СИСТЕМА ВЗАИМОСВЯЗНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ

Предлагаемая полезная модель (далее система) относится к устройствам автоматизации судовождения для выполнения режимов желаемого управляемого движения, например, при ведении в районах моря научно-исследовательских, подводно-технических работ, характеризуемых условиями необходимой координации управления при ограничениях на параметры желаемого маневрирования транспортного судна в районе терминала (аппарата).
Известен «Способ управления судном без хода» (Авт св. СССР №766958, МПК B63H 25/04, опубл 30.09.1980), в котором управляющие воздействия на носовое и кормовое подруливающие устройства (технические средства движения - ТСД) подают раздельно: на носовое - в течение времени снижения текущего курса и смещений судна до их допустимых значений, а на кормовое - в момент нахождения его упора в направлении диаметральной плоскости, после чего отклоняют кормовое средство от диаметральной плоскости судна на угол, равный разности между заданным углом курса и углом действия ветроволнового возмущения и устанавливают значение его упора, равным амплитуде действующего возмущения. Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются подача управляющих воздействий на носовые и кормовые ТСД с целью выполнения режимов желаемого управляемого движения.
Известна «Система динамической стабилизации судна» (Авт. св. СССР №1308040, G05D 1/00, опубл. 23.08.1985), в которой с целью повышения точности стабилизации судна относительно точки (координат заданного подводного объекта) и уменьшения расходуемых энергозатрат формируются управляющие силы и момент, противодействующие гидродинамическим и аэродинамическим воздействиям на судно ветроволновых возмущений и морского течения. В вычислительном блоке системы, содержащем блоки фильтрации, определения продольной и поперечной возмущающих сил, формирования управляющих воздействий, блоки исполнительных органов ТСД, датчиков обратной связи и блок угла действия возмущений, по информации систем измерения координат местоположения и устройств формирования траектории (УФТ) движения вырабатываются желаемые управляющие сигналы на приведение в действие судовых ТСД. При этом в блоке угла действия возмущений генерируется сигнал ориентации судна против результирующего вектора внешних возмущений, что приводит к снижению требуемой мощности стабилизации судна относительно заданной точки. Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются устройство формирования траектории, вычислители-формирователи управляющих воздействий (блоки формирования управляющих воздействий).
В качестве прототипа принят «Способ швартовки судна» (Патент России №2330789, МПК B63H 25/04, опубл 10.08.2008). В рассматриваемом способе в качестве судовых ТСД используют рулевой привод, носовое подруливающее устройство и регулятор оборотов гребного винта судна, управление которыми формируют с использованием информации от судовой навигационной системы (СНС) измерения координат местоположения судна, гидроакустической системы (ГАС) определения координат подводного терминала, устройства формирования траекторий (УФТ) движения, блока маневрирования и заданной точки швартовки, а также данных об изменении длины текущего вектора путевого угла, организуя управление по курсу и скорости судна в процессе его швартовки. Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются УФТ движения, блок маневрирования. Прототип является близким по назначению устройством.
К недостаткам аналогов и прототипа относится:
- отсутствие возможности проведения координации использования судовых ТСД при заданных требованиях и параметрах маневрирования транспортного судна-газовоза относительно подводного терминала (аппарата) при ведении работ в акватории моря;
- использование при управлении только текущих значений изменения параметров курса и смещений транспортного судна без их сопоставления с параметрами движения относительно терминала (аппарата), что снижает эффективность используемых ТСД при выполнении необходимых маневров;
- невозможность применения ТСД в режиме отслеживания относительного расположения транспортного судна и терминала для обеспечения желаемого движения при ограничениях на изменение заданной дистанции безопасного маневрирования.
В предлагаемой системе отмеченные выше недостатки устраняются благодаря обеспечению:
- формирования величины безопасной дистанции совместного маневрирования;
- вычисления текущих значений дистанции маневрирования при одновременном использовании данных от судовой навигационной системы измерения координат местоположения транспортного судна и от гидроакустической системы определения координат подводного терминала (аппарата);
- взаимосвязного управления судовыми ТСД в следящем режиме отработки сигналов разности между текущей и заданной безопасной дистанциями желаемого маневрирования.
Задачей предлагаемой системы взаимосвязного управления является аппаратно-программная реализация требований по повышению качества и безопасности ведения в море грузовых операций с использованием подводных терминалов, проведения научно-исследовательских работ, характеризуемых условиями необходимой координации управления при ограничениях на параметры желаемого маневрирования.
Технический результат состоит в минимизации времени маневрирования судов-газовозов относительно подводных терминалов, обеспечении желаемого маневрирования судна и подводного аппарата при действии внешних возмущений морской среды, минимизации расходуемой мощности судовой электростанции при работе технических средств движения (ТСД).
На фиг.1 приведена блок-схема системы взаимосвязного управления.
На фиг.2 показано взаимное расположение при маневрировании.
На фиг.3 показан процесс управления при изменении траектории движения судна относительно подводного аппарата.
Система взаимосвязного управления содержит устройство 1 формирования траекторий (УФТ) движения относительно подводного аппарата, блок 2 маневрирования, первый 3 и второй 4 вычислитель-формирователь сигналов, функциональный блок 5, блок 6 судовых носовых и кормовых исполнительных приводов технических средств движения (ТСД), блок 2 маневрирования выполнен с возможностью подключения СНС и ГАС и формирования сигналов наклонной дальности терминала от судна и текущей дистанции между ними, первый вычислитель-формирователь 3 сигналов выполнен с возможностью подключения СНС и формирования сигнала вариации дистанции в виде алгебраической разности между текущей и желаемой дистанциями безопасности, второй вычислитель-формирователь 4 сигналов выполнен с возможностью формирования вектора координации работы судовых носовых и кормовых исполнительных приводов блока ТСД, функциональный блок 5 выполнен с возможностью формирования значений заданных оборотов судовых исполнительных носовых и кормовых приводов блока 6 ТСД, сигналов следящего управления продольным и поперечным движением транспортного судна, сигналов коррекции оборотов носовых и кормовых приводов, блок 6 судовых носовых и кормовых исполнительных приводов ТСД выполнен с возможностью формирования управляющих сил.
Выход УФТ 1 движения подключен к первому входу первого вычислителя-формирователя 3 сигналов, первый выход блока 2 маневрирования подключен ко второму входу первого вычислителя-формирователя 3 сигналов, второй выход блока 2 маневрирования подключен к третьему входу первого вычислителя-формирователя 3 сигналов, выход которого подключен к входу второго вычислителя-формирователя 4 сигналов, выход второго вычислителя-формирователя 4 сигналов подключен к первому входу функционального блока 5, первый и второй выходы функционального блока 5 подключены к первому и второму входу блока 6 судовых носовых и кормовых исполнительных приводов ТСД, выход которого подключен ко второму входу функционального блока 5.
На фиг.1 также обозначены: судно 7, подводный терминал (аппарат) 8, судовая навигационная система (СНС) 9 измерения координат местоположения судна, система гидроакустическая ГАС 10 определения координат подводного терминала (аппарата) 8.
а
0
01
c
ПН
На фиг.2 показано взаимное расположение при маневрировании обеспечивающего судна 7 и подводного терминала (аппарата) 8 в вертикальной плоскости () относительно дна и в проекции на горизонтальную (б) плоскость движения, когда заданная S(t) дистанция между ними характеризуется в горизонтальной плоскости параметром S(t), a траектории желаемого маневрирования обозначены: для обеспечивающего судна как L(t) - пунктирное отображение судна на траектории, а для терминала (аппарата) - L(t).
Предложенная система функционирует (фиг.1) следующим образом.
01
До начала процесса маневрирования в районе работ в момент времени t=0 в первом вычислителе-формирователе 3 формируют требуемое значение дистанции безопасности режима желаемого маневрирования, например, S(T)=500 м, где T - заданное время ведения работ; назначают условие безопасности совместного маневрирования в виде
01
где S(t) - текущая дистанция.
c
0
В блоке 2 маневрирования системы с одновременным использованием данных от СНС 9 измерения координат местоположения транспортного судна на траектории L(t) и от ГАС 10 определения координат подводного терминала (аппарата) 8 вычисляют контролируемое в процессе маневрирования судна 7 текущее значение (фиг.2) наклонной дистанции S(t) согласно соотношению
c
c
ПН
ПН
ПН
ПН
где X(t), Z(t), X(t), Z(t), h - координаты текущего местоположения транспортного судна 1 в продольной и поперечной плоскости и подводного терминала (аппарата) 8 в районе работ в море, h(t) - текущее значение глубины подводного терминала (аппарата) 8.
Описание функционирования системы.
В отличие от известных устройств реализация предложенной системы (фиг.1) производится в определенной последовательности функционирования ее алгоритмических блоков для формирования управлений работой судовых ТСД с момента начала движения транспортного судна 7 относительно подводного терминала (аппарата) 8 (фиг.2).
ПН
1. Заданную в блоке УФТ 1 траекторию желаемого горизонтального относительного движения L(T) преобразуют в первом вычислителе-формирователе сигналов 3 в совокупность стыкуемых в процессе движения i-тых отрезков траектории, определяемых уравнениями
xЕПН
zЕПН
i
ПНi
ПНi
i
i
i
где V(t), V(t) - соответственно "северная" и "восточная" составляющие скорости относительного движения в земной системе координат (X, Z); T - время движения на i-том отрезке траектории; X(t), Z(t) - координаты точек текущего отрезка траекторий; A, B, C - коэффициенты задания i-того отрезка траектории.
ПН
0
01
2. В блоке 2 маневрирования системы по сигналам от СНС 9 измерения координат местоположения транспортного судна и от ГАС 10 определения координат подводного терминала (аппарата) 8 вырабатывают нформацию об изменении параметров движения судна 7 по скорости и направлению движения на заданной траектории L(T). Затем формируют сигнал о значении наклонной дальности S(t) по выражению (2), который передают в первый вычислитель-формирователь сигналов 3 с целью контроля текущего значения параметра S(t), определяемого из выражения
01
Сигнал S(t) передают в первый вычислитель-формирователь 3.
01
0
01
0
01
01
3. В первом вычислителе-формирователе 3 сигналов: устанавливают требуемое на период времени T значение дистанции безопасности S(T) между судном 7 и подводным терминалом (аппаратом) 8; обрабатывают полученные в блоке маневрирования 2 сигналы S(t), S(t), фиксируют и контролируют значение S(t), а текущее значение S(t) сравнивают с заданным значением S(T). По результатам сравнения определяют текущее значение ΔS(t) вариации изменения дистанции безопасности из соотношения
Сигнал вариации ΔS(t)  вводят во второй вычислитель-формирователь 4 сигналов для выработки управлений на приведение в действие судовых технических средств движения ТСД 6 для обеспечения движения транспортного судна 7 при маневрировании (швартовке) в продольном, поперечном направлении и по курсу.
0
01
0
c
η
x
z
4. Во втором вычислителе-формирователе 4 сигналов: на период текущего времени t⊂T устанавливают ограничение ΔS  как допустимое значение вариации ΔS(t) в обеспечение условия безопасности (1) маневрирования транспортного судна 7 относительно подводного терминала (аппарата) 8; обрабатывают сигналы ΔS(t) и S(t), и как только вариации ΔS(t) по соотношению (5) превышают ограничение ΔS, формируют для обеспечения движения судна 7 по траектории L(t) сигналы вектора координации η(t)=f(U; U) работы судовых исполнительных приводов технических средств движения ТСД 6 в виде функционалов:
в продольном направлении движения
и в поперечном направлении
тр
xтр
тр
zтр
где x, V, z, V - параметры положения и скорости траекторного движения судна 7.
x
z
ПН
ПН
c
5. В функциональном блоке 5 выработанные сигналы координации (6), (7) преобразуют в сигналы управления U(t), U(t) для перевода судовых исполнительных технических средств движения - ТСД в «следящий» режим работы на основе принципа отработки разности между текущими X(t), Z(t) и заданными ,  значениями траекторных координат подводного терминала (аппарата) 8, что и обусловливает движение обеспечивающего судна 7 по желаемой взаимосвязной траектории L(t).
x
z
Сигналы управления U(t), U(t) формируют, например, в виде
6. Также в функциональном блоке 5 в случае существования вариаций ΔS(t) по условию (5) вырабатывают сигналы коррекции
где ,  - соответственно обороты судовых исполнительных приводов технических средств движения ТСД в продольном и поперечном направлениях движения обеспечивающего транспортного судна.
c
7. Судовые исполнительные носовые и кормовые привода технических средств движения ТСД 6 по сигналам (8), (9) функционального блока 5 создают необходимые управляющие силы ТСД в продольном и поперечном направлении движения и моменты для управления судном по курсу и тем самым поддерживают движение судна 7 на траектории L(t) до тех пор, пока на отрезке времени Т работ, заданном в устройстве формирования траекторий движения ФТС 1 движения, требуется обеспечивать реализацию условия (1).
Предложенную последовательность создания управляющих воздействий ТСД в продольном, поперечном направлении движения обеспечивающего судна 7 и по курсу производят в течение заданного отрезка времени Т и повторяют для его нового значения.
На фиг.3 приведен пример использования предложенной системы для процесса управления при изменении траектории движения транспортного судна 7 относительно подводного аппарата 8.
01
0
01
0
Взаимное расположение управляемых объектов показано в виде схемы-диаграммы, иллюстрирующей в моменты времени t положение объектов управления в проекции на горизонтальную плоскость движения X, Z, где Z - координата поперечного смещения обеспечивающего судна 7 и подводного аппарата 8. На схеме показан результат желаемого маневрирования, когда при t=0 установлено значение дистанции безопасности S(t)=500 м. При этом процесс взаимосвязного управления характеризуется на отрезке T=2000 с заданного времени маневрирования диаграммой последовательных, через интервал времени 250 с, точек взаимного расположения судна 7 и аппарата 8 на траекториях движения. Управляющие воздействия ТСД, сформированные системой, обеспечивают управление движением судна 7 так, что дистанция между одноименными по времени точками представленных траекторий равняется заданной величине S(t)=500 м с допустимой погрешностью.
Перечень исполняемых операций при реализации предложенной системы по фиг.1 на примере совместного движения обеспечивающего судна и подводного аппарата
1. В блоке УФТ 1 движения:
ПН
- устанавливают значение параметра T - времени ведения совместных работ в море при маневрировании на заданной траектории L(T) подводного аппарата 8 по скорости и направлению движения;
ПН
- устанавливают значение параметра t, исходя из заданного значения времени T;
ПН
- формируют траекторию L(T), исходя из желаемой программы маневрирования относительного подводного аппарата (терминала) 8.
2. В блоке маневрирования 2:
- обрабатывают от систем 9, 10 текущие параметры движения судна 7 и подводного аппарата 8;
- оценивают их изменения для значений времени t⊂[0, T];
- рассчитывают значения:
0
01
наклонной дальности S(t) по выражению (2) текущей дистанции безопасности S(t)
3. В первом вычислителе-формирователе 3 сигналов:
ПН
xЕПН
zЕПН
i
ПНi
ПНi
i
i
i
- обрабатывают и преобразуют параметры траектории L(T) к виду системы (3) уравнений отрезков, когда учитывают также параметры V(t), V(t) - соответственно "северную" и "восточную" составляющие скорости движения в земной системе координат (X, Z), где T - время движения на i-том отрезке траектории; X(t), Z(t) (t) - координаты точек текущего отрезка траекторий; A, B, C - коэффициенты задания i-того отрезка траектории;
01
- устанавливают требуемое на период времени T значение S(T) дистанции безопасности и обрабатывают сигналы от системы 10 о параметрах движения относительно подводного терминала (аппарата) 8;
0
01
- обрабатывают и преобразуют сигналы S(t), S(t);
0
- фиксируют и контролируют текущее значение S(t);
01
01
- сравнивают текущее значение S(t) с заданным значением S(T);
- определяют вариации ΔS(t) по соотношению (5).
Сигнал вариаций ΔS(t) вводят во второй вычислитель-формирователь 4 сигналов для выработки управлений на приведение в действие судовых технических средств движения ТСД 6 для обеспечения движения транспортного судна 7 в продольном, поперечном направлении и по курсу.
4. Во втором вычислителе-формирователе 4 сигналов:
0
- устанавливают ограничение ΔS как допустимое значение вариации ΔS(t) в обеспечение условия безопасности (1) маневрирования судна относительно подводного аппарата;
0
0
c
η
x
z
- обрабатывают, сравнивают с ограничением ΔS введенные из первого вычислителя-формирователя 3 сигналы ΔS(t) и при превышении ограничения ΔS формируют для обеспечения движения судна 7 по траектории L(t) вектор координации η(t)=f(U; U) работы судовых исполнительных приводов технических средств движения блока ТСД 6 в виде функционалов:в продольном направлении движения по выражению (8) и в поперечном направлении по выражению (9);
c
ПН
- рассчитывают по выражению (11) упреждение Δt по времени начала маневрирования судна на траектории L(T) для отслеживания траектории относительного движения L(T)
5.В функциональном блоке 5:
η
x
z
- преобразуют сигналы вектора координации η(t)=f(U; U) в сигналы по выражению 10 для перевода судовых носовых и кормовых исполнительных технических средств движения блока ТСД 6 в «следящий» режим работы;
x
z
- обрабатывают текущие значения n(t), n(t) оборотов судовых носовых и кормовых исполнительных приводов 6 блока ТСД;
- вырабатывают сигналы (8) коррекции  в виде:
x
z
xзад
zзад
где соответственно n(t), n(t) - текущие и n, n - заданные обороты судовых носовых и кормовых исполнительных приводов технических средств движения блока ТСД 6 в продольном и поперечном направлениях движения обеспечивающего транспортного судна 7.
6. Судовые исполнительные носовые и кормовые привода технических средств движения блока ТСД 6 по сигналам (12), (13) функционального блока 5 создают необходимые управляющие силы ТСД:
x
- T(t) в продольном направлении движения судна 7;
z
- T(t) в поперечном направлении движения судна 7;
φ
- M(t) по управлению курсом судна 7,
c
что в режиме контроля за маневрами относительно подводного аппарата 8 обеспечивает движение судна 7 (фиг.2) на траектории L(t) до тех пор, пока на отрезке времени Т работ требуется реализация условия (1) безопасности ведения совместных работ в море.
Предложенную последовательность создания управляющих воздействий ТСД в продольном, поперечном направлении движения обеспечивающего судна 7 и по курсу производят в течение заданного отрезка времени Т маневрирования подводного аппарата 8 и повторяют для его нового значения.
Имитационное моделирование процессов функционирования системы взаимосвязного управления движением показало, что использование предложенной полезной модели обеспечивает желаемое маневрирование в районе работ обеспечивающего судна 7 относительно подводного терминала (аппарата) 8.
При этом достигаются следующие технико-экономические показатели:
- ведение в море грузовых операций с минимизацией времени относительного маневрирования судов-газовозов с использованием подводных терминалов;
- проведение научно-исследовательских работ, характеризуемых условиями необходимой координации управления при ограничениях на параметры желаемого маневрирования обеспечивающего судна и подводного аппарата и действии внешних возмущений морской среды;
- рациональное использование судовых технических средств движения (ТСД) в задачах координированного управления с целью минимизации расходуемой мощности судовой электростанции.
Применение системы в режимах транспортной перевозки углеводородов с морских месторождений позволяет обеспечить безопасность, требуемые качество и эффективность совместных работ в режимах обеспечения эксплуатации транспортных судов-газовозов.