СИСТЕМА ШТУРВАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СКОРОСТНЫХ СУДОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области автоматического управления движением скоростных судов по курсу, например, к системам управления судами на подводных крыльях или судами с каверной.
Известны системы автоматического управления скоростными судами, работающие по принципу регулирования по отклонению, содержащие исполнительные приводы рулей, взаимодействующие с блоками выработки управляющих воздействий, индикаторы заданного и текущего курса, устройства для ввода поправок по курсу и другие элементы и устройства, обеспечивающие работу системы в целом, в том числе и в режиме штурвального управления. (См., например, Березин С.Я., Тетюев Б.А. Системы автоматического управления движением судна по курсу. Л., "Судостроение", 1990.)
Однако, в связи с развитием техники, повышением требований к комфортности и мореходности судов, ростом их тоннажа при повышении скорости движения известные системы перестали удовлетворять предъявляемым к ним требованиям, что вызвало необходимость усовершенствования известных систем.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенному устройству может быть выбрана "Система штурвального управления для скоростных судов" по заявке №2004130647/22(033346) от
19.10.2004 г. на полезную модель авторов Баньковского С.П., Петрова С.В. и Сидоренко О.И.
Известная система штурвального управления для скоростных судов содержит датчик положения штурвала, исполнительный привод, воздействующий на руль судна, датчик скорости судна, вычислитель ограничений по перекладке руля в зависимости от скорости судна (функциональный преобразователь) и вычислитель требуемой перекладки руля, первый выход которого подключен к выходу датчика положения штурвала, второй вход - к выходу функционального преобразователя, а выход - к исполнительному приводу руля.
Недостаток известного устройства (системы) заключается в том, что при перекладке руля с помощью штурвала, обеспечивающего управление судном по курсу, угловая растяжка поворота штурвала осуществляется только на тех скоростях движения, при которых накладываются ограничения на допустимую перекладку руля.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача создать такую систему штурвального управления скоростным судном, при которой при исключении опасности возникновения аварийных ситуаций в связи с движением на высоких скоростях повышается точность штурвального управления судном по курсу независимо от его скорости и заданных ограничений по перекладке руля.
Поставленная задача решается тем, что предложена система штурвального управления для скоростных судов, содержащая датчик положения штурвала, воздействующий на исполнительный привод руля, датчик скорости судна, подключенный к функциональному преобразователю, и вычислитель требуемой перекладки руля, первый вход которого подключен к выходу датчика положения штурвала, а второй вход - к выходу функционального преобразователя.
Новым в предложенной системе является то, что она содержит задатчик масштаба перекладки руля от штурвала, компаратор, второй вычислитель требуемой перекладки руля и коммутатор. При этом выход датчика положения штурвала подключен к первым входам компаратора и вычислителей, а к второму входу компаратора подключен задатчик масштаба перекладки руля, к вторым входам вычислителей - выход функционального преобразователя, выходы вычислителей подключены соответственно к альтернативным входам коммутатора, к управляющему входу которого подключен выход компаратора, а выход коммутатора - к исполнительному приводу руля.
Технический результат заявленной системы заключается в повышении точности штурвального управления судном по курсу независимо от скорости его движения за счет того, что угол перекладки руля в зависимости от поворота штурвала масштабируется так, что для перекладки руля на один и тот же угол в заявленной системе по сравнению с прототипом штурвал требуется повернуть на больший угол в области малых отклонений, что позволяет точнее выдержать курс судна. Другими словами, в заявленную систему одновременно с зависимостью перекладок руля и поворота штурвала от скорости движения судна, свойственной прототипу, введена нелинейная зависимость между углом поворота штурвала и углом поворота руля, при которой осуществляется растяжка поворота штурвала в области малых отклонений от нулевого положения.
На фиг.1 показана функциональная блок-схема заявленной системы; на фиг.2 - график перекладки руля в зависимости от поворота штурвала.
Заявленная система (фиг.1) содержит штурвал 1, с которым механически связан датчик 2 углового положения штурвала, выдающий соответствующий электрический сигнал. Датчик 2 своим выходом подключен к одному из входов компаратора 3 и к соответствующим входам двух вычислителей 4 и 5. К другим входам этих вычислителей последовательно через функциональный преобразователь 6 подключен датчик скорости судна (лаг). К входу опорного
сигнала компаратора 3 подключен задатчик 8 масштаба перекладки руля от штурвала, который в общем случае представляет собой источник постоянного (стабилизированного) опорного сигнала. В предложенном варианте исполнения он выполнен в виде переменного резистора, вследствие чего может настраиваться в зависимости от конкретных условий применения системы (тоннаж судна, степень его загрузки, условия плавания и т. д.). Выход компаратора 3 подключен к управляющему входу коммутатора 9, к двум другим альтернативным входам которого подключены соответственно выходы вычислителей 4 и 5. Выход коммутатора 9 подключен к исполнительному приводу 10 руля 11.
Система работает следующим образом.
огр
При повороте штурвала 1 в ту или иную сторону от нулевого положения до максимального значения на датчике 2 пропорционально меняется величина напряжения соответствующего знака. Выдаваемый датчиком электрический сигнал поступает на соответствующие входы компаратора 3, вычислителя 4 и вычислителя 5. Одновременно на другие входы вычислителей 4 и 5 поступает сигнал от функционального преобразователя 6, реализующего функцию δ=f(V) определения допустимой величины угла перекладки руля в зависимости от скорости V судна, поступающей от датчика 7 скорости судна. Таким образом, на каждом из вычислителей сравнивается сигнал φшт, поступивший от датчика 2 углового положения штурвала 1 с сигналом δогр, поступившим от функционального преобразователя 6 и вычисленного по данным датчика 7 скорости судна, при этом вычислитель 4 реализует зависимость:
а вычислитель 5 - зависимость:
руля
где: δ - требуемый угол перекладки руля;
огр
δ - допустимая величина угла перекладки руля;
шт
φ - угол поворота штурвала;
n - требуемая степень "растяжки" штурвала в области малых отклонений (масштаб перекладки руля от штурвала);
шт.макс
φ - максимальный угол поворота штурвала;
шт
sign φ - знак поворота штурвала (влево-вправо);
V - скорость движения судна;
- абсолютная величина φ.
шт
Одновременно на компараторе 3 сравниваются сигналы: опорный от задатчика 8, и равный  и текущий от датчика 2, равный φ. Если сигнал с датчика 2 меньше по абсолютной величине сигнала задатчика 8, то по сигналу, поступаемому от компаратора 3 на управляющий вход коммутатора 9, последний подключает выход вычислителя 4 к входу исполнительного привода 10 руля 11. Если сигнал датчика 2 по абсолютной величине превышает сигнал с задатчика 8, то на исполнительный привод 10 через коммутатор 9 будет поступать сигнал от вычислителя 5. Т.е., вычислители 4 и 5 подключаются к исполнительному приводу 10 альтернативно.
шт
руля
Суть реализованного заявленной системой процесса наглядно показана на фиг.2, где по оси "X" отложен угол φ поворота штурвала, а по оси "Y" угол δ перекладки руля. Изображенная на графике прямая Б'В'ОВБ характеризует свойственную прототипу линейную зависимость между углом поворота штурвала и углом перекладки руля при n=1, когда вычислитель 5 не участвует в работе системы и действует только зависимость первого типа от скорости движения, реализованная с помощью вычислителя 4. Отрезки прямых ОА и АБ, а также ОА' и А'Б' характеризуют зависимость в заявленной системе при n>1, когда на отрезках ОА и ОА' на привод 10 поступает сигнал от вычислителя 4, а на отрезках АБ и А'Б' - от вычислителя 5. Из фиг.2 видно, что
в заявленной и известной системах на один и тот же угол перекладки руля требуется различный угол поворота штурвала, а поскольку в заявленной системе в области до  этот угол больше за счет введенной нелинейности, то и перекладка руля устанавливается точнее, т.е. точность движения судна по курсу будет выше.