СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА, УЧИТЫВАЮЩАЯ МОРСКОЕ ВОЛНЕНИЕ

Предлагаемая полезная модель относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна.
Известен способ и система автоматического управления движением судна по заданному направлению, реализованная в «Системе автоматического управления судном», (RU 2240953 C1, 27.11.2004). Система управления движением судна использует информацию от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, блока заданного значения курсового угла и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла 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 путевого угла в процессе плавания из точки «А» в точку «Б», затем «В»… по заданному маршруту.
Недостатками существующих систем управления движением судна являются:
- появление ошибки по углу курса при движении по взволнованному морю,
- перегрузка рулевого привода при движении по взволнованному морю,
- при наличии поперечных внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания, появляется ошибка в направлении движения судна по курсу относительно заданного курса,
Предложенная аппаратура управления лишена этих недостатков.
Техническим результатом, предлагаемой полезной модели является:
- восстановление (выработка) оценок фазовых координат судна и внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания,
- выработка и введение сигналов восстановленных оценок внешних возмущений в закон управления движением корабля (что позволило повысить точность управления движения судна и снизить загрузку рулевого привода),
- повышение экономичности управления движением и безопасности проводки судна в узкостях.
Технический результат достигается тем, что система автоматического управления движением (САУД) судна, учитывающая морское волнение, содержит датчик руля δ, рулевой привод, датчик угловой скорости ω, датчик угла куса φ, задатчик угла курса φзд., и сумматор, к входу которого подключены: датчик руля δ и задатчик угла курса φзд., выход сумматора подключен к входу рулевого привода. Дополнительно содержит фильтра оценки угла курса φ, фильтр оценки угловой скорости ω, датчик угла дрейфа β и два инерционных звена, к входам первого инерционного звена подключены выход фильтра оценки угловой скорости ω и датчик угловой скорости ω, к входам фильтра оценки угловой скорости ω подключены датчик руля δ, датчик угловой скорости ω, датчик угла дрейфа β, на выходе фильтра оценки угловой скорости - ω, формируется оценка ω вида:
где: ω - угловая скорость (с датчика угловой скорости со),
φ - угла курса (с датчика угла курса φ),
δ - угол перекладки руля (с датчика руля δ),
β - угол дрейфа (с датчика угла дрейфа β),
K1-K3 - гидродинамические коэффициенты судна,
Кк - коэффициент Калмановской фильтрации,
при этом датчик угла курса φ и выход фильтра оценки угловой скорости ω подключены к входу фильтра оценки угла курса φ, в фильтре формируется оценка φ:
где ω - оценка угловой скорости - ω (с выход фильтра оценки угловой скорости ω),
φ - угла курса (с датчика угла курса φ),
К1 - коэффициент Калмановской фильтрации,
к входу сумматора подключены выходы фильтра оценки угла курса φ, фильтра оценки угловой скорости ω, первого инерционного звена, в котором формируется инерционная невязка от оценки угловой скорости ω вида: Kω(ω-ω)/(Tωp+1),
второго инерционного звена, на выходе которого формируется инерционная невязка от оценки угла курса φ: Kφ(φ-φ)/(Tφp+1), на выходе сумматора формируется закон управления рулевым приводом:
где: ###U240 - угол перекладки руля, (с датчика руля ###U240),
φ - значение оценки угла курса, (с фильтра оценки угла курса φ,),
φзд. - заданный угол курса, (с задатчика угла курса φзд),
ω, ω - угловая скорость и оценка угловой скорости, ω - с датчика угловой скорости ω, ω - с фильтра оценки угловой скорости ω,
Ki - коэффициенты регулирования,
Tω. φ - постоянные времени первого и второго инерционных
звеньев,
Кω(ω-ω)/(Tωp+1) - инерционная невязка оценки угловой скорости ω, (с первого инерционного звена),
Кφ(φ-φ)/(Tφp+1) - инерционная невязка оценки угла курса φ (с второго инерционного звена).
Этот технический результат достигается благодаря:
- использованию оценок угловой скорости и оценок угла курса в законе управления,
- формированию сигналов инерционной невязки оценки угла курса и оценки угловой скорости (восстановлению оценки внешних возмущений, действующих на судно),
- введению сигналов инерционной невязки оценки угла курса и инерционной невязки оценки угловой скорости в законе управления.
Описание работы САУД
ω
φ
зд
На чертеже приведена блок-схема разработанной САУД, содержащая: 1. датчик руля δ; 2. два датчик угловой скорости ω; 3 датчика угла курса φ.; 4 фильтр оценки угловой скорости - ; 5. фильтр оценки угла курса ; 6. сумматор; 7. задатчик угла курса φ.; 8. рулевой привод; 9. объект управления - судно; 10. первое инерционное звено; 11. второе инерционное звено.
В существующих САУД судна обычно используют «ПД» закон управления:
.,
Из сравнения зависимостей (3a) и (3) следует, что отличие отпредложенного закона (3) в рассматриваемой заявке это:
φ
ω
- вместо информации о направлении движения по углу курса - φ и угловой скорости - ω, сильно зашумленной при неспокойном море (см. фиг. датчики. - 2., - 3), используются их оценки, которые вырабатываются двумя фильтрами оценок ,  (см. блоки - 4., - 5 - восстановленные оценки внешних возмущений,
- восстановленные оценки внешних возмущений (эти добавления ранее не применявшиеся):
.
φ
ω
в качестве оценок внешних возмущений по зависимости (4.) приняты инерционные невязки по оценок угла курса (φ-) и инерционные невязки по оценок угловой скорости (ω-).
Использование закона (3.) вместо закона (3а) позволило:
- снизить загрузку рулевого привода при плавании по взволнованному морю,
- повысить точность стабилизации генерального курса судна,
- восстановление оценок внешних возмущений и введение их в закон управления(3). приблизило управление к астатическому при взволнованном море.
Рассмотрим как работает система управления с использованием закона (3).
Формирование закона управления (3) осуществляется в сумматоре (6), на вход которого вводится:
- сигнал угла перекладки руля - δ, с датчика руля - 1.,
ω
ω
- сигнал оценки угловой скорости - , с фильтра оценки угловой скорости  -4.,
φ
φ
- сигнал оценки угла курса - , с фильтра оценки угла курса - , - 5.
φ
φ
φ
- сигнал инерционной невязки оценки угла курса- К(φ-)/(Тp+1) первого инерционного звена - 10,
ω
ω
ω
- сигнал инерционной невязки оценки угловой скорости - K(ω-)/(Tp+1), с второго инерционного звена - 11.
ω
φ
Рассмотрим формирование сигналов , .
ω
ω
Оценка угловой скорости -  вычисляется в фильтре оценки угловой скорости  - 4., в который в соответствие с зависимостью (1), введены:
- сигнал угла перекладки руля - δ с датчика руля - 1. сигнал угловой скорости - ω, с датчика угловой скорости ω - 2.
φ
φ
ω
ω
Оценка угла курса -  вычисляется в фильтре оценки угла курса  - 5., в соответствие с зависимостью (2), в который введены сигнал угла курса - φ., с датчика угла курса φ - 3., и сигнал оценки угловой скорости - , с фильтра оценки угловой скорости . - 4
Таким образом, с использованием предлагаемой САУД осуществляется автоматическое управление движением судна по заданному генеральному курсу с компенсацией внешних возмущений при взволнованном море.