СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ
METHOD OF CONTROL OVER SHIP MOTION IN PRESET PATH

Изобретение относится к управлению движением судна при следовании по заданной траектории и касается автоматического управления рулем или другим рулевым средством управления, которым оборудовано судно.
Известен способ управления движущимся объектом, например судном (Пат. РФ №22663606, опубл. 10.11.2005), по величине поперечных смещений двух точек, разнесенных по длине судна в его диаметральной плоскости (ДП) и называемых условно носовой (точка А на фиг.1-4) и кормовой (точка В на фиг.1-4).
Расстояние между точками А и В выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением судна по заданной траектории.
Координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), в связи с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.
A
B
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные смещения точки А (d) и точки В (d) от заданной траектории. Причем поперечное смещение каждой точки от заданной траектории считается положительным, если она смещается вправо, и отрицательным, если она смещается влево (фиг.1-4).
Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля судна, по закону:
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>k</mi><mi>A</mi></msub><mo>×</mo><msub><mi>d</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mi>B</mi></msub><msub><mi>d</mi><mi>B</mi></msub><mtext>                                                     (1)</mtext></mrow>
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>k</mi><mi>A</mi></msub><mo>×</mo><msub><mi>d</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mi>B</mi></msub><msub><mi>d</mi><mi>B</mi></msub><mtext>                                                     (1)</mtext></mrow>
A
B
A
B
где k, k - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной траектории. Это положительные величины, причем d больше k. Угол α перекладки руля считается положительным при его перемещении в сторону правого борта.
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
На фиг.1-4 изображены основные варианты возможных отклонений судна 1 от заданной траектории 2 и управление в каждом из них (угол α перекладки руля 3). Например, на фиг.1, 2 ДП 4 судна 1 пересекает заданную траекторию 2 под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки А (d) и точки В (d), причем d больше 0, d меньше 0 (фиг.1) и d меньше 0, d больше 0 (фиг.2). В первом случае (фиг.1.) согласно закону (1) угол α отклонения руля будет иметь отрицательное значение, т.е. руль будет переложен на левый борт и судно начнет поворот влево, что приведет к уменьшению d и d и в конечном итоге к выходу судна на заданную траекторию; во втором случае (фиг.2) согласно закону (1) угол α отклонения руля будет иметь положительное значение, т.е. руль будет переложен на правый борт и судно начнет поворот вправо, что приведет к уменьшению d, d и к выходу судна на заданную траекторию.
A
B
A
B
A
B
A
B
На фиг.3, 4 ДП 4 судна 1 не пересекает заданную траекторию 2, а поперечные смещения точек А, В имеют одинаковые знаки, положительные (фиг.3) и отрицательные (фиг.4). Знак и соответствующее направление угла α перекладки руля зависят от соотношения значений коэффициентов k и k (k больше k, если знаки поперечных смещений точек А и В одинаковы, фиг.3, 4; k и k будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек А и В противоположны, фиг.1, 2). Соотношение значений коэффициентов k, k может выбираться из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления движения судна от заданного будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение определяется выражением:
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>B</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>A</mi></msub><mo>×</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>l</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>l</mi><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mtext>                                                            (2)</mtext></mrow>
где l - расстояние между точками А и В.
Однако предложенный закон управления рулевым устройством (1) не учитывает инерционных особенностей как рулевого устройства, так и самого объекта управления судна. Поэтому его применение не позволит качественно управлять судном, а в ряде случаев может привести к потере его управляемости из-за неконтролируемого изменения отклонений точек А и В от заданной траектории.
Цель изобретения - повышение точности удержания судна на заданной траектории и улучшение качества управления, в частности, исключение вероятности потери управляемости.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mi>r</mi></msub></mrow>
Для достижения поставленной цели предлагается способ, основанный на законе управления, который определяет скорость
перекладки руля
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>k</mi><mi>A</mi></msub><mo>×</mo><msub><mi>d</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mi>B</mi></msub><mo>×</mo><msub><mi>d</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mi>α</mi></msub><msub><mi>α</mi><mi>r</mi></msub><mtext>                                              (3)</mtext></mrow>
A
B
α
где где k, k - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной траектории, k -коэффициент усиления.
r
r
rmax
При этом действует ограничение на величину угла α перекладки руля, который не должен превосходить максимального значения, характерного для конкретного рулевого устройства рассматриваемого судна, т.е. α<α.
Предлагаемый способ управления состоит в выработке управляющего сигнала sign, величина которого определяет скорость перекладки руля (или любого другого рулевого органа), то есть
<mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>k</mi><mi>A</mi></msub><mo>×</mo><msub><mi>d</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mtext>B</mtext></msub><mo>×</mo><msub><mi>d</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mi>α</mi></msub><msub><mi>α</mi><mi>r</mi></msub><mtext>                                    (4)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mi>r</mi></msub></mrow>
Зависимость скорости
перекладки руля от величины управляющего сигнала выражается графически (фиг.5).
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mi>r</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mi>r</mi></msub></mrow>
Этот закон управления достаточно универсален и содержит зону нечувствительности (sign<sign), зону насыщения (sign>sign2) и переходную между ними зону (sign1<sign<sign2) линейного изменения скорости
перекладки руля. Закон предполагает асимметричное отображение для отрицательных значений сигнала (sign<0). В этих зонах скорость
перекладки руля меняется следующим образом (для sign>0):
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext>                                     sign</mtext><mo>≤</mo><mtext>sign1</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>r</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>si</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mn>1</mn></mrow></mfrac><mtext>         sign</mtext><mo><</mo><mtext>sign</mtext><mo><</mo><mtext>sign2                        (5)  </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>r</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mtext>                              sign</mtext><mo>≥</mo><mtext>sign2</mtext></mtd></mtr></mtable>
r
Как видно из выражения (4), инерция самого судна учитывается явным образом добавлением в закон управления члена, который зависит от текущего положения α пера руля.