условий минимизации расходуемой мощности при сохранении рассматриваемого режима траекторного движения судна.
Соблюдение в процессе работы системы условий (42), (44) обеспечивается, если одновременно с вышеописанной работой вычислителей ВФУС-1 9 и ВФУС-2 11 происходит параллельное функционирование вычислителя ВФУС-3 13 в целях реализации соотношения
Σ
Σx
y
по уравнению (28). Развиваемые в этом случае одновременно упоры комплекса ДРК обеспечивают требуемую компенсацию (фиг.3а) суммарного возмущения F(t) с составляющими F(t) в продольной и FΣ(t) в боковой плоскости судна.
жел
Ec
жел
При этом на первый вход-выход вычислителя ВФУС-3 13 по фиг.10, когда системой обеспечиваются условия (42), (44), из формирователя ФПР 7 по интерфейсному каналу связи поступает сформированное по соотношению (17) значение δ(t) на второй его вход - сигнал Δ(t) на третий вход - сигнал  из блока БКОМ 8 как заданная мера ограничения максимального упора, создаваемого правой ДРК, а на четвертый вход - сигнал z(t) с блока ВСР 6.
αВРШДРК
δ
ДРК
ΣДРК
Выходные сигналы блока ВФУС-3 13 σ, σ, сформированные по уравнениям (25), (30), поступают на привод 14 правой ДРК (фиг.11), где реализуются зависимости (31) для разворота правой ДРК на угол δ(t) и создания упора каждой ДРК  согласно уравнению (28) как части упора (фиг.3а) R(t), рассчитанного по уравнению (27).
ВРШДРК
ДРК
ΣДРк
Отработанные приводом 14 значения угла α(t) разворота лопастей ВРШ судовой ДРК с датчика 32 по интерфейсному каналу связи поступают соответственно на второй вход блока ВФУС-3 13 для реализации зависимости (30) и значения угла δ(t) с датчика 34 параллельно на тот же вход для реализации зависимости (25) и формирования значения упора R(t) по обратной выражению (29) зависимости
ДРК
Значение (46) упора R(t) каждой ДРК поступает с вычислителя ВФУС-3 13 по интерфейсному каналу связи в блок БКОМ 8 для контроля неравенства
как необходимого условия минимизации расходуемой мощности при сохранении рассматриваемого режима траекторного движения судна 15.
В целом система, в режимах движения судна по фиг.3а, осуществляет одновременное управление функционированием комплекса судовых технических средств движения (ТСД) в составе рулей РН с поворотной насадкой, подруливающих устройств ПУ и движительно-рулевых колонок ДРК. В обеспечение желаемых режимов движения судна по заданному маршруту РН, ПУ и ДРК, управляемые системой, создают стабилизирующие силы для противодействия суммарным значениям сил ветра, волнения и течения как внешним возмущениям морской среды.
При этом система контролирует выполнение условий (42), (44) для комплекса «РН+ПУ» и (47) для комплекса ДРК, координируя их работу, при которой комплекс «РН+ПУ» обеспечивает только необходимое траекторное движение судна, а комплекс ДРК - компенсирует воздействия внешних сил, что в совокупности их функций приводит к снижению расходуемой мощности.
Обеспечение режима движения судна по фиг.3б.
Системой в блоке БКОМ 8 при движении судна по желаемому маршруту непрерывно производится контроль выполнения условий (42), (44) и (47) по обеспечению заданного режима работы технических средств движения - РН, ПУ и ДРК.
Σ
Как только контролируемое условие (47) нарушается вследствие нарастания суммарного значения внешней возмущающей силы F(t), вызывающей соответствующее увеличение требуемых значений расходуемой мощности (ресурсов) ДРК, ПУ и РН, система следующим образом изменяет последовательность и выполняет коррекцию формирования управляющих воздействий.
1. В блоке ВФУС-3 13 реализуется неравенство
где вычисляемое по уравнению (27) значение желаемой суммарной силы ДРК сравнивается с сигналом  блока БКОМ 8, при нарушении которого вырабатывается сигнал коррекции
2. Сигнал Δχ по интерфейсному каналу обмена поступает с вычислителя ВФУС-3 13 в блок БКОМ 8 для формирования условия
жел
3. Сигнал (50) блока БКОМ 8 по интерфейсному каналу связи поступает на третий вход-выход вычислителя ВФУС-1 9. По сигналу (50) вычисленный в блоке ВФУС-1 9 по выражению (16) и принятый от блока ФПР 7 в соответствии с фиг.6 сигнал угла µ поворотной насадки РН обнуляется,
а значению силы по уравнению (15) устанавливается ограничение в виде соотношения
с
П
1PH
где 0.8≤λ≤1 - коэффициент «экономичности» мощности РН, обеспечивающей необходимое траекторное движение (фиг.3б) при развороте судна по курсу на угол φ=φ-ξ. При этом по условию (51) стабилизирующая сила R(t) управляет только продольным движением судна.
5. В блоке БКОМ 8 по интерфейсному каналу обмена данными с вычислителями ВФУС-1 9, ВФУС-2 11, ВФУС-3 13 формируются, как и ранее, сигналы ограничения мощности и контролируются значения развиваемой максимальной мощности руля направления - подруливающего устройства - и движительно-рулевой колонки -.
жел
6. Вычислитель ВФУС-1 9 по фиг.6 на основании уравнений (51), (52) обнуляет полученный от блока ВСР 6 сигнал z и с учетом зависимости
nРНжел
µ
РН
жел
формирует, аналогично выражениям (19), (20), в субблоке 21 управляющий сигнал σ и в субблоке 22 - управляющий сигнал σ для отработки их приводом 10 по фиг.7 оборотов n винтов поворотной насадки РН и угла µ=0.
1Σy
7. Система в режиме нескомпенсированного по значению (38) возмущающего воздействия F управляет движением судна в боковой плоскости и по курсу только при использовании ДРК и ПУ, обеспечивая формирование воздействий по выражениям (37), (39). При этом формирование управляющих воздействий на приведение в действие ДРК и ПУ выполняется по результатам расчета (53) значений угла ξ следующим образом.
7.1. В формирователе ФПР 7 формируются новые уравнения вида
1yДРК
где R(t) - суммарная боковая сила, развиваемая левой и правой ДРК;
1ПУ
- R(t) - боковая сила, развиваемая подруливающим устройством ПУ;
ПУ
ДРК
- l, l - соответственно плечи (отстояния) ПУ и ДРК от ЦТ судна;
ужел
φжел
- R(t), М(t) - соответственно желаемые значения боковой силы и момента по курсу.
1yДРК
1ПУ
7.2. В уравнениях (54) значения желаемых сил R(t), R(t) вычисляются по соотношениям
1Σx
7.3. С учетом соотношения (39) желаемое значение продольной составляющей компенсирующей силы, которую необходимо развить при работе ДРК для противодействия возмущающей силе F, определяется из соотношения
что, с использованием второго уравнения из (55), определяет значения:
и
- требуемого угла разворота ДРК из соотношения
1ПУ
8. Сигнал R(t), вычисленный по первому уравнению из (55), передается из блока ФПР 7 на первый вход-выход вычислителя ВФУС-2 11 по фиг.8, на основании которого формируется аналогично выражению (23) управляющий сигнал вида
ПУ
который передается на отработку приводом 12 угла α разворота лопастей винтов регулируемого шага (ВРШ) ПУ, выполненный по схеме фиг.9, где системой для создания текущего значения упора  реализуется алгоритм работы привода 12 ПУ
1ДРК
9. Сигнал δ(t) вычисленный по уравнению (58), передается из блока ФПР 7 на вход-выход вычислителя ВФУС-3 13 по фиг.10 и поступает в субблок 29, где аналогично (25) формируется управляющий сигнал
ΣДРК
При этом сигнал R(t) по уравнению (57) используется в субблоке 30 вычислителя ВФУС-3 13 для формирования по аналогичным зависимостям (28) и (29) управляющего сигнала
δ
αВРШДРК
1ДРК
желВРШДРК
Сигналы σ и σ передаются на отработку приводом 14 по схеме фиг.11 соответственно угла δ(t) разворота ДРК и угла α разворота лопастей винтов регулируемого шага (ВРШ) ДРК для создания текущего значения упора  при реализации приводом 14 зависимостей
Σ
Таким образом, управляющие воздействия системы в случае возрастания суммарных внешних возмущений F до максимально допустимых значений вырабатываются с использованием, как и ранее, вычислителей ВФУС-1 9, ВФУС-2 11, ВФУС-3 13 соответственно по структурным схемам фиг.6 и 7, 8 и 9, 10 и 11. При этом поворотная насадка РН создает стабилизирующую силу, ориентированную только в направление продольной оси судна, а ДРК и ПУ - стабилизирующие силы в боковом движении судна и по курсу.
П
с
0
Σ
в
в
теч
В целом предложенная система управления техническими средствами движения (РН, ПУ, ДРК) в рассматриваемых, без потери общности, вариантах решает задачу минимизации расходуемой мощности управляемого движения судна по заданному маршруту в условиях воздействия на судно переменных по φ=φ=146° величине и направлению суммарных возмущений. Так например, по результатам анализа процессов движения судна по маршруту с заданной скоростью V в условиях действия суммарного возмущения F как совокупности ветра со скоростью V=17.5 м/с и углом ветра γ=90°, течения V=0.5 м/с и углом течения γтеч=90° развиваемые РН, ПУ и ДРК значения желаемых стабилизирующих сил и моментов составили в вариантах движения по фиг.3:
хжел
ужел
φжел
- фиг.3а - R(t)=68.45 т; R(t)=47.8 т; M(t)=6.82 тм;
хжел
φжел
- фиг.3б, когда угол разворота судна по курсу в направление действия возмущения равен ξ=9.2°, R(t)=69.61 т; Rужел(t)=4.19 т; М(t)=8.15 тм.
Общее время наблюдения процессов управления, в частности, для движения судна по траектории ОА в целях оценки изменения параметров движения судна, принималось равным значению t=2000c. Мерой целевой функции расхода мощности (РМ) при этом введена квадратичная форма в виде суммы  условных единиц мощности (у.е.м.).
Полученные данные оценки процессов управления представлены в табл.1.
Таблица 1.
Координаты движения судна при t=2000 с
V<sub>в</sub>=17.5 м/с, γ<sub>в</sub>=900; t=2000с; V<sub>теч</sub>=0.5 м/с, γ<sub>теч</sub>=900
φ<sub>П</sub>=φ<sub>с</sub>, рис.3а
φП-φс=ξ рис.3б
Х<sub>с</sub>, м
- 605.4
-601.5
Y<sub>c</sub>, м
452.2
457.4
ΣPM<sup>2</sup>, у.е.м.
6975.5
4857.8
Результаты табл.1 показывают, что местоположение судна в земной системе координат в момент времени t=2000с характеризуется для вариантов фиг.3 точками, координаты которых в «северном» (Хс) и в «восточном» (Yc) направлении движения различаются единицами метра. Это подтверждает эквивалентность процессов управления при работе системы в соответствии с предложенными аппаратно-алгоритмическими решениями.
Вместе с тем из табл.1 также следует, что при реализации управления в варианте разворота судна по курсу на угол ξ=9.2° в направление действия суммарного возмущения достигается  приблизительно в  раза сокращение условных единиц расходуемой РН, ПУ и ДРК мощности в сравнении с текущим управлением.