СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ДЛЯ СКОРОСТНЫХ СУДОВ

Предлагаемая полезная модель относится к судостроению, в частности, к системам автоматического управления движением скоростных судов с динамическими принципами поддержания, например, к системам управления движением судов на подводных крыльях, воздушной подушке или с воздушной каверной.
Известны системы управления судном по курсу (авторулевые), содержащие последовательно соединенные датчик скорости движения судна, функциональный преобразователь, формирователь законов управления и исполнительный привод руля, кинематически связанный с рулем судна. [См., например, А.с. СССР №989976 кл. G 05 D 1/00 "Авторулевой для скоростных судов" авторы В.Н.Иванов, В.И.Шустер-Шерман и Л.Б.Элькинд от 26.06.80 г., авторулевой фирмы "Сперри" (США) в книге "Системы автоматического управления движением судна по курсу", авторы С.Я.Березин Б.А.Тетюев Л., "Судостроение" 1990 - С.34, а также полезную модель по патенту №44186 "Система штурвального управления для скоростных судов" от 19.08.2004 г. авторы С.В.Петров, С.П.Баньковский и О.И.Сидоренко.]
В известных системах при движении судна на больших скоростях по сигналам от лага (датчика скорости движения судна) автоматически ограничивается угол перекладки руля и тем самым угловая скорость разворота судна для предотвращения чрезмерного крена при изменениях курса.
Однако известные системы обладают тем недостатком, что в них не парируются неверные показания лага из-за его отказов или сбоев вследствие нестабильной работы на судах с динамическими принципами поддержания. Известно, что для таких судов трудно найти подходящее место на днище судна для размещения датчика лага из-за влияния на приемные устройства лагов образующейся при движении воздушно-водяной смеси, магнитных полей и искажений основного потока воды под днищем по скорости и направлению.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенной полезной модели является устройство для управления движением судна на подводных крыльях, содержащее датчик скорости движения судна, датчик частоты вращения двигателя судна (датчик оборотов двигателя), формирователь резервного сигнала скорости (масштабирующий усилитель), блок выявления отказов датчиков, блок подключения резервного сигнала скорости, предварительный усилитель (формирователь законов управления) и исполнительные приводы, кинематически связанные с управляющими органами судна [См. А.С. СССР №1302599 от 20.02.85 г. "Устройство для управления движением судна на подводных крыльях", авторы Д.А.Скороходов, В.В.Волгин, М.И.Малышев и др.]
В известном устройстве выход датчика скорости подключен к первому входу блока выявления отказов датчиков и первому коммутируемому входу блока подключения резервного сигнала скорости, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока выявления отказов датчиков, второй выход которого подключен к шине сигнала "отказ датчика скорости", а второй вход подключен к выходу датчика оборотов двигателя и входу формирователя резервного сигнала скорости, выход которого соединен со вторым коммутируемым входом блока подключения резервного сигнала скорости, выход которого подключен к первому входу формирователя законов управления, второй вход которого подключен к шине сигналов датчиков параметров движения судна (курса, крена, дифферента и др., необходимых для формирования
законов пространственной стабилизации судна), а выходы подключены к исполнительным приводам управляющих органов судна.
В известном устройстве при движении судна на больших скоростях обеспечивется бесперебойное поступление в формирователь законов управления информации о скорости движения, необходимой для определения граничных положений каждого из управляющих органов судна независимо от отказов датчика скорости, поскольку в этом случае сигнал о скорости движения формируется по сигналу от датчика оборотов двигателя, обеспечивая безопасность плавания при любых маневрах судна.
Недостатком известного устройства является то, что контроль сигнала скорости в нем осуществляется по сигналу непосредственно с выхода датчика оборотов двигателя судна, что допустимо только для судов с линейной зависимостью скорости движения от оборотов двигателя, например, для судов на подводных крыльях в диапазоне "загорбовых" скоростей. Для других судов указанная зависимость может быть нелинейной, и для одного и того же судна она может меняться, например, из-за степени загрузки судна. Кроме того, известное устройство обладает недостаточной достоверностью контроля датчиков скорости и оборотов во всем диапазоне скоростей движения судна, осуществляемого в блоке выявления отказов датчиков с помощью пороговых элементов, настроенных на всего одну точку диапазона скоростей, в результате чего переключение на резервный сигнал скорости осуществляется только при отказах датчика скорости, приводящих к устойчивому пропаданию сигнала с его выхода или к наличию сигнала, не превышающего некоторую фиксированную величину, в то время, как для судов с динамическими принципами поддержания более характерна нестабильная работа датчика скорости, то есть наличие сбоев в его работе, приводящих к неверным показаниям скорости движения и, как следствие, установке не соответствующих необходимым для данного движения судна ограничений перекладок управляющих органов.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача повысить достоверность контроля датчиков скорости и оборотов двигателя во всем диапазоне возможных скоростей движения судна и при любой зависимости. скорости движения от оборотов двигателя и создать такую систему управления движением для скоростных судов, в которой переход на резервный сигнал скорости может безопасно осуществляться не только при отказах датчика скорости, но и при любых сбоях в его работе, приводящих к неверным показаниям скорости движения судна.
Поставленная задача решается тем, что предложена система управления движением для скоростных судов, содержащая датчик скорости движения судна, первый датчик оборотов двигателя, первый формирователь резервного сигнала скорости, блок выявления отказов датчиков, блок подключения резервного сигнала скорости, формирователь законов управления и исполнительные приводы, кинематически связанные с управляющими органами судна.
Выход датчика скорости движения в предложенной системе подключен к первому входу блока выявления отказов датчиков и к первому коммутируемому входу блока подключения резервного сигнала скорости, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока выявления отказов датчиков и с шиной сигнала "отказ датчика скорости". Второй коммутируемый вход блока подключения резервного сигнала скорости соединен с выходом. первого формирователя резервного сигнала, вход которого подключен к выходу первого датчика оборотов двигателя. Выход блока подключения резервного сигнала скорости подключен к первому входу формирователя законов управления, второй вход которого подключен к шине сигналов датчиков параметров движения судна, а выходы подключены к соответствующим исполнительным приводам.
Новым в предложенной системе является то, что система содержит второй датчик оборотов двигателя, соединенный со входом второго формирователя
резервного сигнала скорости. Выход первого формирователя резервного сигнала скорости подключен ко второму входу блока выявления отказов датчиков, а выход второго формирователя резервного сигнала скорости подключен к третьему входу блока выявления отказов датчиков, второй выход которого соединен с шиной сигнала "отказ датчика оборотов" и с третьим входом формирователя законов управления, четвертый вход которого подключен к шине сигнала снятия максимальных ограничений. Первый и второй формирователи резервного сигнала скорости выполнены в виде многофункциональных преобразователей, подключенных к шине выбора зависимости скорости движения судна от оборотов двигателя, а блок выявления отказов датчиков содержит первое и второе сравнивающие устройства, выполненные в виде последовательно соединенных вычитающего устройства и компаратора, при этом первый вход первого сравнивающего устройства подключен к первому входу блока выявления отказов датчиков, второй вход которого подключен к второму входу первого сравнивающего устройства и к первому входу второго сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с третьим входом блока выявления отказов датчиков, первый выход которого подключен к выходу первого сравнивающего устройства, а второй выход соединен с выходом второго сравнивающего устройства.
Технический результат заявленной системы состоит в повышении достоверности контроля датчиков скорости и оборотов двигателя во всем диапазоне скоростей движения судна, что позволяет при любой зависимости от оборотов двигателя безопасно переходить на резервный сигнал скорости по оборотам двигателя не только при отказах датчика скорости, как в известном устройстве, но и при любых сбоях в его работе, приводящих к неверным показаниям скорости движения.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленной системы.
Заявленная система (фиг.) содержит датчик 1 скорости движения судна (лаг), подключенный к первому входу блока 2 выявления отказов датчиков и к первому коммутируемому входу блока 3 подключения резервного сигнала скорости, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока 2 выявления отказов датчиков и с шиной 4 "отказ датчика скорости". Второй коммутируемый вход блока 3 подключения резервного сигнала скорости соединен с выходом формирователя 5 резервного сигнала скорости, вход которого подключен к выходу датчика 6 оборотов двигателя. Выход блока 3 подключения резервного сигнала скорости подключен к первому входу формирователя 7 законов управления, второй вход которого подключен к шине 8 сигналов датчиков параметров движения судна (на фиг. не показаны), а выходы подключены к исполнительным приводам 9, кинематически связанным с управляющими органами судна 10. Заявленная система также содержит второй датчик оборотов двигателя, соединенный со входом второго формирователя резервного сигнала скорости 12. Выход формирователя 5 резервного сигнала скорости подключен ко второму входу блока 2 выявления отказов датчиков, а выход формирователя 12 резервного сигнала скорости подключен к третьему входу блока 2 выявления отказов датчиков, второй выход которого соединен с шиной 13 сигнала "отказ датчика оборотов" и с третьим входом формирователя 7 законов управления, четвертый вход которого подключен к шине 14 сигнала снятия максимальных ограничений. Блок 3 подключения резервного сигнала скорости представляет собой электронный коммутатор, а формирователи 5 и 12 резервного сигнала скорости выполнены в виде многофункционального преобразователя, реализующего функцию V=f(n, s), где V - скорость движения судна, n - величина оборотов главного двигателя судна, s - степень загрузки судна, устанавливаемая на шине 19 выбора зависимости скорости движения судна от оборотов двигателя. Блок 2 выявления отказов датчиков состоит из двух сравнивающих устройств 15 и 16, причем первый вход сравнивающего устройства 15 подключен к первому
входу блока 2 выявления отказов датчиков, а второй вход сравнивающего устройства 15 соединен с первым входом сравнивающего устройства 16 и со вторым входом блока 2 выявления отказов датчиков. Второй вход сравнивающего устройства 16 подключен к третьему входу блока 2 выявления отказов датчиков. Выход сравнивающего устройства 15 подключен к первому выходу блока 2 выявления отказов датчиков, а выход сравнивающего устройства 16 подключен ко второму выходу блока 2 выявления отказов датчиков.
Сравнивающие устройства 15 и 16 выполнены на основе вычитающего устройства 17, последовательно соединенного с компаратором 18 и реализуют формулу:
где
1
2
V и V - величины сигналов скорости на входах вычитающего устройства 17;
ΔV - порог сравнения (компарирования), устанавливаемый по входу опорного сигнала компаратора 18;
1
2
- абсолютная величина разности величин V и V.
При выполнении указанного соотношения на выходе сравнивающего устройства формируется сигнал логической единицы.
Система работает следующим образом.
1
Сравнивающее устройство 15 блока 2 выявления отказов датчиков непрерывно вычисляет разность ΔV между величиной скорости с выхода датчика 1 скорости и величиной скорости с выхода формирователя 5 резервного сигнала скорости, пересчитанный по оборотам двигателя с выхода датчика 6.
2
Сравнивающее устройство 16 блока 2 выявления отказов датчиков непрерывно вычисляет разность ΔV между величинами скорости с выходов формирователей 5 и 12 резервных сигналов скорости, пересчитанных по оборотам датчиков 6 и 11 соответственно для данной загрузки судна, установленной на шине 19 выбора зависимости скорости движения судна от оборотов
1
2
1зад
2зад
двигателя. При отсутствии сбоев и отказов датчика 1 скорости движения судна и датчиков 6 и 11 оборотов двигателя величины разностей ΔV и ΔV, определяемые вычитающими устройствами 17 сравнивающих устройств 15 и 16 соответственно блока 2 выявления отказов датчиков не превышают заранее установленных порогов срабатывания ΔV и ΔV компараторов 18, при этом на выходах компараторов сравнивающих устройств 15 и 16, соединенных соответственно с первым и вторым выходами блока 2 и с шинами 4 и 13 выявления отказов датчиков, устанавливается сигнал логического нуля, соответствующий отсутствию отказов датчиков.
Сигнал логического нуля с шины 4 "отказ датчика скорости" поступает на управляющий вход блока 3 подключения резервного сигнала скорости, который при этом через первый коммутирующий вход подключает на выход, соединенный с первым входом формирователя 7 законов управления, сигнал непосредственно с выхода датчика 1 скорости движения судна.
В формирователе законов управления 7 вычисляются заданные значения перекладок управляющих органов судна 10 по информации, поступающей с шины 8 сигналов датчиков параметров движения судна с учетом величин граничных перекладок этих органов, вычисляемых в формирователе законов управления 7 по информации о скорости движения, поступающей от датчика 1. Исполнительные привода 9 отрабатывают заданные значения перекладок, устанавливая управляющие органы 10 судна в требуемые для пространственной стабилизации судна положения.
1
1зад
В случае, если отклонение показаний датчика 1 скорости движения от величины скорости движения, пересчитанной по оборотам двигателя судна ΔV для данной величины загрузки судна превысит заданную величину ΔV на выходе компаратора 18 и сравнивающего устройства 15 блока 2 выявления отказов датчиков установится сигнал логической единицы, по которому к первому входу формирователя 7 законов управления окажется подключенным через второй коммутируемый вход блока 3 подключения резервного
сигнала скорости выход формирователя 5 резервного сигнала скорости, вычисленного по оборотам двигателя от датчика 6. При этом функционирование формирователя 7 законов управления не прерывается, поскольку величина подменной резервной скорости мало отличается от реальной скорости движения судна.
Если же по каким-то причинам произошел "разбег" в величинах скорости движения, пересчитанной по оборотам двигателя на выходах формирователей 5 и 12 резервного сигнала скорости, то есть если , то на выходе компаратора 18 сравнивающего устройства 16 и втором выходе блока 2 выявления отказов установится сигнал логической единицы, который поступит в шину 13 "отказ датчика оборотов" и на третий вход формирователя 7 законов управления, по которому в последнем сформируются максимальные ограничения перекладок управляющих органов 10 судна.
При необходимости, например, во время швартовки судна максимальные ограничения, установленные по причине отказов датчиков 6 и 11 оборотов двигателя судна, могут быть сняты специальной командой по шине 14 сигнала снятия максимальных ограничений.
Формирователи 5 и 12 резервного сигнала скорости, реализующие функциональную зависимость скорости движения от оборотов двигателя и степени загрузки данного судна, могут быть выполнены аппаратно-программным способом на базе микроконтроллеров.
Таким образом, суть реализованного в полезной модели технического решения заключается в непрерывном автоматическом контроле за показаниями основного датчика скорости движения судна (лага) по данным от двух датчиков оборотов, подключенных к одному и тому же или чаще к двум главным двигателям судна (последнее характерно для быстроходных судов). В случае недопустимо больших отклонений в показаниях лага от пересчитанных по оборотам значений скорости движения для данной загрузки судна вместо информации от лага в формирователь законов управления поступают
пересчитанные по оборотам двигателей резервные сигналы скорости, которые будут использованы в расчетах только при отсутствии "разбега" в показаниях дублированных датчиков оборотов двигателей судна, то есть в итоге значительно повышается безопасность маневрирования судна на больших скоростях движения.