СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА

Предложение относится к области судовождения автоматическому управлению движением судна с использованием в качестве основной информации о состоянии судна кроме угла курса текущей широты, долготы и величины поперечного смещения судна относительно заданной траектории.
Известна система автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованная в «Системе автоматического управления судном», (RU 2240953 C1, 27.11.2004). Способ и система управления движением судна основаны на использовании информация от приемника спутниковой навигационной системы (СНС), датчика угловой скорости, блока заданного значения угла курса и сумматора, в котором по сигналам: текущего угла курса, заданного угла курса и угловой скорости судна формируется сигнал управления рулевым приводом судна.
Известна также система автоматического управления движением судна (RU 2292289 C1, 27.01. 2007, принятая в качестве прототипа), в которой автоматическое управление движением судна осуществляется аналогично описанному выше, но с дополнительной корректировкой заданного значения угла курса в процессе плавания из точки «А» в точку «Б», затем «В»… по заданному маршруту.
Известные системы автоматического управления движением обеспечивают движение судна по заданному направлению. Однако недостатками рассмотренных систем управления движением судна по заданной траектории являются:
- при наличии внешних возмущений в поперечном направлении происходит боковой снос судна относительно заданной траектории движения (при этом угол курса поддерживается заданной величины);
- использование только кормового рулевого привода для управления движением судна по заданной траектории создает дополнительный угол дрейфа в процессе изменения направления движения судна, который приводит также к дополнительным отклонениям от заданной траектории в поперечной плоскости судна;
- затруднен проход судном узкостей из-за появления угла дрейфа и бокового сноса судна относительно заданной траектории движения.
Приведенная ниже система автоматического управления лишена этих недостатков т.к. обеспечивает движение судна практически с нулевым углом дрейфа и обеспечивает компенсацию бокового сноса судна при наличии внешних возмущений в поперечном направлении.
Техническим результатом, предлагаемой системы управления движением судна является:
- минимизация поперечных смещений судна от заданной траектории движения (движение с углом дрейфа близким к нулю даже при наличии поперечных внешних возмущений),
- повышение экономичности управления движением и безопасности проводки судна в узкостях
Этот технический результат достигается:
- использованием кроме угловых измерителей состояния судна - угла курса также текущих широт, долгот и величины поперечного смещения,
- формированием закона управления движением судна близким к астатическому при наличии внешних поперечных возмущений,
φ
ω
V
z
- использованием оценок сигналов текущего угла курса  угловой скорости  и поперечной скорости-  судна,
- использованием носового руля для повышения качества стабилизации судна на заданном направлении.
Система автоматического управления движением (САУД) судна
к
н
z
зд
зд
зд.
к.зд.
н.зд.
к.
н
z
V
ω
ПУ
САУД содержит: блок измерения с датчиками: угловой скорости судна ω, угла курса φ, угла кормового руля δ, угла носового руля δ, поперечной скорости V, широты Φ и долготы γ судна; задатчик φ, Φ, γ; регулятор кормового рулевого привода δ; регулятор носового рулевого привода δ; кормовой рулевой привод δ; носовой рулевой привод δ; для реализации предложенных технических результатов система содержит блок формирования оценок , ,  и блок величины поперечного смещения ПС (судна относительно заданной траектории).
Предложенная САУД обеспечивает компенсацию поперечных внешних возмущений, воздействующих на судно, а также любых высокочастотных внешних возмущений благодаря: φ
z
- учету поперечной скорости - V, судна и величины поперечного смещения ПС (из блока измерения);
- использованию текущих широт Φ и долгот γ судна совместно с углом курса φ (из блока измерения);
зд
зд
зд
зд.
зд.
зд.
- использованию заданных широт Φ, и заданных долгот γ в заданной траектории движения судна совместно с заданным углом курса φ. (из задатчика φ, Φ, γ);
- фильтрации высокочастотных шумов в измеряемой информации (использование оценок измерений (из блока формирования оценок, что существенно повышает качество управления при сильном морском волнении).
Закон управления кормовым и носовым рулевыми приводами в рассматриваемой САУД имеет вид:
зд.,
где: δ - заданный угол перекладки кормового (носового) руля,
к (или н)
δ - текущий угол перекладки кормового (носового) руля,
φ
зд.
зд.
φ , φ - оценка текущего угла курса и заданный (программный) угол курса φ заданной траектории движения,
V
z
- оценка поперечной скорости судна,
ω
- оценка угловой скорости судна,
ПС - поперечное смещение судна относительно заданной траектории,
1.
2.
3.
1
1
К, К, К - коэффициенты регулирования (причем К в законе управления кормовым рулевым приводом положительная величина, а в законе управления носовым рулевым приводом К отрицательная величина).
зд.к.(или н).
зд.
Заданная скорость перекладки руля dδ/dt формируется в регуляторах рулевых приводов. Выходы регуляторов кормового (носового) рулевых приводов подключены соответственно к входам кормового (носового) рулевых приводов, при этом обеспечивается вывод и удержание судна на угле курса - φ равном заданному (программному) углу курса - φ без бокового смещения относительно заданной траектории движения.
Наличие в законе управления кормовым и носовым рулем в соответствии с зависимостью (1).:
V
z
зд
зд
зд.
- сигналов поперечного смещения ПС и поперечной скорости  позволяет скомпенсировать поперечные возмущающие воздействия на судно (обеспечить движение судна с нулевым (близким к нулю) углом дрейфа даже при наличии возмущающих воздействий относительно поперечной плоскости судна; величина поперечного смещения ПС вычисляется с использованием широт Φ, Φ, долгот γ, γ и углов курса φ, φ);
- оценок фазовых координат (вместо измеренных (зашумленных) фазовых координат непосредственно с датчиков измерения) существенно снижает загрузку рулевых приводов и сопротивление продольному движению судна.
к
н
z,
z
ω
V
φ,
Формирование законов управления рулевыми приводами Из блока измерения на вход блока формирования оценок поступают сигналы с датчиков угла курса φ, угловой скорости ω, угла перекладки комового (носового) рулей δ (δ) и поперечной скорости судна V. В блоке формирования оценок (с использованием дифференциальных уравнений движения судна) вычисляются оценки сигналов , , :
11
14
21
24
32
где a-a, а- а, a- - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна,
15
25
35
a, а, а - коэффициенты фильтрации.
ω
V
φ
z
зд.
зд.
зд
зд
Вычисленные оценки , , -, в соответствие с (2), из блока формирования оценок, вводятся на первые входы обоих регуляторов рулевых приводов, на вторые входы которых вводится сигнал заданного угла курса - φ. из задатчика φ, Φ,, γ, на третьи входы регуляторов рулевых приводов вводится сигнал поперечного смещения ПС из блока величины поперечного смещения.
На вход блока величины поперечного смещения подключены датчики блока измерения:
i
i
- текущей широты Φ и текущей долготы γ судна (из блока измерения.);
- текущего угла курса φi (из блока измерения.);
здi.
зд i
зд.i.
из задатчика φ, Φ, γ сигналы заданной траектории движения:
здi
- заданного угла курса φ,
зд i
- широты Φ,
зд.i
- долготы γ
вводятся на вход блока величины поперечного смещения.
В блоке величины поперечного смещения формируется величина поперечного (бокового) смещения судна - ПС относительно заданной траектории. В одном из четырех квадрантов, формируемых в координатах широты и долготы.
i
В выбранном квадранте вычисляется величина текущего поперечного смещения судна ПС (величина бокового сноса судна относительно заданной траектории движения).
i
а). Судно движется в первом квадранте, если величина текущего угла курса φ соответствует условию (3а)
i
Поперечное смещение ПС вычисляется в соответствии с зависимостью (4а):
i
где γ - текущая долгота судна (введена в блок величины поперечного смещения из блока измерения).
зд. i
зд i.
зд.i
γ - долгота на отрезке заданной траектории движения, которая соответствует текущей расчетной точке нахождения судна (γ, Φ) на заданной траектории движения.
зд i
Для вычисления γ составим:
0зд.
0зд.
- уравнение отрезка линии заданной траектории движения, которая проходит через точку (γ, Φ).
зд.
.i
К=tg(90°-φ),
i.
i
- уравнение отрезка линии (поперечного смещения ПС) перпендикулярного к заданной траектории, проходящего через точку текущего местонахождения судна (γ , Φ).
зд.
.i
К=tg(90°-φ),
ПС
Долгота γ. точки пересечения отрезка линии (поперечного смещения ПС (5б)с отрезком (5а) формируется в блоке величины поперечного смещения:
ПС
зд.i
ПС
зд.i
вычисленная долгота γ точки на отрезке линии заданной траектории движения соответствует заданной долготе γ точки на отрезке линии заданной траектории движения, т.е. =γ=γ.
здi
зд.i.
Широта Φ точки на отрезке линии заданной траектории движения формируется в блоке величины поперечного смещения по величине вычисленной заданной долготы γ.
i
Сигнал ПС, сформированный в первом квадранте блока величины поперечного смещения вводится на входы обоих регуляторов:
- в регуляторе кормового рулевого привода формируется закон
- в регуляторе носового рулевого привода формируется закон:
зд.к.
зд.н.
Сигнал заданной скорости перекладки руля с выхода регулятора кормового рулевого. - (dδ/dt по зависимости (1а) и с регулятора носового рулевого привода - dδ/dt по зависимости (1б) поступает на вход кормового и носового рулевого привода соответственно. Так осуществляется автоматическое управление движением суда в соответствие с заданной траекторией движения с нулевым (близким к нулевому) углом дрейфа и углом курса φ находящимся в первом квадранте (выполняется зависимость (3а).
i
б). Судно движется во втором квадранте, если величина текущего угла курса φ удовлетворяет условию (3б):
i
ПС во втором квадранте вычисляется в соответствии с зависимостью (4б):
i
где Φ - текущая широта судна (введена в блок величины поперечного смещения из блока измерения.).
зд.i
зд.i
.
Φ=f(γ) широта на графике заданной траектории (сформирована в блоке величины поперечного смещения).
зд. i
зд.i.
γ - заданная долгота точки на заданной траектории движения судна формируется в блоке величины поперечного смещения, вычисление γ см. выше а).
здi
зд.i.
Широта Φ формируется в блоке величины поперечного смещения по величине вычисленной долготы γ
i
Сигнал ПС, сформированный во втором квадранте блока величины поперечного смещения вводится на входы обоих регуляторов:
- в регуляторе кормового рулевого привода формируется закон (1а);
- в регуляторе носового рулевого привода формируется закон (1б).
зд.к.
зд.н.
Выходной сигнал с регулятора кормового рулевого привода - dδ/dt по зависимости (1а) и с регулятора носового рулевого привода - dδ/dt по зависимости (1б) поступает на вход кормового и носового рулевого привода соответственно.
i
в). Судно движется в третьем квадранте, если величина текущего угла курса φ удовлетворяет условию (3в):
i
ПС в третьем квадранте вычисляется в соответствии с зависимостью
i
γ - текущая долгота судна (введена в блок величины поперечного смещения из блока измерения).
зд.i
зд i.
зд. i
Определение γ - расчетной точки (γ, Φ) на заданной траектории движения и все дальнейшие процессы вплоть до использования законов управления (1а) и (1б) производится аналогично пункту а).
i
г). Если угол курса находится в четвертом квадранте +225°≤ПУ≤+315°
i
величина поперечного смещения судна ПС вычисляется как во втором квадранте блока величины поперечного смещения. Затем выполняются все операции, включая процесс автоматического управление обоими рулевыми приводами, как описано выше.
Работа системы автоматического управления движением (САУД) судна (см. фиг.).
к
н
x
z
зд.
зд,
зд
к.зд.
к
н.зд.
н.
Система содержит: блок измерения - 1. с датчиками: угловой скорости судна ω, угла курса φ, угла кормового руля δ, угла носового руля δ, продольной скорости судна V, поперечной скорости V; задатчик φ, Φ, γ - 2.; регулятор кормового рулевого привода δ- 3.; кормовой рулевой привод δ - 4.; регулятор носового рулевого привода δ- 5.; носовой рулевой привод δ - 6..; блок формирования оценок - 7.; блок величины поперечного смещения ПС (боковое смещение судна относительно заданной траектории) - 8. судно - 9, (объект управления).
Блок измерения - 1. может быть оборудован типовыми датчиками с чувствительностью не хуже 05°, 0.05°/сек. и 2 м/сек. Регуляторы - 3., 5., блок формирования оценок 7 и блок величины поперечного смещения ПС - 8 могут реализовываться как с использованием аналоговых счетно-решающих элементов, так и цифровой вычислительной техники. Рулевые привода 4., 6. - штатные корабельные устройства.
Предложенная система управления обеспечивает компенсацию поперечных внешних возмущений, воздействующих на судно, а также любых высокочастотных внешних возмущений благодаря:
z
- учету поперечной скорости - V, величина которой зависит от воздействия на судно поперечных возмущений,
- использованию сигналов текущих широт Φ и долгот γ судна совместно с углом курса φ,
зд,
зд
- использованию сигналов заданных широт Φ, заданных долгот γ заданной траектории движения,
- фильтрации высокочастотных шумов в измеряемой информации (что существенно при сильном морском волнении).
Рассмотрим формирование закона управления рулевыми приводами
к
н
z
z
ω
V
φ
Из блока измерения - 1. на вход блока формирования оценок - 7. поступают сигналы угла курса φ, угловой скорости ω, угла перекладки комового (носового) рулей δ и δ, поперечной скорости судна - V,. В блоке формирования оценок - 7. вычисляются оценки , , :
зд.
которые вводятся на первые входы регуляторов рулевых приводов 3. и 5., на вторые входы которых вводится сигнал заданного угла курса - φ из задатчика 2., на третьи входы регулятора рулевых приводов вводится сигнал поперечного сноса ПС из блока поперечного сноса 8. На вход блока 8. подключены сигналы:
i
i
- текущей широты Φ и текущей долготы γ - .судна (из блока измерения 1.),
i
- текущего угла курса φ (из блока измерения 1.),
здi
здi
зд.i
- заданного угла курса φ (из задатчика - 2. заданной траектории движения в функции широты Φ, и долготы γ).
i
i
i
i
В блоке 8. в одном из четырех квадрантов, в котором оказался текущий угол курса φ формируется ПС. Если текущий угол курса φ оказался в первом квадранте удовлетворяется условие (3а), то в блоке 8 формируется величина поперечного смещения ПС в соответствии с зависимостью (4а).
зд.i
зд.i.
Широта Ф формируется в блоке 8. по величине вычисленной заданной долготы γ
i
Сигнал ПС, сформированный в квадранте блока величины поперечного смещения 8. вводится на входы обоих регуляторов:
- в регуляторе кормового рулевого привода 3. формируется закон (1а).
- в регуляторе носового рулевого привода 5. формируется закон (1б).
зд.к.
зд.н
Заданное значение скорости перекладки руля с выхода регулятора кормового рулевого привода.- dδ/dt 3. (зависимость (1a) и с регулятора носового рулевого привода - dδ/dt 5. (зависимость (1б) поступают на вход кормового 4.. и носового 6. рулевых приводов соответственно.
При этом система автоматического управления обеспечивает движение судна по заданной траектории с углом дрейфа и поперечным смещением относительно линии траектории близким к нулю.
Моделирование рассмотренной выше системы управления движением судна подтвердило ее эффективность.