СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА С ЭЛЕКТРОННОЙ МОДЕЛЬЮ ДВИЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области судостроения - автоматическому управлению движением судна по заданному направлению.
Известна система автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованная в «Системе автоматического управления движением судна», (RU 2248914 C1, 27.03.2005). Управление движением судна основано на использовании информации от датчика путевого угла, задатчика путевого угла, и сумматора, в котором с использованием сигналов текущего путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна формируют результирующий сигнал для управления рулевым приводом судна.
Известен также способ автоматического управления движением корабля с использованием динамической модели углового движения корабля. (RU 2223197 C1, 10.02.2004, принятый в качестве прототипа). «Аппаратура автоматического управления движением судна», содержащая задатчик курсового угла, датчик угла перекладки руля, приемник спутниковой навигационной системы (СНС), рулевой привод, дифференциатор и сумматор, первый вход которого соединен с выходом задатчика путевого угла, выход приемника СНС соединен с вторым входом сумматора, к третьему входу которого подключен выход датчика угла перекладки руля, выход сумматора соединен с входом рулевого привода, четвертый вход сумматора соединен с выходом динамической модели углового движения судна.. На выходе динамической модели движения судна - фильтре формируется оценка угла курса. Сигнал оценки угла курса алгебраически суммируется с сигналом угла курса, получаемого с выхода приемника СНС. Разность этих сигналов вводится на вход динамической модели движения судна-фильтра. Таким образом, в широко распространенной системе управления движением судна формируют следующие сигналы для обеспечения автоматического управления движением судна..
зд.
ϕ
ϕ
В задатчике угла курса формируют сигнал - ϕ=f(t), который вводят на вход сумматора, на второй вход которого поступает сигнал оценки угла курса - . Сигнал оценки -  поступает с выхода электронной (динамической) модели движения судна Для формирования оценки угла курса на вход электронной модели движения корабля вводят сигнал угла перекладки руля δ от датчика рулевого привода и сигнал невязки с выхода электронной модели движения судна и датчика курса:
ϕ
K(ϕ-)
зд
На выходе сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля - δ):
.
ϕ
где , сигнал оценки угла курса, с выхода фильтра оценки угла курса
зд.
δ - сигнал заданного угла перекладки руля, который с выхода сумматора поступает на вход рулевого привода.
Недостатками, рассмотренной системы являются:
- использование сильно упрощенной математической модели движения судна, что не позволяет устанавливать такие системы на средне тоннажные суда и крупные танкеры,
- вырабатываемые оценки фазовых координат управления существенно отличаются от измеренных значений, что приводит к снижению качества автоматического управления,
- не применимы для использования на судах параметры математической модели движения которых изменяются в процессе плавания.
Техническим результатом, предлагаемой системы управления движением судна с электронной моделью движения является:
- повышение точности и надежности системы управления движением,
- формирование более эффективных оценок фазовых координат состояния судна с использованием электронной (адаптивной) модели движения судна, параметры которой существенно изменяются в процессе плавания
- снижение загруженности рулевого привода судна при сильном морском волнении.
φ
ω
φ
ω
зд,.
зд
Технический результат достигается тем, что система управления движением судна с электронной моделью движения содержит датчик угла руля - δ, датчик угла курса - φ, датчик угловой скорости - ω, фильтр оценки угла курса - , фильтр оценки угловой скорости - , задатчик угла курса - φ, рулевой привод и сумматор, к входу которого подключены 4 датчика - δ, - φ, - ω, φ и 2 фильтра - , - , в сумматоре формируется сигнал управления рулевым приводом вида:
1
зд.
2
3
φ
ω
d/dtδ=K(-φ)+K-Kδ
где
φ
, - оценка угла курса, поступает на вход сумматора с выхода фильтра оценки угла курса,
зд.
φ - заданное значение угла курса, - с выхода задатчика угла курса,
δ. - угол руля, - с выхода датчика угла руля,
ω
- оценка угловой скорости судна, - с фильтра оценки угловой скорости,
z
x
11
12
13
a
a
a
d/dtδ - сигнал управления рулевым приводом, с выхода сумматора подключен к входу рулевого привода. Система также включает датчик углового ускорения - d/dtω, датчик линейной скорости - V,. датчик продольной скорости - V и электронную модель движения судна, в которой формируются системы алгебраических уравнений с неизвестными - , , :
i
11
x
i
12
x
z
i
13
x
x
a
a
a
ω
d/dtω=(V)+(VV)+(VVδ.),
где d/dtω - угловое ускорение, вводится в электронную модель движения судна с датчика углового ускорения,
x
V - продольная скорость судна - с датчика продольной скорости,
z
V - линейная скорость судна - с датчика линейной скорости,
δ - угол руля - с датчика угла руля,
φ
φ
фильтр оценки угла курса - , формирует оценку угла курса - :
φ
ω
φ
d/dt=+K(φ-)
где φ - угол курса, вводится в фильтр с датчика угла курса,
ω
- оценка угловой скорости вводится в фильтр, с фильтра оценки угловой скорости,
ω
ω
фильтр оценки угловой скорости - , формирует оценку угловой скорости - :
ω
ω
ω
a
a
a
11
x
12
x
z
13
x
x
d/dt=V+VV+VVδ+K(ω-),
x
где V - продольная скорость, вводится в фильтр с датчика продольной скорости,
z
V - линейная скорость - с датчика линейной скорости,
ω - угловая скорость - с датчика угловой скорости,
a11
12
13
a
a
, ,  - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна - вводятся с электронной модели движения судна.
Технический результат, в предлагаемой системе управления, достигается благодаря:
- введения адаптивной электронной модели движения судна (с корректировкой гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна в процессе плавания),
z
- использованию измерителей линейной скорости судна - V, углового ускорения d/dtω,
- перестройке параметров фильтров, формирующих оценки фазовых координат состояния судна, с учетом изменения гидродинамических коэффициентов судна в процессе плавания.
Система управления движением судна с электронной моделью движения
φ
φ
Система управления движением судна с электронной моделью движения содержит: датчик угла руля - δ; датчик угла курса - φ; датчика угловой скорости - ω; фильтр оценки угла курса - , в котором формируется оценка угла курса - :
.
где φ - угол курса, поступает в фильтр с датчика угла курса,
ω
- оценка угловой скорости - с фильтра оценки угловой скорости;
ω
ω
фильтр оценки угловой скорости - , в котором формируется оценка угловой скорости - :
.
x
где V - продольная скорость, поступает в фильтр с датчика продольной скорости,
z
V - линейная скорость - с датчика линейной скорости,
ω - угловая скорость - с датчика угловой скорости,
a
a
a
11
12
13
, ,  - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна, сформированные в электронной модели движения судна;
зд;
задатчик угла курса. - φ, рулевой привод и сумматор, в котором формируется закон управления рулевым приводом:
.
φ
где , - оценка угла курса, поступает с выхода фильтра оценки угла курса,
зд
φ. - заданное значение угла курса - с выхода задатчика угла курса,
δ. - угол руля - с выхода датчика руля,
ω
- оценка угловой скорости судна - с фильтра оценки угловой скорости.
x
z
11
12
13
a
a
a
Для реализации поставленной цели система содержит: датчик углового ускорения - d/dtω; датчик продольной скорости - V; датчик линейной скорости - V; и электронную модель движения судна, в которой формируется математическая модель движения судна в форме системы алгебраических уравнений с неизвестными - , ,  - оценками гидродинамических коэффициентов:
где d/dtω - угловое ускорение, вводится в электронную модель с датчика углового ускорения,
x
V - продольная скорость судна - с датчика продольной скорости,
z
V - линейная скорость судна - с датчика линейной скорости,
δ - угол руля - с датчика угла руля,
a
ij
- оценки гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна (циклически корректируемые при решении систем алгебраических уравнений (5).
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
11
12
13
11
12
13
i-1
11
12
13
i
11
12
13
i
11
12
13
i+1
Корректировка оценок гидродинамических коэффициентов , ,  выполняется в электронной модели движения судна циклически через интервал времени Δt. Коэффициенты (, , ), сформированные в предыдущем цикле «i-1» и введенные в фильтр оценки угловой скорости заменяются в фильтре оценки угловой скорости полученными коэффициентами (, , ) - в следующем цикле «i». Изменение коэффициентов (, , ) в фильтре оценки угловой скорости произойдет через следующий интервал времени Δt. после вычисления коррекции оценок гидродинамических коэффициентов - (, , ) в следующем цикле корректировки оценок гидродинамических коэффициентов.
Реализация системы управления движением судна с электронной моделью движения
На фигуре приведена блок-схема системы управления движением судна с электронной моделью движения со всеми связям между блоками, содержащая: 1. датчик угла руля, 2. - датчик угла курса, 3 - датчик угловой скорости, 4. - фильтр оценки угла курса, 5. - фильтр оценки угловой скорости, 6 - задатчик угла курса, 7. - сумматор, 8. - рулевой привод, 9. - электронная модель движения судна, 10 - : датчик углового ускорения, 11. - датчик линейной скорости, 12. - датчик продольной скорости,
Реализация рассматриваемой системы возможна:
- с применением аналоговых счетно-решающих элементов,
- с использованием элементов цифровой техники,.
- датчики можно использовать серийно выпускаемые нашей промышленностью с точностью не хуже 5%,
- фильтры могут базироваться на электронной модели движения судна с постоянными коэффициентами, которые корректируются циклически
- электронная модель движения судна использует полный вектор текущих измерений, что позволяет корректировать оценки гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна, изменяющиеся в процессе плавания и вводить их в фильтр оценки угловой скорости для формирования высококачественных оценок угловой скорости и угла курса.
Особенности работы системы управления движением судна с электронной моделью движения.
зд
В соответствие с заданной программой в задатчике угла курса - 6. формируется заданный курс - φ (и коррекция его при идентификации гидродинамических коэффициентов), который поступает на вход сумматора - 7., на три оставшиеся входы поступают сигналы:
- угла перекладки руля - δ, с датчика угла руля - 1.,
φ
- оценки угла курса - , с фильтра оценки угла курса - 4.,
ω
зд
- оценки угловой скорости - , с фильтра оценки угловой скорости - 5.. На выходе сумматора - 7., формируется закон управления рулевым приводом - 8., в соответствие с зависимостью (4), при этом судно будет двигаться по курсу равному заданному значению - φ.
φ
Оценка угла курса -  формируется в фильтре оценки угла курса - 4. в соответствии с зависимостью (2)., с использованием сигналов:
- φ - угол курса, поступает с датчика угла курса - 2,
ω
-  - оценка угловой скорости, поступает с выхода фильтра оценки угловой скорости - 5,
ω
Оценка угловой скорости - , формируется в фильтре оценки угловой скорости - 5, в, соответствие с зависимостью (3), сигналы:
x
V - продольной скорости поступают с датчика продольной скорости - 12,
z
V - линейной скорости, с датчика линейной скорости - 11,
ω - угловой скорости, с датчика угловой скорости - 3,
a
a
a
11
12
13
, ,  - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна поступают с электронной модели - 9.
a
a
a
11
12
13Δ
Гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна , ,  вычисляются (корректируются) через интервал времени Δt в электронной модели движения судна - 9. путем решения системы алгебраических уравнений, в соответствие с зависимостью (5).
Текущая информация необходимая для вычисления (корректировки) оценок гидродинамических коэффициентов вводится в электронную модель - 9:
d/dtω - угловое ускорение, вводится с датчика углового ускорения - 10.
x
V - продольная скорость судна, с датчика продольной скорости - 12,
z
V - линейная скорость судна, с датчика линейной скорости - 11.,
δ - угла руля, с датчика угла руля - 1.,
a
ij
. - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна вычисляются в системе алгебраических уравнений (5).
a
a
a
a
a
a
11i
12i
13i
11i-1
12i-1
13i-1
Полученные (корректированные)значения , , , вводятся в фильтр оценки угловой скорости - 5. вместо , ,  которые были вычислены в предыдущем цикле.
Проведенное моделирование, рассмотренной выше системы управления движением судна с электронной моделью движения подтвердило эффективность использования адаптивной подсистемы выработки (корректировки) оценок измеряемой информации особенно при сильном волнении на море.