Система управления движением судна с дублированием каналов курса и резервным управлением по курсу
SHIP MOTION CONTROL SYSTEM WITH DUPLICATION OF COURSE CHANNELS AND STANDBY CONTROL ON COURSE

Система управления движением (СУД) судна с дублированием каналов курса и системой резервного управления движением относится к области судостроения. Рассматриваемая СУД. является отказоустойчивой системой, т.к. дополнена трехканальным дублированием линий курса и резервным управлением рулевым приводом судна.
возм.
В существующих СУД обычно применяют «ПД» закон управления движением судна, что приводит при появлении внешних возмущений, воздействующих на судно (это морское волнение, ветровые нагрузки), к весьма отрицательным явлениям. Сейчас начали появляться СУД, в которых «ПД» закон управления дополняется сигналом оценки внешнего возмущающего момента - М (1.1):
где
δ угол перекладки руля,
зд
зд
ϕ, ϕ - текущий курс судна ϕ и заданный угол курса ϕ„
ω - угловая скорость судна,
I
κ=Кl.К2.К3 - коэффициенты регулирования,
ВОЗМ.
М - внешний возмущающий момент.
зд.
Известна полезная модель «Система автоматического управления движением судна по заданной траектории» (RU 151140 U1, 20.03.2015). Автоматическое управление движением судна основано на использовании информации от приемника навигационной системы текущего курса ϕ, датчика угловой скорости ω, задатчика угла курса ϕ., датчика руля - δ и сумматора, в котором по сигналам: текущего курса, заданного курса, угловой скорости судна и угла перекладки руля формируется «ПД» закон управления рулевым приводом судна.
Известна «Система автоматического управления движением судна» (RU 2240953 С1, 27.11.2004). Автоматическое управление движением судна основано на использовании информации от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, блока заданного значения путевого угла (угла курса) и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна формируется «ПД» закон управления рулевым приводом судна.
возм
зд.
зд
возм
зд.
Система по патенту (RU 157389 U1, 27.11.2015) решает близкую задачу управления движением судна с использованием «ПД» закона управления, который дополнен сигналом оценки внешнего возмущающего момента на судно от морского волнения - М, (патент RU 157389 принят нами в качестве прототипа), см. зависимость (1.1). Прототип содержит информацию от приемника спутниковой навигационной системы (текущего путевого угла - ПУ. или. угла курса ϕ), датчика угловой скорости судна ω, задатчика путевого угла ПУ (или заданного угла курса ϕ), датчика руля - δ, оценки внешнего возмущающего момента - М и сумматора, в котором перечисленные сигналы суммируют и вводят на вход рулевого привода. Так формируется автоматическое управление по заданному курсу ϕ
Однако существующие СУД, которые при спокойном море и безветрии обеспечивают точное управление движением по заданному направлению, при появлении волнения на море создают недопустимые условия работы рулевого привода и снижают скорость хода судна, поэтому дополнение «ПД» закона управления сигналом оценки внешнего возмущения необходимо, что позволит существенно повысить качество управления (важно, при этом, сформировать высококачественный сигнал оценки внешнего возмущения, что усложняет СУД, снижает надежность и требует построения отказоустойчивой СУД!).
Таким образом, применение известных СУД, которые дополнены блоком внешнего возмущения, допустимо только при переводе их в отказобезопасные СУД.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
зд ср
ср.
- введение тройного резервирования каналов заданного угла курса и текущего курс судна, формирования среднего заданного угла курса ϕ. и среднего курса судна ϕ,
- дополнение СУД резервным каналом автоматического управления движением судна по заданному курсу.
зд.
возм.
ср.
Технический результат достигается тем, что система правления движением судна с дублированием каналов курса и резервным управлением движения содержит датчик руля δ, 1, датчик дифференцирования ω. 2., блок логики 3., три задатчика угла курса ϕ 1а., 2а., 3а, первый сумматор 4., блок среднего заданного угла курса 4а, блок оценки возмущающего момента М 5., дифференциатор 6., три датчика курса судна ϕ 5а., 6а, 7а., второй сумматор 7., рулевой привод 8., объект управления - судно 9., блок среднего курса судна ϕ 8а., к входу которого подключены три датчика курса судна ϕ 5а, 6а и 7а, к входу первого сумматора 4. подключены:
- датчик руля δ, 1*
- датчик дифференцирования ω. 2,
зд.
ср
- блок среднего заданного угла курса ϕ.., 4а,
ср.
- блок среднего курса судна ϕ 8а.,
возм.
- блок оценки возмущающего момента М 5.,
выход первого сумматора 4. подключен к входу блока логики 3,
к входу второго сумматора 7. подключены:
зд.
ср.
- блок среднего заданного угла курса ϕ., 4а.,
сρ
- дифференциатор 6., вход которого соединен с выходом блока среднего курса судна ϕ 8а,
ср.
- блок среднего курса судна ϕ, 8а., выход второго сумматора 7. подключен к входу блока логики 3.. выход блока логики 3. подключен к входу рулевого привода 8., в блоке логики 3. формируется модуль от неравенства (3).
ср..
ср.
где ϕ - средний курс судна с блока среднего курса судна ϕ 8а.,
зд.
ср.
зд.
ср.
ϕ. - средний заданный угол курса с блока ϕ. 4а,
уст.
Δ=const.,
если неравенство (3 ) удовлетворяется, выход первого сумматора 4. через блок логики 3. подключается к входу рулевого привода 8., формируя типовое управление движением судна (1)., если неравенство (3) не удовлетворяется, выход второго сумматора 7. через блок логики 3. подключает к входу рулевого привода 8., сигнал с законом резервного управления .(2.)., вместо зависимости. (1.).
* только для крупных судов с инерционным рулевым приводом.
Технический результат достигается благодаря дополнения СУД:
зд.
зд
ср,,
- тремя задатчиками угла курса ϕ 1а., 2а., 3а. и блоком среднего заданного угла курса ϕ. 4а,
ср.
- тремя датчиками курса судна ϕ 5а, 6а., 7а. и блоком среднего курса судна ϕ 8а.,
- блоком логики 3. (для диагноза сбоя и переключения основного типового закона управления движением судна, сформированного в соответствии с зависимостью (1):
где δ угол перекладки руля,
ср.
зд.
ср.
ср.
зд
ср
ϕ, ϕ. - средний курс судна ϕ и средний заданный угол курса ϕ,..,
ω - угловая скорость судна,
i
К - К1.К2. коэффициенты регулирования,
ВОЗМ.
М - внешний возмущающий момент,
- автоматическим переходом на резервный закон автоматического управления, который сформирован по зависимости (2).:
где: δ - угол заданной перекладки руля,
ср.
зд.
ср.
ср.
зд.
ср.
ϕ, ϕ. - средний курс судна ϕ и средний заданный угол курса ϕ.,
ω - угловая скорость судна, формируется в дифференциаторе 6.,. вход которого подключен к выходу блока среднего курса судна 8а.,
ι
К - К1.,К2. коэффициенты регулирования,
зд.
dδ/dt - заданная угловая скорость руля (для ряда рулевых приводов 8. заменяется заданным углом перекладки руля - δ).
Таким образом, при появлении сбоя в СУД управление движением судна с использованием типового закона управления (1) переводится на резервный закон управления (2).
На чертеже представлена блок-схема СУД судна.
зд.
возм.
ср.
ср.
Предлагаемая СУД судна с дублированием каналов курса и резервным управлением движением судна содержит датчик руля δ, 1, датчик дифференцирования ω. 2., блок логики 3., три задатчика угла курса ϕ 1а., 2а., 3а, первый сумматор 4., блок среднего заданного угла курса. 4а, блок оценки возмущающего момента М 5., дифференциатор 6., три датчика курса судна ϕ 5а., 6а, 7а., второй сумматор 7., рулевой привод 8. объект управления - судно 9., блок среднего курса судна ϕ 8а., к входу которого подключены три датчика курса судна ϕ 5а, 6а и 7а. В блоке 8а с использованием неравенств (8аа) или (8ааа) или (8аааа) или (8ааааа), формируют один сигнал ϕ), выход блока 8а соединяют с входом первого сумматора 4.
К входу первого сумматора 4. подключены:
- датчик руля δ, 1,
- датчик дифференцирования ω. 2,
зд.
ср.
- блок среднего заданного угла курса ϕ., 4а,
ср.
- блок среднего курса судна ϕ 8а.,
возм.
- блок оценки возмущающего момента М 5.,
выход первого сумматора 4. подключен к входу блока логики 3., (на выходе первого сумматора 4. формируется типовой закон управления движением судна (1).
К входу второго сумматора 7. подключены:
зд.
ср.
- блок среднего заданного угла курса ϕ., 4а.,
- дифференциатор 6.,
ср.
- блок среднего курса судна ϕ 8а.
на выходе второго сумматора 7. формируется закон резервного управления движением судна (2).
Выход второго сумматора 7. подключен к входу блока логики 3. выход блока логики 3. подключен к входу рулевого привода 8., в блоке логики 3. формируется модуль от неравенства (3).
ср..
ср.
где ϕ - средний курс судна, с блока среднего курса судна ϕ 8а.,
зд.
ср.
зд.
ср.
ϕ. - средний заданный угол курса, с блока ϕ. 4а,
уст.
Δ=const.
Если неравенство (3.) удовлетворяется, переключатель каналов управления в блоке логики 3., подключает выход первого сумматора 4., к входу рулевого привода 8., формируя тем самым в СУД судна типовое управление движением судна (1.):
где δ - угол перекладки руля,
ср.
зд.
ср.
ср.
зд
ср
ϕ, ϕ. - средний курс судна ϕ и средний заданный угол курса ϕ,,
ω - угловая скорость судна,
i
К - К1.К2. коэффициенты регулирования,
ВОЗМ..
М - внешний возмущающий момент.
Если неравенство (3). не удовлетворяется, переключателем каналов управления в блоке логики 3., подключается второй сумматор 7.. к входу рулевого привода 8., формируя тем самым в СУД судна резервное управление .(2.).;
Формирование основных узлов СУД
зд.
ср.
ср.
1. Особенности вычисления сигнала ϕ., в блоке 4а и сигнала ϕ в блоке 8а.
Для построения отказоустойчивой СУД введено:
зд.
- тройное дублирование канала заданного угла курса ϕ,
- тройное дублирование каналов курса судна ϕ.
- диагностирование СУД,
(при обнаружении сбоя в СУД осуществляется автоматический переход на отказоустойчивое резервное управление движением судна).
зд.
ср.
Формирование сигнала среднего заданного угла курса ϕ., в блоке 4а.
зд ср.
Для вычисления среднего заданного угла курса ϕ, в блоке 4а. формируют три модуля от неравенств (1а) и (2а) и (3а):
зд
1а,
зд.2а
зд.3а
где ϕ. ϕ, ϕ.- выходные сигналы трех задатчиков угла курса 1а, 2а, 3а.
зд. ср
зд.ср.
Если удовлетворяются все три зависимости (1а) и (2а) и (3а), то в блоке среднего заданного угла курса ϕ. 4а. вычисляют значение среднего заданного угла курса ϕ в соответствии с зависимостью (4аа) и вводят в блок 4а:
зд.
ср.
(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ. по п. 1). полностью выполненным).
Если удовлетворяется только одна зависимость из трех: (1а) или (2а) или (3а), пусть это будут:
зд. ср
зд.ср.
- неравенство (1а), то в блоке среднего заданного угла курса ϕ. 4а. формируют сигнал ϕ в соответствии с зависимостью (4ааа) и вводят в блок 4а:
зд.
ср
(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ. по п. 1.) выполненным),
зд.
ср
зд.ср.
- или неравенство (2а), то в блоке среднего заданного угла курса ϕ.. 4а. формируют сигнал ϕ в соответствии с зависимостью (4аааа). и вводят в блок 4а:
зд.
ср
(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ. по п. 1.). выполненным).
зд.
ср
зд.ср.
- или неравенство (3а), то в блоке среднего заданного угла курса ϕ.. 4а. формируют сигнал ϕ в соответствии с зависимостью (4ааааа) и вводят в блок 4а:
зд.
ср
(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ. по п. 1.). выполненным).
ср.
Вычисление сигнала среднего курса судна ϕ, в блоке 5а.
ср.
Для вычисления среднего курса судна ϕ, в блоке 8а. формируют три модуля от неравенств (5а) и (6а) и (7а):
где
5а
6а
7а.
ϕ., ϕ, ϕ - выходные сигналы трех датчиков курса судна: 5а, 6а, 7а.
ср
ср.
Если удовлетворяются все три зависимости (5а) и (6а) и (7а), то в блоке среднего курса судна ϕ. 8а. вычисляют значение среднего курса судна ϕ в соответствии с зависимостью (8аа) и вводят в блок 8а:
ср
(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ по п. 1. выполненным).
ср
ср.
Если удовлетворяются только одна зависимость из трех (пусть это будут зависимости (5а), то в блоке среднего курса судна ϕ. 8а. формируют сигнал ϕ в соответствии с зависимостью (8 ааа):
ср.
Сигнал ϕ по зависимости (8.ааа) вводят в блок 8.а. и переходят к следующему пункту построения системы управления движением судна.
ср
ср.
Если удовлетворяются другие две зависимости (пусть это будут зависимости (6а) или (7а), которые фиксируют сбой во втором датчике курса судна (6а) или в третьем (7а)„ то в блоке среднего курса судна ϕ. 8.а. формируют сигнал ϕ в соответствии с зависимостью (8. Аааа):
или если сбой в третьем датчике курса судна, то в соответствии с зависимостью (8.ааааа):
зд.ср.
образом при вычислении ϕ если СУД полностью исправна используют зависимость (4аа), или если в одном из трех задатчиков 1а или 2а или За произошел сбой, то используют зависимости (4ааа) или (4аааа) или (4ааааа).
ср
зд.ср.
Сигнал ϕ. формируют аналогично с ϕ используя зависимости по (8.аа…) или (8.ааааа), вводят в блок 8.а и переходят к следующему пункту построения системы управления движением судна.
Одной из особенностей функционирования, рассматриваемого предложения является использование в процессе плавания переменного объема информации, перестройки структуры узлов и блоков.
2. Законы управления движением судна
а) Формирование типового закона управления движением судна(1) в первом сумматоре 4.
В рассматриваемой полезной модели используется «модернизированный ПД» закон управления в соответствии с зависимостью (1)., который формируется в первом сумматоре 4., учитывающий внешние воздействия на судно при волнении на море,
б). Формирование закона резервного управления (2).
Во втором сумматоре 7. формируется закона резервного управления (2),
где ω - поступает с дифференциатора 6. на пассивных элементах,
зд
ср.
ϕ., - поступает с выхода блока среднего заданного угла курса 4а.,
ср
ϕ. - поступает с выхода блока среднего курса судна 8а.,
1
2
К, К -коэффициенты регулирования.
Отказоустойчивое управления в нем повышено за счет тройного резервирования.
зд ср
2
в) Формирование факта сбоя в СУД и переключение на резервное управление при сбое и при изменении ϕ,>C.
В блоке логики 3. формируется неравенство (3), состояние которого диагностирует СУД, а при появлении сбоя переключает закон управления с (1) на (2).