СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА С ИНТЕГРАЛЬНЫМИ НЕВЯЗКАМИ

Предполагаемая полезная модель относится к области судостроения - автоматическому управлению движением судна.
Известна система автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованная в «Системе автоматического управления движением судна», (патент России №2248914, Б.И. №9 март 05 г.). 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.
Известна также аппаратура автоматического управления движением корабля с использованием динамической модели углового движения корабля (см. патент RU. №222.31.97. Б.И. №4. 2004 г, принятая нами 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
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 -  ступает с выхода 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-).
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,
- не учитываются (слабо учитываются) воздействия на судно внешних возмущений,
Техническим результатом, предлагаемой системы управления движением судна с интегральными невязками является:
- восстановление оценок ветро-волновых возмущений, воздействующих на судно,
φ
φ
φ
φ
1
1
2
- формирование оценки угла курса -  с использованием как невязок курса (φ-), так и интегральных невязок курса ∫(φ-)dt, ∫∫(φ-)dtdt,
ω
ω
1
- формирования оценки угловой скорости судна с использованием невязок угловой скорости (ω-) и интегральных невязок угловой скорости ∫(ω-)dt,
ω
1
2
∫∫(ω-)dtdt,
зд,
зд
z
φ
ω
ω
Технический результат, в предлагаемой системе управления достигается тем, что система управления движением судна с интегральными невязками содержит датчик угла руля - δ, датчик угла курса - φ, датчик угловой скорости - ω, задатчик угла курса - φ рулевой привод и сумматор к входу которого подключены датчика - δ и задатчик φ, выход сумматора подключен к входу рулевого привода, отличающаяся тем, что включает датчик линейной скорости - V, фильтр оценки угла курса -  и фильтр оценки угловой скорости - , в котором формируется оценка угловой скорости - :
ω
ω
ω
ω
ω
11
12
z
13
ω
ω1
1
ω1
1
2,
d/dt=a+аV+аδ+K(ω-)+K∫(ω-)dt+K∫∫(ω-)dtdt
z
где V - линейная скорость - с датчика линейной скорости,
ω - угловая скорость - с датчика угловой скорости,
11
12
13
a, a, a - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна - вводятся с динамической модели движения судна,
ω1
1
ω1
1
2
ω
ω
K∫(ω-)dt, K∫∫(ω-)dtdt - интегральные невязки по угловой скорости,
φ
φ
в фильтре оценки угла курса -  сформируется оценка угла курса - :
φ
ω
φ
φ
φ
φ1
1
φ2
1
2
d/dt=+K(φ-)+K∫(φ-)dt+K∫∫(φ-)dtdt
где φ - угол курса вводится в фильтр с датчика угла курса,
ω
- оценка угловой скорости, вводится в фильтр оценки угла курса с фильтра оценки угловой скорости,
φ1
1
φ2
1
2
φ
φ
φ
K∫(φ-)dt, K∫∫(φ-)dtdt - интегральные невязки угла курса и оценки угла курса ),
φ
ω
сигналы -  - с выхода фильтра оценки угла курса и  - с выхода фильтра оценки угловой скорости подключены к входу сумматора, в котором формируется сигнал управления рулевым приводом:
1
зд.
2
3
φ
d/dtδ=K(-φ)+Kω-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 перекладки руля - с выхода датчика руля,
ω
- оценка угловой скорости судна - с фильтра оценки угловой скорости,
d/dtδ - сигнал управления рулевым приводом с выхода сумматора подключен к входу рулевого привода.
Технический результат, в предлагаемой системе управления достигается благодаря:
ф
ω
- восстановлению и использованию оценок ветро-волновых возмущений, воздействующих на судно, при формировании оценок угла курса -  (в фильтре оценки угла курса) и оценок угловой скорости-  (в фильтре оценки угловой скорости),
z
- использованию датчика линейной скорости судна - V (поперечной относительно продольного движения судна),
φ
ω
- формирования оценок угла курса -  и оценок угловой скорости  с использованием интегральных невязок.
На чертеже представлена блок-схема системы управления.
Система управления движением судна с двумя интегральными невязками содержит:
датчик угла руля - δ;
датчик угла курса - φ;
датчика угловой скорости - ω;
зд.
задатчик угла курса φ;
рулевой привод;
сумматор.
зд
На вход сумматора подключены датчик угла руля - δ и задатчик угла курса φ , выход сумматора подключен к входу рулевого привода.
z
φ
φ
Для реализации поставленной цели в системе используют: датчик линейной скорости V, фильтр оценки угла курса - , в котором формируется оценка угла курса -  с интегральными невязками:
.
где φ - угол курса, поступает в фильтр с датчика угла курса,
ω
φ
ω
- оценка угловой скорости - поступает в фильтр оценки угла курса -  с фильтра оценки угловой скорости ,,
φ1
1
φ2
1
2
φ
φ
K∫(φ-)dt+K∫∫(φ-)dtdt - интегральные невязки;
ω
ω
фильтр оценки угловой скорости -  с интегральными невязками, в котором формируется оценка угловой скорости - :
.
z
где V - линейная скорость- с датчика линейной скорости,
φ - угловая скорость- с датчика угловой скорости,
11
12
13
a, а, a - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна, вводятся с динамической модели движения судна.
φ
ω
Выходы фильтра оценки угла курса - , и фильтра оценки угловой скорости -  подключены к входу сумматора, 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 перекладки руля - с выхода датчика руля,
ω
- оценка угловой скорости судна - с фильтра оценки угловой скорости,
d/dtδ - заданная скорость перекладки руля, с выхода сумматора вводится на вход рулевого привода.
На чертеже приведена блок-схема системы управления движением судна с интегральными невязками со всеми связями 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. - динамическая модель движения судна, 10 - датчик линейной 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 математической модели движения судна с постоянными коэффициентами, которые корректируются циклически,
φ
ω
ω
11
22
13
- динамическая модель движения судна использует вектор текущих измерений с датчиков δ, ω и оценок , , гидродинамические коэффициенты a, a, a с выхода модели подключаются на вход фильтра оценки  для формирования высококачественных оценок угловой скорости и угла курса (с учетом воздействия ветро-волновых возмущений).
Особенности работы системы управления движением судна с интегральными невязками.
зд
В соответствие с заданной программой в задатчике угла курса - 6. формируется заданный курс - φ (и коррекция его при режиме 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 - ω.
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,
Оценка угловой скорости - ω, формируется в фильтре оценки угловой скорости - 5, в, соответствие с зависимостью (3), сигналы:
z
V - линейной скорости поступает с датчика линейной скорости - 10,
ω - угловой скорости, с датчика угловой скорости - 3,
11
12
13
a, a, a - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна поступают с динамической модели - 9.
11
12
13Δ
Гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна a, a, а вычисляются (корректируются) через интервал времени Δt в динамической модели движения судна - 9. путем решения системы алгебраических уравнений,
Текущая информация необходимая для вычисления (корректировки) оценок гидродинамических коэффициентов вводится в динамическую модель - 9.
11i
12i
13i
11i-1
12i-1
13i-1
Полученные (корректированные) значения a, a, a, вводятся в фильтр оценки угловой скорости - 5. вместо a, a, a которые были вычислены в предыдущем цикле.
Проведенное моделирование, рассмотренной выше системы управления движением судна с интегральными невязками подтвердило эффективность использования (см.. приложение результаты моделирования:
- использование двух интегральных невязок не приводит к снижению запаса устойчивости (при сильном морском волнении существенно снижает рыскание судна по курсу, т.к. в оценки угла курса и угловой скорости судна введена оценка величины воздействия на судно от внешнего возмущения),
z
ω
- введение сигнала с датчика линейной скорости V, в закон формирования оценки фильтра -  существенно приблизило оценки к истинным значениям.