ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РУЛЕВОЙ ПРИВОД ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СУДОВ

Предлагаемая полезная модель относится к судостроению, в частности к рулевым приводам для создания поперечной силы, обеспечивающей управление движением судна по курсу, например, для поворота руля судна в заданное положение.
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 требования еще более жесткие.
Известен предназначенный для судовождения рулевой привод, состоящий из последовательно соединенных усилительно-преобразующего блока и рулевой машины (рулевого агрегата), сигналы гибкой и жесткой обратной связи с которой через схему сравнения (сумматор) 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, стр.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.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенной полезной модели является привод для управления рулем скоростного судна, содержащий два усилительно-преобразующего блока, связанных через электронные ключи, подключенные к внешним сигналам 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, соединенных 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.468739.001Э3 в авторулевом АР «АГАТ-М» АПТЛ.4612224.001 с рулевым агрегатом типа РА-3 (РА3-000 ТУ) изготовления ОАО ПМЗ «Восход», который успешно эксплуатируется с 1997 года.)
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 известного 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, автоматизированную настройку привода и добиться 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 ограничено из-за возможных помех расстояние до источника и приемника аналогового сигнала заданного и текущего положения руля.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача устранения перечисленных недостатков известного аналогового привода и создание двухканального цифрового электрогидравлического привода для высокоскоростных судов.
Поставленная задача решается тем, что предложен 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 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, который подключен к первым входам усилительно-преобразующих блоков, вторые входы которых соединены с выходом датчика обратной связи электрогидравлического усилителя рулевого агрегата, входы запитки датчиков обратной связи которого подключены к выходам соответствующих усилителей, подключенных к генератору синусоидального напряжения, третьи входы усилительно-преобразующих блоков подключены к соответствующим шинам входных сигналов заданного положения руля, а управляющие входы электронных ключей подключены к соответствующим шинам внешних сигналов отключения каналов привода.
Новым в предложенном устройстве является то, что усилительно-преобразующие блоки каналов привода выполнены в виде 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 микроконтроллеров для запитки датчиков обратной связи рулевого агрегата подключены ко входам усилителей запитки через электронный переключатель, управляющий вход которого соединен с выходом сигнала самоконтроля первого микроконтроллера, который подключен также к управляющему входу первого электронного ключа и к первому входу логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу сигнала самоконтроля второго микроконтроллера, к четвертому входу первого микроконтроллера и к управляющему входу второго электронного ключа, выход элемента ИЛИ является выходом сигнала самоконтроля привода, третий вход каждого из микроконтроллеров подключен к шине сигналов заданного и текущего положения руля через приемо-передатчик цифрового двунаправленного канала связи, пятый вход второго микроконтроллера подключен к выходу однонаправленного цифрового интерфейса первого микроконтроллера, а первые и вторые микроконтроллер, электронный ключ и приемо-передатчик образуют соответственно первый и второй канальные вычислители привода.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в получении большей точности отработки приводом заданных значений и более стабильных характеристик привода, возможности автоматизации его поканальной настройки через цифровые интерфейсы, придании приводу большей гибкости и универсальности за счет возможности изменения характеристик привода программным путем, возможности удаления источника и приемника цифрового сигнала от привода и сохранении его динамических характеристик при отказе одного из вычислителей привода, а также в отключении отказавшего канала привода по сигналу самоконтроля.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного устройства.
Заявленное устройство содержит выполненные в виде цифровых микроконтроллеров усилительно-преобразующие блоки 1, соединенные с соответствующими электронными ключами 2 и приемо-передатчиками 3 цифровых каналов связи 4, образующих два дублирующих друг друга канальных вычислителя 5 и 6 привода. Каждый из вычислителей каналов 5 и 6 привода по сигналам управления 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 входы микроконтроллеров 1 вычислителей привода 5 и 6, связанных друг с другом однонаправленным цифровым каналом связи 14 и сигналами самоконтроля, при этом сигнал самоконтроля с выхода микроконтроллера 1 вычислителя привода 5 дополнительно поступает на первый управляющий вход электронного ключа 2 вычислителя 5, на управляющий вход электронного переключателя 15 и на первый вход логического элемента ИЛИ 16, а сигнал самоконтроля микроконтроллера 1 вычислителя привода 6 дополнительно поступает на первый управляющий вход электронного ключа 2 вычислителя привода 6 и второй вход логического элемента ИЛИ 16. Синусоидальные напряжения запитки датчиков обратной связи 10 и 13 с выходов микроконтроллеров 1 вычислителей 5 и 6 подключены к соответствующим входам электронного переключателя 15, подключенного к входам датчиков обратной связи 10 и 13 рулевого агрегата 8 через усилители 17 и 18 соответственно. На вторые управляющие входы электронных ключей вычислителей привода 5 и 6 поданы внешние сигналы 19 и 20 отключения первого и второго каналов привода, например, из пульта управления авторулевого или из его канальных вычислителей, а сигнал 21 с выхода логического элемента ИЛИ является сигналом самоконтроля привода вцелом.
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 цифровым каналам связи 4, в качестве которых могут служить стандартные каналы связи типа RS-485, Манчестер 2 или CAN. Эти сигналы поступают на вход каждого из микроконтроллеров 1 вычислителей привода 5 и 6. Микроконтроллеры 1 вырабатывают усиленные сигналы управления заслонками электромеханического преобразователя 7 электрогидравлического усилителя 11 рулевого агрегата 8, которые вначале поступают на входы электронных ключей 2 вычислителей привода 5 и 6.
В случае исправности микроконтроллеров 1 и отсутствии внешних сигналов отключения каналов привода, сигналы управления с выхода электронных ключей 2 создают ток в обмотках электромеханического преобразователя, 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 каждом из микроконтроллеров 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 электрогидроусилителя 11 и соответствующему перемещению золотника гидрораспределителя 9. Перемещаясь, золотник, во-первых, воздействует на датчик обратной связи 10, который выдает в микроконтроллеры 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 микроконтроллеры 1 сигналы обратной связи контура рулевого агрегата, пропорциональные перемещению поршня гидродвигателя 12. Сигналы обратной связи с датчиков 10 и 13, поступающие в микроконтроллеры 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 становятся 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 рулевым агрегатом 8 канала при остановке привода будет всегда нулевой сигнал.
Датчики обратной связи 10 и 13 рулевого агрегата 8 запитываются через соответствующие усилители 17 и 18 синусоидальным напряжением, вырабатываемым микроконтроллерами 1 вычислителей привода 5 и 6 через электронный переключатель 15, управляемый сигналом самоконтроля вычислителя 5 первого канала привода. В случае неисправности вычислителя 5 первого канала срабатывает электронный переключатель 15 и ко входам обоих усилителей запитки 17 и 18 подключает синусоидальное напряжение с микроконтроллера 1 вычислителя 6 второго канала привода. В случае исправности вычислителя 5 первого канала привода микроконтроллер 1 этого канала по цифровому интерфейсу 14, в качестве которого может служить интерфейс I2C, передает в микроконтроллер 1 вычислителя 5 второго канала оцифрованные сигналы обратных связей с датчиков 10 и 13 рулевого агрегата 8. При отказе вычислителя привода 5, микроконтроллер 1 вычислителя привода 6 самостоятельно оцифровывает сигналы с выхода датчиков 10 и 13, при этом с помощью электронного ключа 2 сигнал управления первого канала отключается от соответствующей обмотки электромеханического преобразователя 7 и привод переходит на одноканальное управление рулевым агрегатом 8, при котором микроконтроллер 1 вычислителя 6 поднимает в два раза передаточный коэффициент по току управления для сохранения динамических характеристик привода. При отказе вычислителя привода 6 привод переходит на одноканальное управление от первого канала с той лишь разницей, что теперь в два раза увеличивает передаточный коэффициент вычислитель привода 5. В качестве сигналов управления и запитки датчиков 10 и 13 рулевого агрегата 8 могут служить ШИМ-сигналы соответствующих параметров, легко вырабатываемые современными микроконтроллерами. Сигнал отказа всего привода формируется на выходе логического элемента ИЛИ 16 в случае одновременного отказа обоих каналов привода.
Таким образом, суть реализованного в полезной модели технического решения заключается, по существу, в использовании вместо аналоговых элементов в каналах привода цифровых микроконтроллеров, что сопровождается всеми известными преимуществами цифровизации, главными из которых являются гибкость, стабильность характеристик, более высокая точность отработки приводом заданных значений, самоконтроль, а также сохранение динамических характеристик привода при отказе одного из его каналов.