СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ
METHOD FOR VESSEL COURSE FOLLOWING CONTROL

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна по заданному маршруту.
Известен способ автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованный в «Системе автоматического управления судном» (патент RU №2240953 С1, БИ №33, 27.11.2004 г.). Способ управления движением судна основан на использовании информации от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, блока заданного значения путевого угла и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла и угловой скорости судна формируется сигнал для управления рулевым приводом судна.
Известен также способ автоматического управления движением судна (патент RU 2292289 С1, БИ №3, 27.01.2007 г., принятый нами в качестве прототипа), в котором автоматическое управление движением судна осуществляется (аналогично описанному выше) с использованием: сумматора, рулевого привода, блока выработки угловой скорости, датчика руля, приемника спутниковой навигационной системы, блока заданного путевого угла. В способе управления движением судна корректируется заданное значение путевого угла в процессе плавания из точки «А» в точку «Б», затем «В»… по заданному маршруту.
Известные способы автоматического управления движением по заданной траектории обеспечивают точное движение к заданной точке. Однако серьезными недостатками рассмотренных способов управления движением судна по заданной траектории от точек «А» к точке «Б», затем «В»… являются:
- применение закона стабилизации судна на заданном направлении с использованием только кормового рулевого привода,
- при появлении поперечных возмущающих силовых воздействий, а также управляющих моментов, создается большой угол дрейфа судна, что приводит к уходу с заданной траектории движения и потерям в крейсерской скорости хода судна.
- затруднен проход судном узкостей из-за появления существенного угла дрейфа вблизи точек «А», «Б»… .
Приведенный ниже способ управления лишен этих недостатков, т.к. обеспечивает движение судна практически с нулевым углом дрейфа и нулевым поперечным уходом с заданной траектории движения.
Техническим результатом предлагаемого способа автоматического управления движением судна является:
- формирование управления судном кормовым рулевым приводом только по заданному углу курса и угловой скорости (при этом угол дрейфа и бокового сноса судна поддерживаются близкими к нулю подсистемой стабилизации нулевого дрейфа),
- минимизация отклонения судна от заданной траектории (в поперечном направлении),
- повышение крейсерской скорости хода судна (благодаря снижению сопротивления движению судна - β≈0),
- повышение безопасности проводки судна в узкостях (т.к. практически исключается боковое смещение судна при наличии поперечных управляющих и возмущающих сил).
Технический результат достигается благодаря:
- введению подсистемы стабилизации судна в поперечном направлении (в поперечном направлении подруливающее устройство или носовые рули в подсистеме стабилизации нулевого дрейфа автоматически устраняют угол дрейфа β и боковой снос У, даже при появлении поперечных сил, действующих на судно, β≈0 и У≈0),
- использованию кормового рулевого привода для управления судном только по углу курса.
зд.
Предлагаемый способ управления движением судна по заданной траектории (углу курса) осуществляется кормовым рулевым приводом с использованием: датчика руля δ, датчика угловой скорости ω, датчика курса ϕ и задатчика угла курса φ и сумматор на выходе которого формируется закон управления рулевым приводом вида:
<mrow><mi>d</mi><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mi>δ</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mn>1</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>φ</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>K</mi><mn>2</mn><mi>ω</mi><mo>−</mo><mi>K</mi><mn>3</mn><mi>δ</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
где: δ - угол перекладки руля,
зд.
φ, φ - угол курса и заданный угол курса,
ω - угловая скорость судна,
К1, К2, К3 - коэффициенты регулирования.
Сигнал вида d/dt δ (1) вводится с выхода сумматора на вход рулевого привода. Это обеспечивает автоматическое управление движением судна по заданному углу курса.
Отличительной особенностью рассматриваемого способа является использование подсистемы стабилизации судна в поперечном направлении, включающей: второй сумматор, блок суммирования, приемник спутниковой навигационной системы, интегратор и подруливающее устройство для формирования и поддержания угла дрейфа и бокового сноса судна близким к нулю. В этом случае производная поперечной управляющей силы - dP/dt, создаваемая во втором сумматоре, - формируется в виде:
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mi>d</mi><mi>P</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>K</mi><mn>1</mn><mi>β</mi><mo>+</mo><mi>K</mi><mn>2</mn><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>β</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>K</mi><mn>3</mn><mi>P</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
,
где Р - поперечная управляющая сила, создаваемая на выходе подруливающего устройства,
β - угол дрейфа судна, вырабатываемый на выходе блока суммирования,
К2∫βdt - интеграл по времени от угла дрейфа - боковое смещение судна У, вырабатываемое на выходе интегратора,
К1, К2, К3 - коэффициенты регулирования.
Сигнал угла дрейфа - β формируется в блоке суммирования с использованием сигналов с приемника спутниковой навигационной системы, на выходе которой вырабатывается путевой угол - ПУ, и датчика угла курса - φ, на выходе которого вырабатывается угол курса - φ:
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><mi>φ</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
Боковое смещение судна - У формируется в интеграторе, на вход которого вводится сигнал угла дрейфа - β из суммирующего устройства:
<mrow><mi>У</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mn>2</mn><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>β</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mi>d</mi><mi>P</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
Сигнал производной поперечной управляющей силы -
, сформированный по зависимости (2) на выходе второго сумматора, поступает на вход подруливающего устройства, на выходе которого создается поперечная управляющая сила - Р, которая обеспечивает движение судна по заданной траектории с углом дрейфа и боковым сносом, близким к нулю.
Система автоматического управления движением судна по заданной траектории
Рассмотрим работу системы автоматического управления движением судна по заданной траектории, структура которой разработана с использованием предлагаемого способа управления движением судна по заданной траектории (с текущим углом дрейфа β≈0 и поперечным отклонением судна от заданной траектории У≈0 даже при наличии поперечных возмущающих сил, воздействующих на судно).
Система содержит: 1 - задатчик угла курса, 2 - датчик угла курса, 3 - датчик руля, 4 - первый сумматор, 5 - датчик угловой скорости (ДУС), 6 - рулевой привод, 7 - приемник спутниковой навигационной системы (СНС), 8 - блок суммирования, 9 - интегратор, 10 - второй сумматор, 11 - подруливающее устройство, 12 - объект управления - судно. Все связи между блоками системы приведены на фигуре. Реализация предлагаемой системы может быть осуществлена с использованием микросхем типа 140 УД-6 и 140 УД-8:
- сумматоры 4, 10,
- интегратор 9.
Датчик угловой скорости 5 - типовой датчик угловой скорости ДУС-5 с чувствительностью не ниже 0,05 гр/с. Задатчик угла курса 1 - программный блок формирования сигнала заданного значения угла курса для движения по заданной траектории от точки А к точке Б… . Датчик угла курса 2 - гирокомпас типа «Гиря». Штатные судовые системы:
- приемник СНС 7,
- рулевой привод 6,
- подруливающее устройство 11.
Система автоматически обеспечивает движение корабля по заданной траектории. На вход первого сумматора 4 поступают сигналы:
- угловой скорости судна ω - с датчика угловой скорости 5,
- угла перекладки руля δ - с датчика руля 3,
- текущего угла курса φ - с датчика угла курса 2,
зд.
- заданного угла курса φ - с задатчика угла курса 1.
зд.
зд.
На выходе первого сумматора 4 формируется заданное значение угловой скорости перекладки кормового руля d/dt δ (или угла перекладки кормового руля - δ в зависимости от типа рулевой машины).
В соответствии с зависимостью (1) руль будет автоматически перекладываться и обеспечивать удержание судна с углом курса, равным заданному углу курса:
зд.
φ=φ,
Одновременно осуществляется стабилизация судна на нулевом угле дрейфа и с нулевым поперечным смещением относительно заданной траектории движения. Это достигается благодаря использованию подсистемы стабилизации судна в поперечном направлении.
На выходе (подсистемы стабилизации судна в поперечном направлении) в подруливающем устройстве - 11 формируется управляющее воздействие на судно в виде поперечной управляющей силы - Р. Закон управления подруливающим устройством - 11 формируется во втором сумматоре - 10 в соответствии с зависимостью (2).
Сигналы, поступающие на вход второго сумматора - 10:
- угол дрейфа β формируется в соответствии с зависимостью (3) в блоке суммирования 8, на вход которого вводится сигнал текущего угла курса - φ из датчика угла курса 2 и сигнал текущего путевого угла - ПУ из приемника спутниковой навигационной системы - 7,
- боковой снос - У формируется на выходе интегратора - 9, на вход которого поступает сигнал - β с выхода блока суммирования - 8,
- поперечная управляющая сила - P с выхода подруливающего устройства - 11.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mi>d</mi><mi>P</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
С выхода второго сумматора - 10 сигнал производной поперечной управляющей силы
поступает на вход подруливающего устройства - 11, обеспечивая тем самым поддержание нулевого дрейфа и нулевого поперечного смещения судна относительно заданной траектории даже при наличии поперечной силы, действующей на судно.
Моделирование рассмотренного выше способа автоматического управления движением судна, в котором обеспечивается стабилизация нулевого угла дрейфа и нулевого бокового сноса, подтвердило его работоспособность, а следовательно, и высокую эффективность использования предложенного способа управления движением судна по заданной траектории особенно при наличии поперечных сил, воздействующих на судно.