Способ управления движением буксирной системы
CONTROL METHOD OF TOWING SYSTEM MOVEMENT

Изобретение относится к управлению движущимися объектами, связанными гибкой связью, например буксирной системой, элементами которой являются: буксирующее судно, буксирный трос, буксируемое судно (фиг. 1), при выполнении буксирной операции, и касается автоматического управления движительно-рулевыми комплексами буксирующего и буксируемого судов, а также техническими средствами управления буксирным тросом, например, автоматической буксирной лебедкой с использованием значений координат двух разнесенных по длине обоих судов точек в заданной координатной системе, положение и ориентация которой на плоскости определяется безопасностью выполнения буксирной операции.
Известен способ управления движущимся судном, например, буксирующим по величине поперечных смещений двух разнесенных по длине судна точек, условно называемых носовой F и кормовой А, и условной точки G, расположенной в пределах корпуса судна в его диаметральной плоскости (ДП) (фиг. 2-6), текущее положение которой определяют исходя из текущих значений координат носовой F и кормовой A точек (Пат. РФ №2553610, опубл. 20.06.15).
Способ заключается в том, что в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 2-6), а другая к корме судна (точка A на фиг. 2-6) относительно плоскости мидель-шпангоута. Координаты точек F и A определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м).
xoF
xoA
o
yoF
yoA
o
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F(d) и точки A(d) от оси OY и продольные отклонения точки F(d) и точки A(d) от оси ОХ.
Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
1
2
0
y
o
o
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
o
xoF
xoA
o
где α, α - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY. Сигнал σ считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 3-6 изображены основные варианты возможных отклонений судна от оси OY. Например, на фиг. 3, 4 ДП судна пересекает ось OY под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F(d) и точки А(d), причем d больше 0, d меньше 0 (фиг. 3) и d меньше 0, d больше 0 (фиг. 4). В первом случае (фиг. 3) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d и d и в конечном итоге к совпадению ДП судна и оси OY; во втором случае (фиг. 4) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d, d и к совпадению ДП судна и оси OY.
o
у
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 5, 6 ДП судна не пересекает линию OY, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 5 и отрицательные на фиг. 6. Знак σ и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α и α (α больше α, если знаки поперечных смещений точек F и A одинаковы, фиг. 5, 6; α и α будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и A противоположны, фиг. 3, 4). Соотношение значений коэффициентов α и α может быть выбрано из различных соображений.
Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
1
2
o
х
где β, β - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси ОХ. Сигнал σ считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку O в процессе выполнения маневрирования будет обеспечиваться исходя из условия
от
от
оз
оз
o
o
o
Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ, λ) и заданных (ϕ, λ) координат точки O сигнал на изменение положения начала координатной системы XOY (σ):
от
oт
оз
оз
1
2
где ϕ, λ - текущие значения широты и долготы точки О соответственно; ϕ, λ - заданные значения широты и долготы точки O соответственно; χ, χ - коэффициенты усиления.
o
т
з
Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY относительно направления на N с учетом значений текущего ψ и заданного ψ угла поворота:
где γ - коэффициент усиления.
оз
оз
о
o
При этом значения заданных координат (ϕ, λ) начала координатной системы XOY определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования.
o
Значение заданного направления оси OY определяют исходя из безопасности управления движением судна.
о
o
Таким образом, меняется положение и ориентация координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна.
Кроме того, известен способ управления траекторией буксируемого судна по величине поперечных смещений двух разнесенных по длине буксируемого судна точек, условно называемых носовой F' и кормовой A' (патент РФ №2470828, опубл. 27.12.12).
Способ заключается в том, что буксирующее судно (фиг. 7) является задатчиком траектории движения для буксируемого судна 2 и любое изменение его движения по курсу влечет за собой изменение траектории движения буксируемого судна 2 (позиция 4 на фиг. 7 - буксирный трос).
На буксирующем судне 1 в пределах его контура в его ДП выбирают две точки. Одна из них расположена к носу судна 1 (точка F на фиг. 7), а другая к корме судна 1 (точка A на фиг. 7) относительно плоскости мидель-шпангоута. Координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м).
oF
oF
оА
oA
Значения координат точки F(X, Y) и точки A(Х, Y) позволяют непрерывно вычислять положение линии ДП буксирующего судна 1 и передавать его на буксируемое судно 2.
На буксируемом судне 2 в пределах его контура в его ДП выбирают две точки. Одна из них расположена к носу буксируемого судна 2 (точка F' на фиг. 7), а другая к его корме (точка A' на фиг. 7) относительно плоскости мидель-шпангоута. Координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м).
oF'
oF'
оА'
oA'
F'
A'
Непрерывное определение значений координат точек F'(X, Y) и A'(Х, Y) буксируемого судна 2 позволяет непрерывно вычислять поперечные смещения точки F'(d) и точки A'(d) от текущего положения линии ДП буксирующего судна 1 (позиция 3 на фиг. 7) Причем поперечное смещение точки F' или A' от линии ДП буксирующего судна 1 считается положительным, если точка (F' или A') смещается вправо и отрицательным, если она смещается влево относительно линии ДП буксирующего судна 1.
Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса буксируемого судна по закону:
F'
A'
F'
А'
где k, k - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек буксируемого судна 2 от линии ДП буксирующего судна 1. Это положительные величины, причем численное значение коэффициента k больше численного значения коэффициента k.
Значения отклонений точек F' и A' от линии ДП буксирующего судна 1 определяются по формулам:
oF
oF
оA
oA
oF'
oF'
оА'
oA'
где X, Y, Х, Y - координаты носовой и кормовой точек буксирующего судна; X, Y, Х, Y - координаты носовой и кормовой точек буксируемого судна.
Однако управление буксирной системой будет удовлетворять требованиям безопасности только в том случае, когда управления буксирующим и буксируемым судном взаимосвязаны, то есть буксирная система управляется как единый управляемый технический комплекс. В частности, для обеспечения безопасности буксирной операции в определенных условиях плавания требуется не только синхронное управление буксирующим и буксируемым судами, но и автоматическое регулирование длины буксирного троса, так как длина буксирного троса оказывает влияние на управляемость буксирной системы. Способ управления движением судна (патент РФ №2553610, опубл. 20.06.15) и способ управления траекторией движения буксируемого судна (патент РФ №2470828, опубл. 27.12.12) не способствуют в полной мере выполнению условий безопасности при осуществлении буксирной операции, так как не обеспечивают взаимосвязанное управление буксирующим и буксируемым судами как единым управляемым техническим комплексом.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в приведении буксирующего и буксируемого судна в заданное положение на плоскости при выполнении движения буксирной системы по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения буксирующего и буксируемого судов исходя из требований безопасности выполнения буксирной операции.
Для достижения указанного технического результата в способе управления движущимся судном, когда в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 2-6), а другая к корме судна (точка A на фиг. 2-6) относительно плоскости мидель-шпангоута. Координаты точек F и A определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м).
xoF
xoA
o
yoF
yoA
o
o
o
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F(d) и точки A(d) от оси OY и продольные отклонения точки F(d) и точки A(d) от оси ОХ. Знаки указанных отклонений зависят от октанта декартовой координатной системы XOY, в котором находятся точки F и А.
Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
1
2
0
y
o
o
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
o
xoF
xoA
o
где α, α - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY. Сигнал σ считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 3-6 изображены основные варианты возможных отклонений судна от оси OY. Например, на фиг. 3, 4 ДП судна пересекает ось OY под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F(d) и точки А(d), причем d больше 0, d меньше 0 (фиг. 3) и d меньше 0, d больше 0 (фиг. 4). В первом случае (фиг. 3) согласно закону (*) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d и d и в конечном итоге к совпадению ДП судна и оси OY; во втором случае (фиг. 4) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d, d и к совпадению ДП судна и оси OY.
o
y
1
2
1
2
1
2
1
2
o
На фиг. 5, 6 ДП судна не пересекает линию OY, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 5 и отрицательные на фиг. 6. Знак σ и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α и α (α больше α, если знаки поперечных смещений точек F и A одинаковы, фиг. 5, 6; α и α будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и A противоположны, фиг. 3, 4). Соотношение значений коэффициентов α и α может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП судна от линии OY будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:
где l - расстояние между точками F и А.
Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:
1
2
o
х
где β, β - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси ОХ. Сигнал σ считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку O в процессе выполнения ключевой судовой операции будет обеспечиваться исходя из условия (см. фиг. 2)
от
от
оз
оз
o
o
o
Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ, λ) и заданных (ϕ, λ) координат точки O сигнал на изменение положения начала координатной системы XOY (σ):
от
от
оз
оз
1
2
где ϕ, λ - текущие значения широты и долготы точки O соответственно; ϕ, λ - заданные значения широты и долготы точки O соответственно; χ, χ - коэффициенты усиления.
o
т
з
Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY относительно направления на N с учетом значений текущего ψ и заданного ψ угла поворота:
где γ - коэффициент усиления.
оз
оз
о
o
При этом значения заданных координат (ϕ, λ) начала координатной системы XOY определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования.
o
Значение заданного направления оси OY определяют исходя из безопасности и энергетической эффективности управления движением судна.
о
o
Таким образом, меняется положение и ориентация координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна.
Отличительными признаками предлагаемого способа от указанных выше известных, указанных выше, являются следующие:
o
o
o
o
tз
tт
- для обеспечения регулирования длины буксирного троса перпендикулярно оси OY устанавливается дополнительная ось O'Х' (фиг. 1), исходное положение которой определяется исходным положением точки O' на оси OY, которое в свою очередь определяется исходным положением условной точки буксируемого судна G' на поверхности Земли в момент начала буксирной операции, то есть на момент начала буксирной операции положениея точек O' и G' на поверхности Земли совпадают, при этом в процессе буксировки положение оси O'Х' может меняться с учетом соблюдения условий безопасности выполнения буксирной операции, в частности, для уменьшения амплитуды рыскания буксируемого судна, величина сигнала управления, поступающего на управляющий элемент автоматической буксирной лебедки, определяется разностью заданного l и текущего l значений длины буксирного троса
где δ - коэффициент усиления;
o
- дополнительно для обеспечения вывода и удержания буксируемого судна на заданной траектории движения, когда ДП буксируемого судна совпадает с положительным направлением оси OY, а условная точка G' (фиг. 8) буксируемого судна совпадает с положением точки O' на поверхности Земли, формируют два сигнала управления:
x'oF'
yoF'
o
o
x'oA'
yoA'
o
o
x'oF'
yoF'
x'oA'
yoA'
o
o
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
y
х
где d, d - отклонения носовой точки буксируемого судна от оси OY и O'Х' соответственно (фиг. 8); d, d - отклонения кормовой точки буксируемого судна от оси OY и O'Х' соответственно; знаки отклонений d, d и d, d определяют с учетом места расположения соответствующей точки (F' или A') в координатной системе X'O'Y; α', α', β', β' - коэффициенты усиления, подбираемые специально для конкретного буксируемого судна и конкретной буксирной операции с целью повышения качества управления при ее выполнении; значения коэффициентов α', α', β', β' могут быть определены компьютерным моделированием конкретной буксирной операции, например α'=-1,1; α'=0,9; β'=-1,0; β'=-1,0. Сигнал σ' считается положительным при вращении буксируемого судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении буксируемого судна против часовой стрелки. Сигнал σ' считается положительным при движении буксируемого судна передним ходом и отрицательным при движении буксируемого судна задним ходом.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-8.
0
На фиг. 1 представлена общая схема буксировки, на фиг. 2 - управление буксирующим судном, на фиг. 3, 4, 5, 6 показаны основные варианты возможных отклонений судов от оси OY, на фиг. 7 - управление буксируемым судном по патенту №2470828, на фиг. 8 - управление буксируемым судном по предлагаемому способу.
Предлагаемый способ управления движением буксирной системы для приведения буксирующего и буксируемого судна в заданное положение на плоскости при выполнении движения буксирной системы по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения буксирующего и буксируемого судов исходя из требований безопасности выполнения буксирной операции, осуществляется следующим способом:
o
в пределах контура буксирующего судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу буксирующего судна (точка F на фиг. 2), а другая к корме буксирующего судна (точка A на фиг. 2) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками F и A выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением буксирующего судна относительно оси OY.
Координаты точек F и A определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.
xoF
xoA
o
yoF
yoA
о
o
o
Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F(d) и точки A(d) от оси OY и продольные отклонения точки F(d) и точки A(d) от оси ОХ (фиг. 2). Знаки указанных отклонений зависят от октанта декартовой координатной системы XOY, в котором находятся точки F и A.
Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса буксирующего судна по закону:
1
2
0
y
o
o
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
xoF
xoA
o
xoF
xoA
o
где ось α, α - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY. Сигнал σ считается положительным при вращении буксирующего судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении буксирующего судна против часовой стрелки. На фиг. 3-6 изображены основные варианты возможных отклонений буксирующего судна от оси OY. Например, на фиг. 3, 4 ДП буксирующего судна пересекает ось OY под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F(d) и точки А(d), причем d больше 0, d меньше 0 (фиг. 3) и d меньше 0, d больше 0 (фиг. 4). В первом случае (фиг. 3) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение буксирующего судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d и d и в конечном итоге к совпадению ДП буксирующего судна и оси OY; во втором случае (фиг. 4) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение буксирующего судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d, d и к совпадению ДП буксирующего судна и оси OY.
o
y
1
2
1
2
1
2
1
2
o
На фиг. 5, 6 ДП буксирующего судна не пересекает линию OY, а поперечные смещения точек F, A имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 5 и отрицательные на фиг. 6. Знак σ и соответствующее ему направление вращения буксирующего судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α и α (α больше α, если знаки поперечных смещений точек F и A одинаковы, фиг. 5, 6; α и α будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и A противоположны, фиг. 3, 4). Соотношение значений коэффициентов α и α может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП 3 судна 1 от линии OY будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:
где l - расстояние между точками F и A.
Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса буксирующего судна по закону:
1
2
o
х
где β, β - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек буксирующего судна от оси ОХ. Сигнал σ считается положительным при движении буксирующего судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку O в процессе выполнения буксирной операции будет обеспечиваться исходя из условия
от
от
оз
оз
o
o
o
Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ, λ) и заданных (ϕ, λ) координат точки O сигнал на изменение положения начала координатной системы XOY (σ):
от
от
оз
оз
1
2
где ϕ, λ - текущие значения широты и долготы точки O соответственно; ϕ, λ - заданные значения широты и долготы точки O соответственно; χ, χ - коэффициенты усиления.
o
т
з
Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY относительно направления на N с учетом значений текущего ψ и заданного ψ угла поворота:
где γ - коэффициент усиления.
оз
оз
o
o
При этом значения заданных координат (ϕ, λ) начала координатной системы XOY определяют исходя из заданного положения буксирующего судна на заданной траектории движения.
o
o
Значение заданного направления оси OY определяют исходя из безопасности выполнения буксирной операции. В частности, при движении буксирующего судна по заданной траектории буксировки положение оси OY может направляться по касательной к заданной траектории движения.
o
o
Таким образом, меняется положение и ориентация координатной системы XOY на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования буксирующего судна при выполнении буксирной операции.
o
Для обеспечения вывода и удержания буксируемого судна на заданной траектории движения, когда ДП буксируемого судна совпадает с положительным направлением оси OY (фиг. 8), а условная точка G' буксируемого судна совпадает с положением точки O' на поверхности Земли, формируются два сигнала управления:
x'oF'
yoF'
o
o
x'oA'
yoA'
o
o
x'oF'
yoF'
x'oA'
yoA'
o
o
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
y
х
где d, d - отклонения носовой точки буксируемого судна от оси OY и O'Х' соответственно (фиг. 8); d, d - отклонения кормовой точки буксируемого судна от оси OY и O'Х' соответственно; знаки отклонений d, d и d, d определяют с учетом места расположения соответствующей точки (F' или A') в координатной системе X'O'Y; α', α', β', β' - коэффициенты усиления, подбираемые специально для конкретного буксируемого судна и конкретной буксирной операции с целью повышения качества управления при ее выполнении; значения коэффициентов α', α', β', β' могут быть определены компьютерным моделированием конкретной буксирной операции, например α'=-1,1; α'=0,9; β'=-1,0; β'=-1,0. Сигнал σ' считается положительным при вращении буксируемого судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении буксируемого судна против часовой стрелки. Сигнал σ' считается положительным при движении буксируемого судна передним ходом и отрицательным при движении буксируемого судна задним ходом.
o
o
tз
tт
При возникновении необходимости изменения длины буксирного троса с целью обеспечения безопасности выполнения буксирной операции в конкретных условиях плавания меняется положение точки O' начала координатной системы X'O'Y (фиг. 1) на поверхности Земли, величина сигнала управления, поступающего на управляющий элемент автоматической буксирной лебедки, определяется разностью заданного l и текущего l значений длины буксирного троса (фиг. 1)
где δ - коэффициент усиления.
o
При этом в процессе буксировки положение оси O'Х' может меняться с учетом соблюдения условий безопасности выполнения буксирной операции, в частности, для уменьшения амплитуды рыскания буксируемого судна или при движении в стесненных условиях плавания.
В результате применения данного изобретения достигается возможность получения технического результата - обеспечение приведения буксирующего и буксируемого судна в заданное положение на плоскости при выполнении движения буксирной системы по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения буксирующего и буксируемого судов исходя из требований безопасности выполнения буксирной операции.