АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ОЦЕНКИ ФАЗОВЫХ КООРДИНАТ И ОЦЕНКИ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Полезная модель - аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений, относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна, как при спокойном море, так и взволнованном море.
Известна система автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованная в «Системе автоматического управления движением судна», (RU 2248914 С1, 11.03.2005). Управление движением судна основано на использовании информация от приемника спутниковой навигационной системы, задатчика путевого угла, и регулятора-сумматора, в котором по сигналам: текущего (сильно зашумленного при взволнованном море) путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна формируется результирующий сигнал для управления рулевым приводом судна.
Известна также аппаратура автоматического управления движением корабля с использованием динамической модели углового движения корабля (RU 2223197 С1, 2004 г, принятая в качестве прототипа). «Аппаратура автоматического управления движением судна», содержащая задатчик курсового угла, датчик угла перекладки руля, приемник спутниковой навигационной системы, рулевой привод, дифференциатор и сумматор, первый вход которого соединен с выходом задатчика путевого угла, выход приемника СНС соединен со 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 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.
Таким образом, в рассматриваемой системе управления, формируются следующие сигналы для обеспечения автоматического управления движением судна.
зд.
зд.
вх.
зд
В задатчике курсового угла формируется сигнал - φ=f (t), который вводится на вход сумматора, на второй вход которого поступает сигнал оценки угла курса - . Сигнал оценки -  вводится с выхода электронной(динамической) модели движения судна для формирования оценки сигнала угла курса на вход электронной модели движения корабля вводится сигнал угла перекладки руля δ от датчика рулевого привода и сигнал невязки с выхода электронной модели движения корабля: К . Таким образом на выходе сумматора - регулятора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля - δ (Для управления рулевым приводом со входом δ=δ):
.
где
зд
φ сигнал с задатчика курсового угла,
, сигнал оценки угла курса, с выхода электронной модели движения коробля;
зд.
δ - сигнал заданного угла перекладки руля (с выхода
регулятора - сумматора вводится на вход рулевого привода).
Недостатками существующих систем управления движением судна являются:
- появление ошибки по углу курса при движении по взволнованному морю;
- перегрузка рулевого привода при движении по взволнованному морю;
- при наличии поперечных внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания, появляется ошибка в направлении движения судна по курсу относительно заданного курса (боковой снос судна).
Предложенная аппаратура управления лишена этих недостатков.
Техническим результатом, предлагаемой полезной модели является:
- восстановление (выработка) оценок фазовых координат судна и внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания;
- введение сигнала восстановленных оценок внешних возмущений в закон управления движением корабля, что позволяет повысить точность управления движения судна по заданному направлению (исключить ошибку в направлении движения судна при появлении внешних возмущений).
зд
зд
возм.
возм
возм
Технический результат достигается тем, что аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений, содержащая интегратор, задатчик угла курса - φ, блок измерения угла курса - φ, угловой скорости - ω, угла перекладки руля - δ; рулевой привод, фильтр оценки угла курса, на вход которого вводятся сигналы невязки -  и интегральной невязки - Ки  dt с интегратора, сумматор, рулевой привод и регулятор-сумматор, на вход которого вводят сигналы: оценки угла курса - и угловой скорости - , с блок измерения, заданный угол курса - φ.. с задатчика угла курса, при этом аппаратура содержит множительное устройство, блок коррекции коэффициента усиления - К, блок оценки момента внешних возмущений - М, который через множительное устройство подключен к входу регулятора-сумматора, ко второму входу множителя подключен блок коррекции коэффициента усиления - К, на выходе регулятора-сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля: , выход которого подключен к входу рулевого привода, в блоке коррекции коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - М. формируется сигнал коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - М, величина которого перестраивается через каждый интервал времени Δt, если удовлетворяются условия:
или
Δt
К=К+Δ,
или если
и  то
Δt
К=К-Δ,
где коэффициент усиления - К перестраивается, в
блок коррекции коэффициента усиления - К поступают сигналы:
φ - оценка угла курса - с фильтра оценки угла курса,
зд.
φ - заданий угол кура - с задатчика угла курса,
1
max
min
С, К, K, K, Δ - постоянные величины,
Т
К - коэффициента усиления - К в момент времени T,
T+Δt
K - коэффициента усиления - К в момент времени Т+Δ. t.
Этот технический результат достигается благодаря:
- восстановлению оценки внешних возмущений, действующих на судно, (а также оценок фазовых координат судна) в процессе плавания,
- введению перестраиваемого коэффициента - К при сигнале пропорциональном внешнему возмущению,
- введению сигнала невязки измеренного угла курса - φ и оценки угла курса - : .
зд
На чертеже приведена блок-схема рассматриваемой аппаратуры системы управления движением судна, в которой устраняются ошибки в автоматическом управлении движением по заданному курсу φ. при наличии внешних возмущений.
Аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений
зд
зд
возм
возм
возм
зд.
зд
зд
зд.
Предлагаемая аппаратура включает задатчик угла курса - φ, блок измерения угла курса - φ, угловой скорости - ω, угла перекладки руля - δ; рулевой привод, фильтр оценки угла курса, на вход которого вводятся сигналы невязки -  и интегральной невязки - Ки  dt, сумматор, рулевой привод и регулятор-сумматор, на вход которого вводят сигналы: оценки угла курса - , заданного угла курса - φ.. оценки угловой скорости - , оценки момента внешних возмущений - М., и угла перекладки руля - δ. Для достижения предложенного технического результата в аппаратуру введена корректировка коэффициента усиления - К оценки момента внешних возмущений - М., сигнал - КМ. (подключен к входу регулятора-сумматора). На выходе регулятора-сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки рул - δ, который вводится на вход рулевого привода. В этом случае в режиме автоматического управления движением судна по заданному углу курса φ будет отсутствовать (существенно снижено) отклонение вектора движения судна от заданного направления - φ. (даже при наличии сильных внешних возмущений). Таким образом на выходе регулятора-сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля - δ:
.
где: φ - угол курса, с выхода измерителя,
зд
φ - заданный угол курса, с задатчика угла курса,
, сигнал оценки угла курса, с выхода фильтра угла курса,
зд
δ. - сигнал с выхода регулятора-сумматора,
возм
возм
К М. - сигнал оценки момента внешних возмущений - М, с множительного устройства.
зд
Первые два члена зависимости (1а) полностью совпадают с зависимостью (1), т.е. если подключить выход такого регулятора-сумматора к входу рулевого привода, то получим типовой закон управления движением судна, при котором появляется ошибка по углу курса Δφ=(φ-φ) (если на судно будет воздействовать внешнее возмущение).
возм
На выходе блока коррекции коэффициента усиления - К. формируется сигнал коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - М, величина которого перестраивается циклически через каждый интервал времени Δt.
Если в момент времени Т удовлетворяются условия:
или
,
или если
и
,
то коэффициента усиления - К перестраивается.
В блок коррекции коэффициента усиления - К поступают сигналы:
φ - оценка угла курса - с фильтра оценки угла курса,
зд
φ. - заданный угол кура - с задатчика угла курса,
1
max
min
С, К, K, K, Δ - постоянные величины,
T
K - коэффициента усиленият - К в момент времени Т,
T+Δt
K - в момент времени Т.
возм
возм
возм
возм
Коэффициент усиления К с блока коррекции коэффициента усиления через первый вход множительного устройства подключается к входу регулятора-сумматора, на второй вход множительного устройства подключается выход блока формирования оценки момента внешнего возмущения - М. (Для формирования перестраиваемого сигнала оценки момента внешнего возмущения - М на выходе множительного устройства) В блоке оценки момента внешнего возмущения - М формируют интегральную невязку вида Ки  dt и совместно с невязкой вида , которая вводится с выхода фильтра оценки угла курса формируют оценку момента внешнего возмущения - М (с использованием методов Калмановской фильтрации).
Рассмотрим вариант реализации и работы системы автоматического управления движением судна,
зд
На чертеже приведена блок-схема рассматриваемой аппаратуры системы управления движением судна, в которой устраняются ошибки в автоматическом управлении движением по заданному курсу φ. при наличии внешних возмущений.
возм
зд
возм
Ошибка устраняется благодаря введению в закон управления (1а) перестраиваемого сигнала - оценки момента внешних возмущений - К М Система содержит 1 - задатчик курсового угла - φ., 2 - блок измерения угла курса - φ, угловой скорости - ω, угла перекладки руля - δ; 3 - интегратор, 4 - регулятор-сумматор, 5 - рулевой привод, 6 - фильтр оценки угла курса, 7 - сумматор, 8 - блок коррекции коэффициента - К, 9 - множительное устройство, 10 - блок оценки момента внешних возмущений - К М..
0
Реализовать рассматриваемую систему можно как с использованием цифровой элементной базы, так и аналоговой. При использовании аналоговой элементной базы можно применить усилители типа УД-6 и УД-8, (Блоки 1., 2., 3..4., 7.). Интегратор - 3 выбирается с чувствительностью не ниже 0.03  курса. Блоки 2.,5., это штатные (корабельные) устройства.
Рассмотрим работу аппаратуры автоматического управления движением судна.
зд
В задатчике курсового угла - 1 сформирован сигнал - φ.=f (t), который
зд
возм
возм
возм
вводится на вход регулятора - сумматора - 4, на второй вход которого поступает сигнал оценки текущего угла курса - . Сигнал оценки -  вводится с выхода фильтр оценки угла курса - 6. Для формирования оценки угла курса на вход фильтра оценки угла курса - 6 вводится сигнал угла перекладки руля - δ от блока измерителя - 2, и сигнал невязки - , формируемой на выходе фильтра оценки угла курса - 6:  При этом на выходе сумматора - 4. формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля - δ в соответствии с зависимостью (1). Закон (1) получил широкое распространение, однако при появлении внешних возмущений (волнение, ветер) движение судна осуществляется с ошибкой по курсу. Для компенсации воздействия на судно внешних возмущений зависимость (1) дополняется переменным сигналом оценки момента внешних возмущений - К М с множительного устройства - 9. На первый вход множительного устройства вводится оценка момента внешних возмущений - К М с блока-10, на второй вход переменный коэффициент усиления - К. При этом на выходе регулятора - сумматора - 4. формируется закон управления рулевым приводом в соответствие с зависимостью (1а). Сигнал коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - М формируется в блоке - 8 коррекции коэффициента усиления - К в соответствии с зависимостями (2а) и (2б). В процессе автоматического управления движением судна по заданному направлению в блоке - 8 коррекции коэффициента усиления - К циклически через интервал времени Δt формируется разность. , при удовлетворении условий (2а) или (2б) коэффициента усиления - К корректируется.
Функциональное назначение блоков:
- блока-5 - штатного устройства на судне, предназначенного для создания поворота судна по углу курса;
- блока 7 суммировать (алгебраически) два сигнала угол курса и оценку угла курса, выход которого подключен к блоку 3 и 10, а два входа к блокам 2 и 6 соответственно (см. выше);
возм
- блок 10 - формирует оценку момента внешнего возмущения М. используя сигнал с выхода сумматора 7 (подробно см. выше);
- блок 11 - объект управления - автоматизируемое судно или корабль.