СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ
METHOD FOR VESSEL COURSE FOLLOWING CONTROL

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна по заданному маршруту.
Известен способ автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованный в «Системе автоматического управления судном» (RU 2248914 С1, 27.03.2005). Способ управления движением судна основан на использовании информации от приемника спутниковой навигационной системы, блока заданного значения путевого угла и сумматора, в котором по сигналам текущего путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна формируется сигнал для управления рулевым приводом судна.
Известен также способ автоматического управления движением судна (RU 2292289 С1, 27.03 2007, принятый нами в качестве прототипа), в котором автоматическое управление движением судна осуществляется с использованием сумматора, рулевого привода, блока выработки угловой скорости, датчика руля, приемника спутниковой навигационной системы, блока заданного маршрута с задатчиком точек поворота судна на заданном маршруте. В способе управления движением судна корректируется заданное значения путевого угла в процессе плавания из точки «А» в точку «Б», затем «В»… по заданному маршруту. Это гарантирует выход судна в очередную заданную точку изменения направления движения даже при сильном волнении на море.
Известные способы автоматического управления движением по заданной траектории обеспечивают точное движение на отрезках заданной траектории только между точками изменения направления движения. В момент прихода судна в область точки изменения направления движения (пусть точка «Б») вырабатывается команда на изменение заданного путевого угла из блока заданного маршрута, но судно по инерции проскакивает это новое направление движения, выходя на новое направление заданной траектории с большим «перекатом». После выхода на новое заданное направление движения к следующей точке поворота «В» использование известного способа обеспечивает точную стабилизацию судна на заданном путевом угле и приход в точку «Г» следующего изменения направления движения судна.
Однако серьезными недостатками рассмотренных способов управления движением судна по заданной траектории от точек «А» к точке «Б», затем «В» являются:
- использование только закона стабилизации судна, при котором переход с одного направления движения на новое осуществляется с большой затяжкой по времени,
- большая инерционность судна не учитывается (т.к. процесс перехода начинается в точке излома траектории движения), что приводит к значительному уходу судна с заданной траектории в районе заданных точек изменения направления движения «Б», «В»... (переход на новый курс осуществляется с большим перерегулированием).
Рассматриваемый ниже способ лишен этих двух недостатков.
Техническим результатом предлагаемого способа автоматического управления движением судна является:
- формирование программного управления рулевым приводом (близкого к оптимальному по быстродействию) вблизи точек изменения направления движения судна вместо замкнутого закона управления по путевому углу, которое используется при движении на отрезках траектории от точки «А» к точке «Б»…,
- минимизация отклонения судна от заданной траектории при движении в области точек поворота траектории,
- определение на заданной траектории «упрежденных» точек включения программного управления, которые находятся вблизи заданных точек поворота траектории, что позволяет практически исключить перерегулирование при выходе на новый заданный путевой угол,
- определение области переключения закона программного управления на закон замкнутого управления по путевому углу при выходе судна на новое направление движения.
Технический результат достигается тем, что способ управления движением судна по заданной траектории с использованием блока заданного маршрута, приемника спутниковой навигационной системы, датчика руля, рулевого привода и сумматора, на вход которого подают сигналы:
- угловой скорости судна и текущего путевого угла - с приемника спутниковой навигационной системы,
- угла перекладки руля - с датчика руля,
упрежд.
упрежд.
упрежд.
упрежд.
упрежд.
0
упрежд.
упрежд.
упрежд.
зд.ВГ
зд.ВГ
0
зд.ВГ
упрежд.
0
ой
ой
ой
ой
ой
ой
- заданного путевого угла, последний формируют в блоке заданного маршрута с использованием сигналов широты и долготы точек «Б», «В»… (точек поворота заданной траектории движения судна), а также сигналов текущей широты и долготы судна - из приемника спутниковой навигационной системы, при этом в блоке заданного маршрута сформирован набор программных маневров, изменяющих направление движения судна, а также набор координат «упрежденных»точек «Б», «В»,…, при достижении которых судно начинает маневр, через интервал времени «Δt» в блоке заданного маршрута формируют модуль 1 разности между сигналом текущей широты судна и сигналом широты точки «Б» и модуль 2разности между сигналом текущей долготы судна и сигналом долготы точки «Б», если модуль 1 разности больше величины «С» или модуль 2 разности больше величины «С», то формируют сигнал заданного значения путевого угла по текущим значениям широты и долготы судна и заданным значениям широты и долготы точки «Б», который вводят на вход сумматора, сигнал с выхода сумматора подают на вход рулевого привода, в следующие интервалы времени «Δt» формирование путевого угла повторяют m раз аналогично до момента времени,«Т+mΔt», когда модуль 1разности между сигналом текущей широты судна и сигналом широты точки «Б» и 2 модуль разности между сигналом текущей долготы судна и сигналом долготы точки «Б» будут меньше «С», то сигнал с выхода сумматора отключают от рулевого привода, на вход которого подключают сигнал программного маневра точки «Б» из блока программного маневрирования, в следующий интервал времени «Δt» в блоке заданного маршрута формируют модуль сигнала разности текущего путевого угла и заданного путевого угла следующей точки поворота «|ПУ-ПУ|», если модуль сигнала разности больше допустимого значения, то через интервал времени «Δt» вновь формируют модуль сигнала разности текущего путевого угла и заданного путевого угла точки поворота «|ПУ-ПУ|», в момент времени «Т+mΔt+nΔt», когда модуль сигнала разности текущего путевого угла и заданного путевого угла будет меньше допустимого значения «|ПУ-ПУ|< С» сигнал программного маневра точки «Б», из блока программного маневрирования, отключают от рулевого привода, а к рулевому приводу подключают выходной сигнал от сумматора, с момента времени «T+mΔt+(n+l)Δt». Процесс управления движением судна на следующих отрезках траектории от точки «Б» к точке «В»… повторяется аналогично рассмотренному выше.
Этот технический результат достигается:
- благодаря введению программного во времени управления маневром судна при повороте (вместо закона управления с обратной связью по путевому углу, который используется на прямолинейных участках движения по заданной траектории),
- благодаря включению программного управления с заданным упреждением (до прихода судна в точки «Б», «В»…, изменения направления движения судна по заданной траектории),
- отключению программного управления и включению закона стабилизации при выходе в область нового (заданного) направления движения.
упрежд.
упрежд.
Предлагаемый способ управления движением судна по заданной траектории осуществляется с использованием сумматора, рулевого привода, датчика руля, приемника спутниковой навигационной системы (с блоком выработки угловой скорости), блока заданного маршрута (с задатчиком точек поворота траектории из точки «А» в точку «Б», затем «В»,… по заданному маршруту, и «упреждающих» точек траектории «Б», «В»,…), блока программного маневрирования (с библиотекой-набором законов программного управления) и блока переключения (для переключения закона замкнутого управления на закон программного управления и обратно).
Отличительной особенностью рассматриваемого способа является:
- использование блока программного маневрирования (с набором программ управления рулевым приводом) для осуществления поворота судна (близкого к оптимальному по времени) вблизи заданных точек изменения направления траектории движения «Б», «В»…,
- введением в блок заданного маршрута:
а) координат «упреждающих» точек в заданной траектории (используемых для включения закона программного управления рулевым приводом)
б) формирования условия обратного включения закона стабилизации путевого угла, вместо закона программного управления.
I. Формирование замкнутого закона стабилизации движения судна по заданному путевому углу (режим стабилизации при движении на прямолинейных отрезках траектории между точками «А-Б» затем «Б-В»…)
При движении между точками «А-Б» затем «Б-В»… используют:
Б
Б
Б
Б
- заданные координаты точек поворота траектории Б(φ, λ), затем (В φ, λ) (из блока заданного маршрута),
ЗД
- заданные значения путевого угла «ПУ» (из блока заданного маршрута),
- текущие широты, долготы судна (φ, λ) и путевого угла «ПУ» (от приемника спутниковой навигационной системы (СНС),
- угловой скорости судна «ω» (с датчика угловой скорости или СНС).
0
ЗД
ЗД
Пусть судно находится в точке «А» (момент времени Т). На выходе сумматора формируется сигнал задания скорости перекладки руля «d/dt δ» (или задания угла перекладки руля (δ)), который подают на вход рулевого привода:
зд
»А-Б»
где ПУ (вводится из приемника СНС), ПУ.(вводится из блока заданного маршрута) - текущий и заданный путевой угол на отрезке «А-Б»,
ЗД.
δ δ (вводится из датчика руля) - заданное и текущее значения угла перекладки руля,
ω - угловая скорость судна (вводится из приемника СНС),
i
K - постоянные коэффициенты регулирования.
0
зд. А-Б
0
ЗД.«А-Б»
упрежд.
упрежд.
ой
Это приводит к движению судна от точки «А» (момент времени «Т») к точке «Б» по заданному путевому углу «ПУ». Через интервал времени «Δt» в момент времени «T+Δt» корректируют сигнал заданного путевого угла «ПУ». Для этой цели в блоке заданного маршрута формируют модуль 1 разности между сигналом текущей широты судна и сигналом широты «упрежденной» точки - начала изменения направления движения судна «Б» (близкой к точке «Б») и модуль 2 разности между сигналом текущей долготы судна и сигналом долготы «упрежденной» точки «Б».
Рассмотрим управление при выполнении условия (2) или (3)
(Бупрежд.)
(Бупрежд.)
где (φ-φ), (λ-λ) - разности текущей широты (долготы) судна и широты (долготы) «упрежденной» точки «Бупрювд» (которая расположена на траектории движения ближе к точке «А» на величину «Δ» по сравнению с точкой «Б»).
ой
ой
зд.
А-Б
.кор 1..
1
0
упрежд.
зд.«А-Б»
Если удовлетворяется зависимость (2) модуль 1 разности больше величины «С» или модуль 2 разности больше величины «С», то формируют сигнал корректированного заданного значения путевого угла (ПУ()) по текущим значениям широты и долготы судна в момент времени «T=T+Δt» и заданным значениям широты и долготы «упрежденной» точки «Б» (начала поворота судна вблизи точки «Б», приближенной на величину «Δ» к точке «А»). Сигнал корректированного заданного путевого угла вводят на вход сумматора вместо «ПУ». Сигнал с выхода сумматора подают на вход рулевого привода. Рулевой привод корректирует движение судна, устраняя возникшее отклонение движения судна с заданной траектории. Процесс выработки корректированного значения заданного путевого угла многократно повторяется через интервалы времени «Δt».
II. Формирование закона программного управления в блоке программного маневрирования (когда судно находится вблизи точек изменения направления движения выполняется условие (3)).
В блоке программного маневрирования сформирован:
ЗД.Б
ЗД.БВ
зд.АБ
зд.В
зд.ВГ
зд.БВ
зд.i
- набор программных маневров для всех точек поворота траектории движения: «Б», «В»,… с использованием динамической модели движения конкретного судна и конкретных величин приращений заданного путевого угла в точках «Б», «В»…: ΔПУ=(ПУ- ПУ), ΔПУ=(ПУ - ПУ)…, (маневры переходов ΔПУ,… формировались путем моделирования и выбирались наиболее близкими к оптимальным по времени),
упрежд.
упрежд.
упрежд.
зд.i
- набор «упрежденных» точек траектории «Б», «В» (при достижении которых судном начинается процесс изменения путевого угла); координаты «упрежденных точек «Б»… формировались с использованием конкретных программных маневров и заданных для них приращений путевого угла «ΔПУ» путем вложения процесса перехода динамической модели корабля в новое направление движения с допустимым перегулированием по путевому углу.
0
Б
1
Бупрежд.
упрежд.
зд.Бупрежд.
Через «m» интервалов времени, когда будет выполняться зависимость (3) (в момент времени: T+mΔt=Т- Δ=Т - нахождении судна в первой «упрежденной» точке начала поворота «Б»), в блоке программного маневрирования выбирают из набора программных маневров для всех точек поворота траектории движения:«Б» «В».'. программный маневр d/dt δ
Бупрежд.
зд
ЗД.Б-В
Сигнал по зависимости (4) из блока программного маневрирования с момента времени «Т» вводят на вход рулевого привода, вместо сигнала d/dt δ по зависимости (li) с выхода сумматора. Судно начинает переход на новое заданное направление движения к ПУ.
3. Переход на режим замкнутого закона управления
ЗД.Б-В
Формируем условие перехода на режим стабилизации в блоке заданного маршрута. Это условие должно выполняться, когда текущее значение путевого угла будет находиться в допустимой области ПУ:
зд Бупрежд.
зд
зд
Б-В
ЗД.<<Б-В>>
При выполнении условия (5) сигнал d/dt δ=f (t), поступающий из блока программного маневрирования, отключается от рулевого привода, а к рулевому приводу подключается сигнал по зависимости (li): d/dt δ=f (ПУ-ПУ.), поступающий с выхода сумматора. Так обеспечивается вновь замкнутое управление (стабилизация судна по путевому углу ПУ):
зд.«Б-В»
упрежд.
Управление судном по ПУпродолжается до прихода судна в точку «В» (начала второго поворота судна (вблизи второй точки «В»). При выполнении условия (3а), которое формируется в блоке заданного маршрута
из блока заданного маршрута поступают сигналы:
- на отключение сигнала закона (li) от рулевого привода (поступающего с выхода сумматора),
- на подключение сигнала закона программного управления на вход рулевого привода (с выхода блока программного маневрирования)
зд.В-Г
Судно начинает переход на новое заданное направление движения в область ПУ.
зд.В-Г
зд.В-Г
В блоке заданного маршрута формируется сигнал: (ПУ- ПУ), когда модуль разности этого сигнала станет меньше заданного значения, то сформируется сигнал, отключающий рулевой привод от блока программного маневрирования и подключающий вход рулевого привода к выходу сумматора. Вновь включится закон стабилизации судна по путевому углу ПУ аналогично выше рассмотренному.
Устройство автоматического управления движением судна по заданной траектории представлено на чертеже.
0
Рассмотрим работу конкретного устройства автоматического управления движением судна по заданной траектории из точки «А» (с момента времени Т) в точку «Б», реализованного в соответствии с предлагаемым способом автоматического управления движением корабля.
Устройство содержит сумматор - 1., рулевой привод - 2., блок выработки угловой скорости - 3., датчик руля - 4., приемник спутниковой навигационной системы (СНС) - 5., блок заданного маршрута - 6., блок программного маневрирования - 7., блок переключения - 8., судно - объект управления - 9.
Все связи между блоками устройства приведены на чертеже. Реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена с использованием микросхем типа 140 УД 6 (сумматор-1., блок программного маневрирования - 7., блок заданного маршрута-6.). Блок выработки угловой скорости - 3., типовой датчик угловой скорости (ДУС-5 с чувствительностью не ниже 0,05 гр/с). Штатные корабельные системы: приемник СНС - 5., рулевой привод - 2.
Устройство автоматически обеспечивает движение корабля по заданному направлению маршрута.
зд.
зд.
зд.А-Б
На вход сумматора 1. поступают сигналы угловой скорости судна «ω» с блока выработки угловой скорости 3, угла перекладки руля «δ» - с датчика руля 4, текущего путевого угла «ПУ» с приемника спутниковой навигационной системы 5. и заданного путевого угла ПУ с блока заданного маршрута 6. На выходе сумматора 1. формируется заданное значение угловой скорости перекладки руля «d/dt δ». В соответствии с зависимостью (1) руль будет автоматически перекладываться и обеспечивать удержание судна на заданной траектории движения с путевым углом, равным заданному: ПУ=ПУ.
зд.
зд.(А-Б).кор.1…
зд.(А-Б).кор.1
зд
В блоке задания маршрута 6. осуществляется циклически через интервалы времени «Δt» вычисление величины заданного значения путевого угла ПУ (см. описание формирования корректированного (ПУвыше). Корректированное значение ПУ… поступает на вход сумматора 1. и далее в рулевой привод 2. на перекладку руля, обеспечивая выход судна на заданное уточненное направление движения. Сигналы циклов перестройки значений ПУ осуществляются в блоке 6. через интервал времени «Δt»
0
упреж
упрежд.
i
упрежд.,
i
упрежд.
упрежд.
i
упрежд.
i
упрежд.
В момент времени Т. (из приемника спутниковой навигационной системы 5.) текущие широта и долгота местонахождения судна (φ, λ) поступают в блок 6., в котором также содержатся широты и долготы всех i-«упрежденных» точек поворота судна (в рассматриваемом случае первая точка изменения направления движения - «Б»). По сигналам текущего местонахождения судна (φ, λ) и точке начала поворота Б(φ=Бλ=Б) формируются зависимости вида (2) и (3). Если выполняется зависимость (2), в блоке 6. формируется заданное значение путевого угла по текущему местонахождению судна (φ, λ) и точке Б (φ= Б…, λ=Б).
упрежд.
Бупрежден.
0
зд.Бупрежд.
зд.«АБ»
зд.Б-В.
зд.«Б-В»
Если выполняется зависимость (3) (что соответствует нахождению судна в точке «Б» в момент времени Т=Т+m Δt - первого поворота судна) из блока заданного маршрута - 6 поступает сигнал на формирование в блоке программного маневрирования - 7 программы маневрирования d/dt δ (из суммарного набора программ маневрирования в блоке - 7). Сигнал из блока заданного маршрута - 6 также поступает в блок переключения - 8 на подключение блока программного маневрирования - 7 к входу рулевого привода - 2 и отключению от рулевого привода - 2 выхода сумматора - 1. Это приведет к началу маневра судна с путевого угла «ПУ» в область ПУ Через каждый интервал времени Δt в блоке заданного маршрута - 6 формируется сигнал по зависимости (5). В момент времени, когда условие (5) удовлетворится, из блока заданного маршрута - 6 поступит сигнал в блок переключения - 8 на отключение выхода блока - 7 и подключения сигнала с блока - 1 к рулевому приводу, что приведет к переходу на режим стабилизации судна на отрезке траектории «Б-В» с путевым углом ПУ.
Проведенное моделирование рассмотренного выше способа автоматического управления с перестройкой законов управления судном подтвердило его работоспособность, а следовательно, и высокой эффективности предложенного способа управления движением судна по заданной траектории.