СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ШИРОТЕ И ДОЛГОТЕ
METHOD OF CONTROLLING SHIP MOVEMENT ON LATITUDE AND LONGITUDE

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 информация от приемника спутниковой навигационной системы (СНС), 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, но с корректировкой заданного значения 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 движение судна к заданной точке. Однако недостатками рассмотренных способов управления движением судна по заданной траектории являются:
- отсутствие контроля за нахождением судна в заданной точке траектории в заданное время, т.е. не контролируется совпадение текущего положения судна во времени с заданным местонахождением,
- при появлении поперечных (относительно судна) возмущающих силовых воздействий создается большой угол дрейфа судна, что приводит к уходу с заданной траектории движения, а также к экономическим и временным потерям,
- использование только кормового рулевого привода для управления движением создает дополнительный угол дрейфа в процессе изменения направления движения судна, который приводит также к дополнительным отклонениям от заданной траектории в поперечной плоскости судна,
- затруднен проход судном узкостей из-за появления угла дрейфа и бокового сноса судна относительно заданной траектории движения.
Приведенный ниже способ управления лишен этих недостатков т.к. обеспечивает движение судна практически с нулевым углом дрейфа и обеспечивает точное движение судна в соответствии с заданным временем нахождения в заданных точках траектории движения.
Техническим результатом предлагаемого способа управления движением судна является:
- минимизация отклонения судна от заданных точек программной траектории движения с использованием широт, долгот (благодаря минимизации отклонения судна по широте и долготе текущего состояния судна от заданных в пространстве и во времени),
- повышение экономичности и безопасности управления движением,
- проводка судна в узкостях (т.к. поперечное смещение судна даже при наличии возмущающих сил, действующих на судно в поперечном направлении, сводится к малым значениям),
- переход на типовое (штатное) управление движением судна (с использованием только рулевого привода по заданному углу курса) при существенном отклонении текущего путевого угла от заданного программного угла курса.
Этот технический результат достигается благодаря использованию трех подсистем управления движением судна:
а) в продольном направлении движения судна - это подсистема управления скоростью хода V, в которой путем перестройки регулятора оборотов гребного вала - n корректируется скорость движения судна - V и поддерживается движение судна в продольном направлении в соответствии с заданной временной программой движения судна,
б) в поперечном направлении - это подсистема управления движением судна только по углу дрейфа с использованием подруливающих устройств(или носовых рулей), которая совместно с подсистемой управления кормовым рулевым приводом устраняет угол дрейфа и боковой снос судна относительно заданной траектории;
<mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi><mo>:</mo></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><mi>C</mi></mrow>
зд
зд
в) при существенном отклонении текущего путевого угла - ПУ от заданного (программного) угла курса -
, (в основном это наблюдается при переходе судна на новое направление движения при существенном изменении направления движения по заданной траектории) используют типовое (штатное) управление по путевому углу - ПУ=ϕ и по скорости хода судна - V=V.
зд
зд
зд
1
зд
Каналы управления: а) и б) корректируют текущее положение судна с использованием текущих широт - Ф и долгот - γ, а также заданных (во времени) программных широт - Ф=ƒ(t) и долгот - γ=ƒ((t)), обеспечивая более точное управление.
зд
Штатное в) управление осуществляется кормовым рулем - δ по заданному путевому углу - ПУ и по скорости хода - V регулятором оборотов гребного вала - n.
Рассмотрим, как формируются законы штатного управления.
зд
Типовое - штатное управление по путевому углу - ПУ=ϕ формируется в подсистеме управления кормовым рулевым приводом.
В регулятор рулевого привода - δ вводят сигналы:
- ПУ - текущего путевого угла,
зд
- ϕ - заданного - программного угла курса,
- ω - угловой скорости судна, которая формируется в регуляторе рулевого привода - δ, таким образом формируется закон управления рулем - δ:
<mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
;
зд
где: δ - заданный угол перекладки руля,
зд
ПУ, ϕ(t) - путевой угол и заданный (программный) угол курса,
ω - угловая скорость судна,
1
2
K,K - коэффициенты регулирования.
зд
зд
Сигнал - δ в соответствии с зависимостью (1) вводится на вход рулевого привода, это обеспечивает вывод судна на путевой угол - ПУ, равный заданному (программному) углу курса - ϕ.
зд
Типовое - штатное управление скоростью хода судна - V=V.
зд
Для управления скоростью хода судна используют сигналы заданной скорости ходами - V и текущей скорости хода - V, которые вводят в регулятор оборотов гребного вала - n: ƒ
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>з</mi><mtext></mtext><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>V</mi><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>ƒ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>V</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
где:
зд
n - заданные обороты гребного вала - n,
f (n, V) - штатный закон управления приводом гребного вала.
Рассмотрим реализацию способа управления движением судна по заданной траектории в двух режимах:
- штатное управление,
зд
зд
- управление с формированием управления в пространстве и во времени в соответствии с предлагаемым способом точного управления движением судна, в качестве основной навигационной информации используются текущие и заданные широты - Ф, Ф, текущие и заданные долготы - γ, γ.
А. Типовой (штатный) закон управления движением судна
Для формирования штатного управления используют:
- приемник спутниковой навигационной системы (СНС),
- задатчик маршрута,
- регулятор рулевого привода - δ,
- рулевой привод,
зд
- регулятор привода оборотов гребного вала - n,
- привод оборотов гребного вала.
зд
зд
зд
зд
зд
зд
В соответствии с зависимостями (1) и (2) судно двигается по заданной траектории с путевым углом - ПУ=ϕ и скоростью - V, равной заданной скорости - V Для реализации законов (1) и (2) сигналы путевого угла - ПУ и скорости хода судна - V (сформированные в приемнике СНС) вводят, соответственно, на вход регулятора рулевого привода - δ и на вход регулятора привода оборотов гребного вала - n. Сигналы заданного угла курса - ϕ и заданной скорости хода - V (из задатчика маршрута) вводят, соответственно, на входы регулятора рулевого привода - δ и регулятора привода оборотов гребного вала - n. Сигналы: заданного угла перекладки руля - δ (из регулятора рулевого привода - δ) и заданных оборотов гребного вала - n (из регулятора привода оборотов гребного вала - n) вводят, соответственно, на входы: рулевого привода и привода оборотов гребного вала.
Переход со штатного закона управления (1) и (2) на режим точного управления осуществляется с применением:
- блока 4-х секторов путевого угла,
подр
- регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n,
- подруливающего устройства,
- блока сравнения,
- блока разностей,
- блока коррекции сигналов управления.
зд
1
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Сигнал путевого угла - ПУ (из приемника СНС) и сигнал заданного угла курса - ϕ (из задатчика маршрута) вводят на вход блока сравнения, в котором формируют модуль разности сигналов
и сравнивают с постоянной C.
<mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi><mo>:</mo></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi><mo>:</mo></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi><mo>:</mo></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
зд
зд
1
Если
(это условие соответствует использованию штатного режима управления), то сигналы ПУ и ϕ отключают от входа блока сравнения, через интервал времени Δt сигналы: ПУ и ϕ вновь вводят в блок сравнения и формируют модуль разности сигналов
для сравнения с постоянной С, если
, то вновь через интервалы времени Δt в блоке сравнения повторяют операцию сравнения сигнала модуля разности… Рассмотренные циклы повторяют до тех пор пока выполняется неравенство
. Если удовлетворяется неравенство
, то производят формирование точного закона управления.
Б. Формирование точного закона управления.
подр
В соответствии с предложенным способом формируют законы точного управления движением судна в регуляторе рулевого привода - δ, в регуляторе оборотов гребного вала - n и в регуляторе привода оборотов подруливающего устройства - n (с использованием информации по широте - Ф и долготе - γ судна).
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
зд
зд
зд
зд
зд
зд
Если в блоке сравнения формируется условие
, то в блок разностей вводят сигналы текущей широты - Ф, долготы - γ судна (из приемника СНС) и заданной широты - Ф, заданной долготы - γ (из задатчика маршрута) для формирования сигналов: (Ф-Ф), (γ-γ) и сигналов, производных от сигналов широты dФ/dt и долготы dγ/dt. Сформированные сигналы: (Ф-Ф), (γ-γ), dФ/dt и dγ/dt вводим в блок коррекции сигналов управления
В блоке 4-х секторов путевого угла формируем сигнал одного из четырех секторов, в котором находится в данный момент вектор путевого угла - ПУ, используя сигнал путевого угла - ПУ (из приемника СНС) и сигналы углов граничных значений четырех секторов (последние введены в память блока 4-х секторов путевого угла):
а) (-π/4)=+7π/4<угол вектора ПУ<+π/4
б) или +π/4<угол вектора ПУ<+3π/4
в) или +3π/4<угол вектора ПУ<+5π/4
г) или +5π/4<угол вектора ПУ<+7π/4=(-π/4).
Сигнал одного из четырех секторов: а), или б), или в), или г), в котором находится в данный момент вектор путевого угла - ПУ, вводим в блок коррекции сигналов управления для формирования точных законов управления движением судна.
А. Формируем в блоке коррекции сигналов управления точные законы управления движением судна, если ПУ находится в секторе: а) или в) (блока 4-х секторов путевого угла).
кор
зд
1а. Сигнал точного закона управления рулевым приводом - Δδ формируется используя сигналы - (γ-γ), dγ/dt, поступившие из блока разностей:
кор
1
зд
2
при наличии сигнала сектора а) Δδ=+K(γ-γ)+Kdγ/dt,
или
кор
1
зд
2
при наличии сигнала сектора в) Δδ=-K(γ-γ)-Kdγ/dt,
1
2
где K и K - постоянные.
кор
1
зд
2
зд
кор
Сигнал Δδ (с выхода блока коррекции сигналов управления) вводится на вход регулятора рулевого привода - δ, а сигналы: K(ПУ-ϕ)+Kω (из приемника СНС и задатчика маршрута), подключенные к входу регулятора рулевого привода - δ (используемые в штатном режиме управления), отключают. На выходе регулятора рулевого привода - δ таким образом формируется сигнал: δ=Δδ.
под
зд
2а. Сигнал управления оборотами подруливающего устройства - n формируется, используя сигнал - (γ-γ) из в блока разностей):
подр.зд
3
зд
при наличии сигнала сектора а) n=-K(γ-γ),
подр.зд
3
зд
или при наличии сигнала сектора в) n=+K(γ-γ).
подр.зд
подр
подр
подр
подр.зд
Сигнал - n вводится на вход регулятора оборотов подруливающего устройства - n, на выходе регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n формируется сигнал n=n, который вводится на вход привода оборотов подруливающего устройства.
зд
зд
3а. Сигнал коррекции оборотов гребного вала - Δn формируется, используя сигнал (Ф-Ф) из блока разностей):
зд
4
зд
при наличии сигнала сектора а) Δn=-K(Ф-Ф),
зд
4
зд
или при наличии сигнала сектора в) Δn=+K(Ф-Ф).
зд
Сигнал - Δn вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - n. На выходе регулятора оборотов гребного вала - n формируется сигнал:
зд
зд
1
зд
n=Δn+K(V-V)+ƒ(n,V).
Б. Формируем в блоке коррекции сигналов управления точные законы управления движением судна, если ПУ находится в секторе б) или г) (блока 4-х секторов путевого угла).
кор
зд
1б. Сигнал точного закона управления рулевым приводом - Δδ формируем, используя сигналы (Ф-Ф), dФ/dt из блока разностей:
кор
5
зд
2
при наличии сигнала сектора - б) Δδ=-K(Ф-Ф)-KdФ/dt,
кор
5
зд
2
или при наличии сигнала сектора - г) Δδ=+K(Ф-Ф)+KdФ/dt.
кор
1
зд
2
зд
кор
Сигнал - Δδ вводится на вход регулятора рулевого привода - δ, а сигналы K(ПУ-ϕ)+Kω, подключенные к входу регулятора рулевого привода (из приемника СНС и задатчика маршрута), отключают. На выходе регулятора рулевого привода - δ таким образом формируется сигнал: δ=Δδ.
подр
зд
2б. Сигнал оборотов подруливающего устройства - n формируем, используя сигнал - (Ф-Ф) из блока разностей:
подр.зд
5
зд
при наличии сигнала сектора - б) n=-K(Ф-Ф),
подр.зд
5
зд
или при наличии сигнала сектора - г) n=+K(Ф-Ф).
подр.зд
под
подр
подр
подр.зд
Сигнал - n вводится на вход регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n. Сигнал с выхода регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n вводится на вход подруливающего устройства: n=n.
зд
зд
3б. Сигнал коррекции оборотов гребного вала - Δn формируем, используя сигнал - (γ-γ) из блока разностей:
зд
3
зд
при наличии сигнала сектора - б) Δn=-K(γ-γ),
зд
6
зд
или при наличии сигнала сектора - г) Δn=+K(γ-γ),
зд
зд
зд
1
зд
затем сигнал - Δn вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - n. Сигнал с выхода регулятора оборотов гребного вала - n вводят на вход привода оборотов гребного вала: n=Δn+K(V-V)+ƒ(n,V).
подр
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Таким образом, сформированы законы точного управления движением судна с использованием регулятора рулевого привода - δ, регулятора оборотов гребного вала - n и регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n. Через интервал времени Δt в блоке сравнения формируется сигнал
. Если выполняется условие
, то через следующий интервал времени Δt в блоке сравнения формируется сигналя
… Через интервал времени mΔt, при выполнении условия |
повторяется цикл установки точного управления с использованием текущих данных по широте, долготе и направлению вектора путевого угла (начиная с раздела см.выше: «Б. Формирование точного закона управления)…».
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Если через nΔt (где обычно n>m) интервалов времени в блоке сравнения сформируется сигнал
, то начнется формирование штатного закона управления.
Аа. Формирование штатного закона управления
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
В случае перехода на новое направление движения судна (при выполнении условия в блоке сравнениям
) включается штатное управление (переход на штатное управление по заданному путевому углу и заданной скорости хода судна в соответствии с законами управления (1) и (2)) с точного закона управления по широте и долготе). Переход производится при существенном отклонении путевого угла от заданного угла курса:
в следующей последовательности:
зд
- сигналы - ПУ и ϕ (из приемника СНС и задатчика маршрута) подключают к входу регулятора: рулевого привода - δ,
зд
- сигналы - V и V (из приемника СНС и задатчика маршрута) подключают к входу регулятора оборотов гребного вала - n,
- сигнал угловой скорости - ω формируют в регуляторе рулевого привода - δ и подключают к его входу,
подр
- сигналы закона точного управления с выхода блока коррекции сигналов управления, подключенные к входу регуляторов: рулевого привода - δ, оборотов гребного вала - n и привода оборотов подруливающего устройства - n, отключают (формируется управление рулевым приводом по закону (1) и приводом оборотов гребного вала по закону (2) (подруливающее устройство отключается).
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
1
Через интервал времени Δt в блоке сравнения вновь формируется сигнал
и сравнивается с постоянной C.
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
1
Если
, то через следующий интервал времени Δt вновь формируется сигнал
и сравнивается с постоянной C… (остается штатное управление).
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Если
, то формируются сигналы для формирования точных законов управления, т.е. возвращаемся к разделу, см. выше: «Б. Формирование точного закона управления)…».
Система автоматического управления движением судна по заданной траектории (см. фиг.)
зд
зд
Рассмотрим систему автоматического управления движением судна по заданной траектории, структура которой разработана с использованием предлагаемого способа управления движением судна по заданной траектории. К штатному режиму управления движением, при котором в качестве основной информации используются сигналы путевого угла - ПУ и скорости хода V, добавлен режим точного управления с использованием в качестве основной навигационной информации текущей и заданной широты - Ф, Ф и долготы - γ, γ судна).
зд
зд
подр
Система содержит: приемник спутниковой навигационной системы (СНС) - 1, задатчик маршрута - 2, регулятор рулевого привода δ - 3, рулевой привод - 4, регулятор привода оборотов гребного вала n - 5, привод оборотов гребного вала - 6, регулятор оборотов подруливающего устройства n - 7, подруливающее устройство - 8, блок сравнения - 9, блок разностей - 10, блок коррекции сигналов управления - 11, блок 4-х секторов путевого угла - 12, судно - 13 (объект управления). Все связи между блоками системы приведены на фиг. Реализация предлагаемой системы может быть осуществлена с использованием микросхем типа 140-УД 6 и 140 УД-8:
- сумматоры: блоки: 2, 3, 5, 7, 9, 10, 11,
- интегратор 12.
Задатчик маршрута - 2 - программный блок формирования сигналов: заданного значения угла курса и скорости хода, а также заданных широт и долгот для движения по заданной траектории от точки Д к точке Б…
Штатные судовые системы:
зд
- приемник СНС-1 (с возможностью выработки угловой скорости - ω с точностью не ниже 0,05 гр/с, сигнал dϕ/df может формироваться также в регуляторе рулевого привода δ - 3).
- рулевой привод - 4,
- привод оборотов гребного вала - 6,
- подруливающее устройство - 8.
Система автоматически обеспечивает движение корабля по заданной траектории в двух режимах: как при штатном режиме управления, так и при законе точного управления.
зд з
1а. Штатный режим управления реализуется по путевому углу - ПУ=ϕ
В регулятор рулевого привода 0-3 вводятся сигналы:
- ПУ - текущего путевого угла (с приемника CHC-1),
зд
- ϕ - заданного (программного) угла курса (с задатчика маршрута - 2),
- ω - угловой скорости судна (которая формируется в регуляторе рулевого привода δ - 3).
Таким образом, формируется закон управления рулевым приводом - 4:
<mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
;
зд
где: δ - заданный угол перекладки руля,
зд
ПУ, ϕ(t) - путевой угол и заданный (программный) угол курса, G) - угловая скорость судна,
1
2
K K - коэффициенты регулирования;
зд
зд
Сигнал δ в зависимости (1) (с выхода регулятора рулевого привода - 3) вводится на вход рулевого привода - 4, это обеспечивает вывод судна на путевой угол - ПУ, равный заданному (программному) углу курса - ϕ.
зд
1б. Типовое (штатное) управление скоростью хода судна - V=V.
зд
Для управления скоростью хода судна используют сигналы заданной скорости хода - V (из задатчика маршрута - 2) и текущей скорости хода - V (из приемника СНС - 1), которые вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - 5 (на выходе регулятора - 5 формируется закон управления приводом оборотов гребного вала - 6):
зд
1
зд
n=K(V-V)+ƒ(n,V), где:
зд
n - заданные обороты гребного вала,
ƒ(n, V) - штатный закон управления приводом гребного вала - 6,
зд
(V-V) - сигнал рассогласования по скорости хода судна.
зд
1
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Штатный закон управления (1) и (2) формируется в системе только при величине модуля рассогласования - путевого угла - ПУ (из приемника СНС-1) и заданного угла курса - ϕ (из задатчика маршрута - 2) больше С:
. Эта зависимость формируется в блоке сравнения - 9 и только при выполнении этого условия формируется штатный закон управления (1), (2) в регуляторе рулевого привода - 3 и регуляторе привода оборотов гребного вала - 5.
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
зд
зд
зд
зд
зд
зд
Формирование и использование закона точного управления движением судна производится при удовлетворении зависимости:
, которая может вырабатываться в блоке сравнения - 9 вместо зависимости
. При этом в блок разностей - 10 из приемника СНС - 1 поступит текущая широта - Ф и долгота - 7, а из задатчика маршрута - 2 - заданная широта - Ф и заданная долгота - γ Для формирования сигналов: (Ф-Ф), (γ-γ) и сигналов, производных от сигналов широты - dФ/dt и долготы - dγ /dt, которые вводятся в блок коррекции законов управления - 11, в блок коррекции законов управления - 11 также вводится сигнал одного из четырех секторов, в котором находится вектор путевого угла а), или б), или в), или г) (из блока 4-х секторов путевого угла - 12). Для формирования в блоке - 12 сигнала одного из четырех секторов, в котором находится вектор путевого угла., сигнал путевого угла - ПУ (из приемника СНС) вводится в блок - 12. В блоке коррекции сигналов управления - 11 по сигналу сектора: а), или б) или в) или г) (из блока 12), а также сигналам разностей (Ф-Ф) и (γ-γ) и сигналам производных от сигналов широты - dФ/dt и долготы - dγ/dt из блока разностей 10 формируют законы точного управления в регуляторах:
кор
1
зд
2
1. рулевого привода - δ - 3 - Δδ, которые вводятся в регулятор - 3, а сигналы K(ПУ-ϕ)+Kω отключают (раннее подключенные к входу регулятора - 3 при штатном управлении),
подр
подр.зд
2. оборотов подруливающего устройства - n - 7. сигнал - n - формируется в регуляторе - 7.
зд
зд
3. оборотов гребного вала n - 5 сигнал - Δn - формируется в регуляторе - 5.
кор
подр.зд
зд
(Формирование сигналов Δδ, n, Δn - подробно рассмотрено в описании изобретения.)
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>П</mi><mi>У</mi><mo>−</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
При выработке в блоке сравнения - 9 неравенства
:
- сигналы корректировки трех законов точного управления из блоке - 11. отключают от регуляторов: - 3, 5 и 7,
зд
- в блоке 3 сигнал из приемника СНС-1 - ПУ и сигнал из задатчика маршрута - 2 - ϕ подключают к входу регулятора рулевого привода - 4,
- формируют в блоке 3 сигнал ω, который вводят на вход регулятора - 4, возвращаясь тем самым к закону штатного управления (1),
- отключают привод подруливающего устройства - 8.
Моделирование рассмотренного выше способа автоматического управления движением судна подтвердило его работоспособность, а следовательно, и высокую эффективность использования предложенного способа управления движением судна по заданной траектории.