СИСТЕМА УМЕРЕНИЯ БОРТОВОЙ КАЧКИ СУДНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ

Полезная модель относится к области судостроения, а именно: к системам автоматического управления движением судна.
Известна система умерения качки судна по крену с использованием пропорционально-дифференциального закона управления («ПД» закона), реализованная в проекте 14310 «Мираж», в которой стабилизация крена базируется на использовании непосредственно измеряемых угловых координат судна (см. статью В.М. Корчанов, А.Г. Маковский, С.М. Суматохин «Проти-воаварийное автоматизированное управление движением скоростных катеров», Труды XXXIV Всероссийской конференции «Управление движением морскими судами и специальными аппаратами», Москва, ИЛУ РАН, 2007 г., стр.36-40).
Применение способа умерения качки с использованием ПД-закона в известной системе стабилизации крена, в котором сигнал угла крена формируется непосредственно датчиком угла крена и измеряется с помехами и шумами, приводит к перегрузкам рулевого привода судна при волнении на море.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близкой к предложенной полезной модели является аппаратура автоматического управления движением судна (см. патент РФ на изобретение №2223197, опубл. 10.02.2004 г., Б.И. №4).
зд
зд
φ
Указанная аппаратура содержит датчик (приемник спутниковой навигации) и задатчик курсового угла, датчик угла перекладки руля, рулевой привод, дифференциатор, динамическую электронную модель углового движения судна и сумматор-регулятор, первый вход которого соединен с выходом задатчика курсового угла. На второй вход сумматора-регулятора поступает сигнал оценки курсового угла с выхода динамической электронной модели углового движения судна, третий вход сумматора-регулятора подключен к выходу датчика курсового угла и к первому входу динамической электронной модели углового движения судна, второй вход которой подключен к датчику угла перекладки руля и к первому входу рулевого привода. На входе сумматора-регулятора формируется сигнал управления угловым движением судна, который заводится на второй вход рулевого привода, механически связанного с датчиком угла перекладки руля. В динамической модели углового движения судна по курсу формируется оценка угла курса, которая поступает на второй вход сумматора-регулятора и через дифференциатор на четвертый вход сумматора-регулятора. В задатчике курсового угла формируется сигнал φ=f(t), который подается на первый вход сумматора-регулятора, на второй вход которого поступает сигнал оценки курса  с выхода электронной динамической модели движения судна (фильтра). На третий вход сумматора-регулятора и на первый вход электронной динамической модели углового движения судна заводится курсовой угол φ с датчика курсового угла, а на четвертый вход сумматора-регулятора поступает продифференцированный сигнал оценки курсового угла  На выходе сумматора-регулятора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля δ.:
.
φ
В рассмотренном прототипе также используется «ПД» закон, но вместо сигнала с датчика угла φ берется его оценка , которая формируется с использованием динамической модели углового движения судна (фильтра). Использование оценок позволяет устранить приведенный выше недостаток при умерении бортовой качки судна, когда вместо курсового угла используется угол крена.
Однако при этом имеет место другой недостаток, который заключается в том, что применение электронной динамической модели углового движения судна возможно только при совпадении математической модели, заложенной в электронную модель, с математическим описанием реально протекающего процесса углового движения судна. А для широкого класса скоростных судов, в том числе для судов на подводных крыльях, параметры математической модели углового движения судна существенно изменяются: на малых скоростях это водоизмещающее судно, а на больших - не водоизмещающее.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача создания такой системы умерения бортовой качки судна на подводных крыльях, при которой исключаются перегрузки исполнительных средств даже при сильном волнении моря, а также повышается точность ее работы.
пр
лев
пр.зд
лев.зд
лев
пр
θ
Поставленная задача решается тем, что предложена система умерения бортовой качки судна на подводных крыльях, содержащая блок датчиков углов поворота бортовых закрылков δ, δ, датчик угла крена θ, блок приводов закрылков правого и левого борта, блок регулятора, электронную динамическую модель углового движения судна по крену (для формирования оценок угла крена ) и блок дифференцирования . На выходе блока регулятора формируются сигналы управления δ и δ углом поворота закрылков правого и левого борта, которые заводятся в блок приводов закрылков правого и левого борта. Сигналы поворота закрылков δ и δ поступают на вход электронной динамической модели углового движения судна по крену и в соответствующие приводы закрылков, механически связанные с блоком датчиков углов поворота закрылков.
θ
пр
лев
Новым в предложенной системе является то, что электронная динамическая модель углового движения судна по крену является адаптивной, параметры которой перестраиваются в зависимости от скорости движения судна V, которая поступает на вход этой модели с датчика скорости судна, а на выходе модели получается оценка угла крена =f(θ, V, δ, δ) методом Калмановской фильтрации и интегральная невязка , которая поступает в блок регулятора для повышения точности работы системы умерения качки по крену, при этом в блоке регулятора формируются законы стабилизации угла крена
1
2
3
где К, К, К - коэффициенты регулирования.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в уменьшении перегрузок исполнительных приводов бортовых закрылков судна при сильном морском волнении и повышении точности работы системы умерения качки судна по крену.
На чертеже представлена схема заявленной системы.
Заявленная система умерения бортовой качки судна на подводных крыльях (см. чертеж) содержит блок датчиков углов поворота закрылков 1, датчик угла крена 2, блок приводов закрылков правого и левого борта 3, блок регулятора 4, адаптивную электронную динамическую модель углового движения судна по крену 5, блок дифференцирования 6 и датчик скорости хода 7.
Выход блока датчиков углов поворота закрылков 1 подключен к первому входу блока приводов закрылков правого и левого борта 3 и к первому входу адаптивной электронной динамической модели углового движения судна по крену 5, второй вход которой подключен к выходу датчика угла крена 2. Первый выход адаптивной электронной динамической модели углового движения судна по крену 5, соответствующий оценке угла крена, соединен с первым входом блока регулятора 4 и с входом блока дифференцирования 6, выход которого подключен ко второму входу блока регулятора 4, выход которого подключен ко второму входу блока приводов закрылков правого и левого борта 3, механически связанного с блоком датчиков углов поворота закрылков 1. Выход датчика скорости судна 7 подключен к третьему входу адаптивной электронной динамической модели углового движения судна по крену 5, второй выход, которой соединен с третьим входом блока регулятора 4. При построении такой системы могут использоваться серийно выпускаемые датчики углов поворота с точностью измерения не хуже 1,5%, штатные рулевые приводы и измерители скорости хода (лаги). Адаптивная электронная динамическая модель углового движения судна по крену 5 и блок дифференцирования 6 могут быть реализованы с применением элементов аналоговой или цифровой элементной базы, в качестве датчика угла крена может быть выбрана гировертикаль, например, МГВ-5.
пр
лев
пр.зд
лев.зд
Система умерения бортовой качки судна на подводных крыльях позволяет уменьшить качку судна по крену, не приводя к существенной перегрузки приводов бортовых закрылков 3 и работает следующим образом. Облегченный режим работы блока приводов закрылков правого и левого борта 3 даже при сильном волнении на море достигается благодаря использованию в законах стабилизации (1б), (1в) сигнала оценки угла крена . Точность стабилизации крена повышается благодаря введению в закон стабилизации крена интеграла от невязки . Для формирования оценки угла крена  на основе метода Калмановской фильтрации и интеграла от невязки  в адаптивную электронную динамическую модель углового движения судна по крену 5 вводятся сигналы: углов поворота закрылков δ, δ из блока датчиков углов поворота закрылков 1, скорости хода судна V с выхода датчика скорости судна 7 для корректировки параметров электронной динамической модели углового движения судна по крену 5, угла крена θ с выхода датчика угла крена 2. В блок регулятора 4 поступают сигналы: оценки угла крена  и интеграла от невязки  из адаптивной электронной динамической модели углового движения судна по крену 5, производной от оценки угла крена  из блока дифференцирования 6. Сигналы с выхода блока регулятора 4 поступают в блок приводов закрылков правого и левого борта 3. При появлении угла крена судна на выходе блока регулятора 4 (сумматора) формируется закон управления правым закрылком δ (1б) и закон управления левым закрылком δ (1в), умеряющие качку судна по крену.