ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РУЛЕВОЙ ПРИВОД ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СУДОВ

Предлагаемая полезная модель относится к судостроению, в частности к рулевым приводам для создания поперечной силы, обеспечивающей управление с помощью руля движением судна по курсу, или к приводам закрылков судна на подводных крыльях для умерения качки.
Известно, что рулевые приводы являются наиболее ответственными механизмами на судах. От их эффективности и надежности зависит безопасность плавания и экономические показатели работы судов. К этим механизмам предъявляются высокие требования. В частности, обязательным требованием Российского Морского Регистра Судоходства в настоящее время является наличие в рулевом устройстве каждого судна двух рулевых приводов: основного и вспомогательного. Для скоростных судов предъявляемые требования еще более жесткие.
Известен предназначенный для судовождения рулевой привод, состоящий из последовательно соединенных аналогового усилительно-преобразующего блока и рулевого агрегата, сигналы гибкой и жесткой обратной связи с которого через схему сравнения вместе с сигналом заданного положения руля подаются на вход усилительно-преобразующего блока (см. книгу «Системы автоматического управления движением судна» авторов Вагущенко Л.Л. и Цымбал Н.Н. Одесса, «Феникс», 2007, с. 166, 245).
Известный рулевой привод обладает тем недостатком, что при отказе усилительно-преобразующего блока привод перестает функционировать, что в случае использования его на скоростных судах может привести к аварии, связанной с безопасностью людей.
Известен привод для управления рулем скоростного судна, содержащий два усилительно-преобразующих блока, связанные через электронные ключи, подключенные к внешним командам отключения каналов привода, с соответствующими обмотками электромеханического преобразователя электрогидравлического рулевого агрегата с электрогидравлическим усилителем типа «сопло-заслонка» и двумя индукционными датчиками обратной связи по положению золотника электрогидравлического усилителя и по положению гидравлически связанного с ним поршня гидродвигателя рулевого агрегата. Входные сигналы заданного положения руля поступают на соответствующие входы усилительно-преобразующих блоков, представляющих собой последовательно соединенные сумматор и усилитель. Датчики обратных связей рулевого агрегата запитываются от генератора синусоидального напряжения, а выходы датчиков подключены к соответствующим блокам фазочувствительного выпрямления, соединенным по входам через диоды с подключенному к генератору компаратору. Выходы блоков фазочувствительного выпрямления подключены к соответствующим входам усилительно-преобразующих блоков и входу сигнала текущего положения руля (см. схему электрическую принципиальную усилителя привода УПР-7-1 АПТЛ.468739.001 Э3 в авторулевом АР «Агат-М» АПТЛ.461224.001 с рулевым агрегатом типа РА-3 (РА-3-000 ТУ) изготовитель ОАО ПМЗ «Восход», который эксплуатируется с 1997 г.).
В известном двухканальном приводе парируется отказ одного из усилительно-преобразующих блоков путем отключения отказавшего канала вручную с пульта управления авторулевого или автоматически с канальных вычислителей авторулевого с помощью соответствующего электронного ключа.
Известный привод обладает следующими недостатками, вытекающими из аналогового исполнения привода:
1. В известном двухканальном приводе не происходит автоматическое отключение отказавшего канала при отказе одного из усилительно-преобразующих блоков самого привода.
2. При отказе одного из каналов привода в другом канале не происходит автоматическое увеличение передаточного коэффициента по току управления для сохранения динамических характеристик привода.
3. Привод имеет большое количество регулировочных потенциометров для настройки нулей и коэффициентов усиления.
4. В известном приводе для повышения точности отработки сложно учитывать нелинейности и неодинаковости наклона характеристик датчиков обратной связи для разных направлений движения привода от нулевого положения, проводить тарировку датчиков, реализовывать автоматизированную настройку привода и добиваться стабильности характеристик в условиях внешних воздействий.
5. При использовании известного привода трудно достичь универсальности его применения для разных рулевых агрегатов, например, для РА-3 и РА-1.
6. Для известного привода из-за возможных помех ограничено расстояние до источника и приемника аналогового сигнала заданного и текущего положения руля.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенной полезной модели является двухканальный электрогидравлический рулевой привод для высокоскоростных судов, содержащий два усилительно-преобразующих блока, подключенных по сигналам управления через электронные ключи к соответствующим обмоткам электромеханического преобразователя электрогидравлического рулевого агрегата типа «сопло-заслонка», гидравлически связанного с золотниковым гидрораспределителем, который кинематически связан с индукционным датчиком обратной связи привода по положению золотника и гидравлически связан с гидродвигателем, кинематически связанным с индукционным датчиком обратной связи привода по положению поршня гидродвигателя рулевого агрегата, который подключен к первым входам усилительно-преобразующих блоков. Вторые входы усилительно-преобразующих блоков соединены с выходом датчика обратной связи электрогидравлического усилителя рулевого агрегата, входы запитки датчиков обратной связи которого подключены к выходам соответствующих усилителей. Третьи входы усилительно-преобразующих блоков подключены к соответствующим шинам входных сигналов заданного положения руля, а управляющие входы электронных ключей подключены к соответствующим шинам внешних команд отключения каналов привода. Усилительно-преобразующие блоки каналов привода выполнены на основе цифровых микроконтроллеров, реализующих функции аналого-цифрового преобразования и фазочувствительного выпрямления, цифро-аналогового преобразования и генерации синусоидального напряжения и формирования сигнала самоконтроля, при этом выходы синусоидального напряжения усилительно-преобразующих блоков для запитки датчиков обратной связи рулевого агрегата подключены к входам усилителей запитки через электронный переключатель, управляющий вход которого соединен с выходом сигнала самоконтроля первого усилительно-преобразующего блока, который подключен к управляющему входу первого электронного ключа и к первому входу логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу сигнала самоконтроля второго усилительно-преобразующего блока, к четвертому входу первого усилительно-преобразующего блока и к управляющему входу второго электронного ключа. Выход элемента ИЛИ является выходом сигнала самоконтроля привода. Третий вход каждого из усилительно-преобразующих блоков подключен к шине сигналов заданного и текущего положения руля через приемо-передатчик цифрового двунаправленного канала связи. Пятый вход второго усилительно-преобразующего блока подключен к выходу однонаправленного цифрового интерфейса первого усилительно-преобразующего блока, а первые и вторые электронно-преобразующий блок, электронный ключ и приемо-передатчик образуют соответственно первый и второй канальные вычислители привода (см. патент №116834 РФ на полезную модель от 07.09.2011 г., заявитель и патентообладатель ООО НПП «Анфас»).
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача упрощения устройства привода при сохранении двухканального управления.
Поставленная задача решается тем, что предложен двухканальный электрогидравлический рулевой привод для высокоскоростных судов, содержащий два вычислительных канала, состоящих из приемопередатчика, усилительно-преобразующего блока на основе цифрового микроконтроллера, реализующего функции аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, фазочувствительного выпрямления, генерации синусоидального напряжения и управляющего ШИМ-сигнала, а также формирования сигнала самоконтроля, и электронного ключа, подключенных по сигналам управления через электронные ключи к соответствующим обмоткам электромеханического преобразователя электрогидравлического усилителя рулевого агрегата типа «сопло-заслонка», гидравлически связанного с золотниковым гидрораспределителем, который кинематически связан с индукционным датчиком обратной связи по положению золотника и гидравлически связан с гидродвигателем, кинематически связанным с индукционным датчиком обратной связи по положению поршня гидродвигателя рулевого агрегата, входы датчиков обратной связи которого подключены к выходам соответствующих усилителей, а первые управляющие входы электронных ключей подключены к соответствующим шинам внешних команд отключения каналов привода.
Новым в предложенном устройстве является то, что первый и второй вычислительные каналы привода имеют общий усилительно-преобразующий блок, выходы управляющих ШИМ-сигналов которого подключены к соответствующим входам первого и второго электронного ключа, выход синусоидального напряжения для запитки датчиков обратной связи рулевого агрегата усилительно-преобразующего блока подключен к входам усилителей запитки, выход сигнала самоконтроля усилительно-преобразующего блока подключен к вторым управляющим входам электронных ключей и к шине сигнала самоконтроля привода, входы сигналов заданного и текущего положения управляющей поверхности судна усилительно-преобразующего блока подключены через соответствующие приемо-передатчики к цифровым двунаправленным каналам связи, а вторые управляющие входы электронных ключей вычислительных каналов привода дополнительно подключены к соответствующим входам усилительно-преобразующего блока.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в упрощении заявленного привода с сохранением двухканального управления.
Основанием для такого упрощения является то, что надежность усилительно-преобразующего блока канальных вычислителей привода на основе микроконтроллера сравнима с надежностью нерезервированных элементов рулевого агрегата: золотникового гидрораспределителя, датчиков обратной связи и гидродвигателя и поэтому без ущерба для безотказности можно использовать один усилительно-преобразующий блок на два вычислительных канала привода, при этом наработка на отказ привода даже увеличится благодаря уменьшению общего числа его элементов.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного устройства.
Заявленное устройство содержит выполненный на основе цифрового микроконтроллера усилительно-преобразующий блок 1, соединенный с электронными ключами 2 и приемо-передатчиками 3 цифровых каналов связи 4, образующих два вычислителя первого 5 и второго 6 каналов привода с общим усилительно-преобразующим блоком 1. Каждый из вычислителей каналов 5 и 6 привода по сигналам управления через соответствующий электронный ключ 2 подключен к соответствующей обмотке управления заслонкой электромеханического преобразователя 7 рулевого агрегата 8 (на чертеже не показаны). Электромеханический преобразователь 7 гидравлически связан с гидрораспределителем 9 с золотниковым механизмом, который кинематически связан с индукционным датчиком обратной связи 10 по положению золотника электрогидравлического усилителя 11, включающего в себя блоки 7, 9 и 10 рулевого агрегата 8. Золотниковый гидрораспределитель 9 гидравлически связан с гидродвигателем 12 рулевого агрегата 8, кинематически связанным с индукционным датчиком обратной связи 13 по положению поршня гидродвигателя 12 рулевого агрегата 8. Сигналы с выходов обоих датчиков обратной связи 10 и 13 рулевого агрегата 8 поступают на соответствующие входы усилительно-преобразующего блока 1 вычислителей привода 5 и 6. При этом сигнал самоконтроля с выхода усилительно-преобразующего блока 1 поступает на управляющие входы электронного ключа 2 вычислителей 5 и 6 привода. Синусоидальное напряжение запитки датчиков обратной связи 10 и 13 с выхода усилительно-преобразующего блока 1 вычислителей 5 и 6 подключено к входам соответствующих датчиков обратной связи 10 и 13 рулевого агрегата 8 через усилители 14 и 15 соответственно. На вторые управляющие входы электронных ключей 2 вычислителей привода 5 и 6 и на соответствующие входы разовых команд усилительно-преобразующего блока 1 поданы внешние команды 16 и 17 отключения первого и второго каналов привода, например, из пульта управления авторулевого или из его канальных вычислителей, а сигнал 18 с выхода усилительно-преобразующего блока 1 является сигналом самоконтроля привода в целом.
Заявленное устройство работает следующим образом.
При отсутствии сигналов управления в электромеханическом преобразователе 7 рулевого агрегата 8 зазоры между соплами и заслонкой (на чертеже не показаны) равны, золотник гидрораспределителя 9 электрогидравлического усилителя 11 находится в нейтральном положении, поршень гидродвигателя 12 неподвижен (исходное положение). Сигнал заданного положения руля поступает в привод по двум цифровым каналам связи 4, в качестве которых могут служить стандартные каналы связи типа RS-485, Манчестер 2 или CAN. Указанные сигналы поступают на входы усилительно-преобразующего блока 1 вычислителей привода 5 и 6, которые вырабатывают соответствующие среднему арифметическому значению заданных сигналов усиленные сигналы управления заслонками электромеханического преобразователя 7 электрогидравлического усилителя 11 рулевого агрегата 8, поступающие на входы электронных ключей 2 вычислителей 5 и 6 привода.
В случае исправности усилительно-преобразующего блока 1 и отсутствии внешних сигналов отключения каналов привода 16, 17, сигналы управления с выходов электронных ключей 2 создают ток в обмотках электромеханического преобразователя 7, направление и величина которого соответствует знаку и величине разности между входным задающим сигналом и сигналами с датчиков обратных связей 10 и 13 рулевого агрегата 8, регулярно вычисляемой в микроконтроллере усилительно-преобразующего блока 1 вычислителей привода 5 и 6. При этом сигналы управления с разных каналов складываются с учетом знака непосредственно на обмотках блока 7. При наличии в электромеханическом преобразователе 7 суммарного сигнала управления его заслонка отклоняется от нейтрального положения в сторону, зависящую от полярности сигнала, на величину, пропорциональную величине токового сигнала, при этом расход жидкости из одного сопла уменьшается, а из другого увеличивается, что приведет к появлению перепада давлений в камерах гидроусилителя 11 и соответствующему перемещению золотника гидрораспределителя 9. Перемещаясь, золотник, во-первых, воздействует на датчик обратной связи 10, который выдает в усилительно-преобразующий блок 1 сигнал обратной связи контура электрогидроусилителя 11, пропорциональный перемещению золотника. Во-вторых, он соединяет одну из полостей гидродвигателя 12 с линией напора гидросистемы, а другую - со сливной магистралью (на чертеже не показаны). Перемещаясь под действием перепада давлений, поршень гидродвигателя 12 воздействует на датчик обратной связи 13, который выдает в усилительно-преобразующий блок 1 сигнал обратной связи контура рулевого агрегата, пропорциональный перемещению поршня гидродвигателя 12. Сигналы обратной связи с датчиков 10 и 13, поступающие в усилительно-преобразующий блок 1 вычислителей 5 и 6 привода, приводят к уменьшению сигнала управления, поступающего в электромеханический преобразователь 7. Под действием уменьшающегося сигнала система «сопло-заслонка» электрогидравлического усилителя 11 отрабатывает в исходное положение, золотник гидрораспределителя 9 занимает нейтральное положение, поршень гидродвигателя 12, переместившись на величину, пропорциональную сигналу управления, останавливается. Работа рулевого агрегата 8 прекращается, когда разность между задающим сигналом и сигналами обратной связи становится равной нулю в случае полного совпадения коэффициентов усиления в каналах привода и входных задающих значений. В случае неодинаковости задающих сигналов или параметров усиления в каналах привода, последний останавливается, когда на выходе канальных вычислителей устанавливаются одинаковые по величине сигналы противоположной полярности. При одноканальном управлении на выходе исправного управляющего агрегатом 8 канала при остановке привода будет всегда нулевой сигнал. Сигнал отказа всего привода формируется на выходе 18 в случае одновременного отказа обоих каналов 5 и 6 привода.
При поступлении внешней команды по шине 16 или 17 привод переходит на одноканальное управление рулевым агрегатом 8 через соответствующий ключ 2, при этом микроконтроллер усилительно-преобразующего блока 1 увеличивает в два раза передаточный коэффициент по току управления для сохранения динамических характеристик привода. При отказе одного из цифровых каналов связи 4 привод продолжает работать в режиме двухканального следящего управления по выходному ШИМ-сигналу, заменяя среднее арифметическое значение входных параметров на входной параметр исправного канала с выдачей соответствующего сообщения об отказе по исправному каналу связи. И наконец, при отказе микроконтроллера усилительно-преобразующего блока 1 или при поступлении одновременно двух команд по внешним шинам 16 и 17, выходы обоих ключей 2 отключаются от обмоток управления электрогидроусилителя 11 рулевого агрегата 8, при этом следящее управление приводом не возможно, но возможны другие режимы управления, например, резервное кнопочное управление без участия вычислителей авторулевого и самого привода, или аварийное управление от ручного гидронасоса (на чертеже не показаны).
Таким образом, суть реализованного в полезной модели технического решения заключается в упрощении устройства за счет исключения из него одного усилительно-преобразующего блока, логического элемента ИЛИ и электронного переключателя при сохранении всех известных преимуществ цифровизации и двухканального управления.