СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ

Предполагаемая полезная модель относится к области судовождения автоматическому управлению движением судна по заданному маршруту.
Известна система автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованная в «Системе автоматического управления судном», принятая нами в качестве прототипа (RU 2240953 С1, 27.11.2004). Эта система автоматического управления движением судна базируется на использовании информации - путевого угла от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, задатчика заданного значения путевого угла и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла, угла перекладки руля и угловой скорости судна формируется сигнал для управления рулевым приводом судна.
зд
В системах автоматического управления движением судна по заданной траектории управление осуществляется кормовым рулевым приводом с использованием: датчика руля - δ, датчика угловой скорости - ω, датчика угла курса - φ, задатчика угла курса - φ и сумматора на выходе которого формируется закон управления рулевым приводом вида:
зд
dδ/dt=К1(φ-φ)+К2(ω)-К3(δ)
где: δ - угол перекладки руля,
зд.
φ, φ - угол курса и заданный угол курса,
ω - угловая скорость судна,
К1, К2, К3 - коэффициенты регулирования.
зд.
Сигнал вида dδ/dt с выхода сумматора вводится на вход рулевого привода. Это обеспечивает, в соответствие с заданной траекторией, автоматическое управление движением судна по заданному углу курса - φ при отсутствии внешних возмущений. Использование известных систем управления движением судна по заданной траектории не позволяет получить требуемую точность движения при появлении внешних возмущений, т.к. появляется угол дрейфа судна, а, следовательно, уход с заданной траектории движения и потеря крейсерской скорости хода судна.
Приведенная ниже система управления лишена этих недостатков т.к. обеспечивает точное движение судна по заданной траектории даже при сильных внешних возмущениях как по силе, так и по моменту.
Техническим результатом, предлагаемой системы управления движением судна, является:
- формирование точного управления движением судна по заданной траектории,
- повышение безопасности проводки судна в узкостях.
Технический результат достигается благодаря:
зд
зд,
- введению корректировки заданного значения угла курса Δφ., (корректируемая величина заданного угла курса Δφ, введенная в приведенный выше закон управления рулевым приводом, компенсирует внешние возмущения),
зд..
- сигнал корректировки Δφ производится в течение всего рейса циклически с интервалом времени Δt,
зд.
- повышению точности стабилизации движения судна по заданной траектории, при наличии внешних возмущений как по силе, так и моменту. Отличительной особенностью рассматриваемой системы управления является введение коррекции заданного путевого угла Δφ. При этом закон управления движением судна, в предлагаемой системе принимает вид:
где: δ - угол перекладки руля,
зд.
φ, φ - путевой угол и заданный путевой угол,
зд.
Δφ - коррекция заданного угла курса, (величина которой циклически уточняется и вводится регулярно через интервалы времени Δt в течение интервала времени τ<Δt).,
ω - угловая скорость судна,
К1, К2, К3. - коэффициенты регулирования.
зд.
Определение величины коррекции заданного угла курса - Δφ
0
зд.0
зд0
зд.1
1
0
2
зд.2
2
1
В момент времени - t сигнал Δφ поступает на вход сумматора, при этом на выходе сумматора формируется закон управления рулевым приводом (1.). Сигнала Δφ в законе (1) подключается на интервал времени τ<Δt, что повышает точность движения судна по заданной траектории. Через интервал времени Δt формируется сигнал Δφ, который вводят на вход сумматора на интервале времени Δt=(t-t) Далее в момент времени t величина Δφ подключается к сумматору и на интервале времени: Δt=(t-t) вновь обеспечивается уточненное управление движением судна в соответствии с заданной траекторией.
зд.
Величина сигнала коррекции заданного угла курса - Δφ определяется величиной бокового сноса судна относительно заданной траектории движения.
При наличии внешних возмущений, приводящих к боковому сносу судна, текущий путевой угол судна практически равен заданному путевому углу:
где: ПУ - (текущий) путевой угол судна,
зд
ПУ - величина заданного путевого угла на траектории движения.
0
0.
0.
0
В момент времени t корректировки закона управления (1), судно находится на широте ψ=ψ, текущей долготе γ=γ и движется с текущим углом курса φ=φ.
0
расч.
расч.0
расч
расч.0.
зд.
зд.0
В момент времени t заданная расчетная точка нахождения судна на заданной линии траектории движения судна имеет широту ψ=ψ, долготу γ=γ) и заданный угол φ=φ.
зд.
Величина коррекции заданного угла курса - Δφ
1. Рассмотрим режим движения судна при φ≈0 (вблизи нулевого угла курса)
Δφ
=(γ
-γ
),
зд.
0
расч.0
2. Рассмотрим режим движения при φ≈90° (движение на постоянной широте)
Δφ
=(ψ
-ψ
)
зд.
0
pacч.0
3. Рассмотрим режим движения при
Δφ
.=(γ
-γ
) Cos φ
зд
0
расч.0
4. Рассмотрим режим движения при
зд.
0
расч.0
Δφ=(ψ-ψ) Sin φ.
зд.
зд
0
зд/0
0
Для вычисления Δφ при любом значении угла курса разобьем все пространство, в котором может располагаться текущий вектор угла курса на четыре квадранта (первый квадрат -45° - +45°, второй 45°-135°, третий 135°-225° и четвертый 225°-315°), определим, в каком квадранте движется судно (т.е. в каком квадранте находится вектор текущего угла курса φ). При нахождении вектора φ в первом или третьем квадранте формируют Δφ, используя текущие долготы γ=γ судна и заданные долготы γ - точки линии траектории при широте судна ψ=ψ в соответствии зависимостью (3). В случае же нахождения вектора - φ во втором или четвертом квадрантах используют зависимость (4).
зд.
зд.
Полезная модель - система автоматического управления движением судна по заданной траектории содержит: задатчик - φ, навигационный измеритель - φ, -Ψ, -γ, датчик руля - δ, датчик угловой скорости - ω (ДУС), рулевой привод, сумматор к входу которого подключены: задатчик - φ, сигнал - φ с навигационного измерителя - φ, -Ψ, -γ, датчик руля - δ, и датчик угловой скорости - ω (ДУС).
В этом случае на выходе сумматора формируется заданное значение скорости перекладки руля dδ/dt вида:
dδ/dt=К1(φ-φ.зд)+К2(ω)-К3(δ)
где: δ - угол перекладки руля поступает с датчика руля,
φ, угол курса - с навигационного измерителя,
зд.
зд
φ - заданный угол курса - с задатчика - φ,
ω - угловая скорость судна - с датчика угловой скорости - ω,
К1, К2, К3 - коэффициенты регулирования.
зд
зд
Выход сумматора - dδ/dt подключен к входу рулевого привода. Однако для достижения заявленного технического решения полезная модель дополняется и содержит вычислитель и блок четырех квадрантов, к входу которого от навигационного измерителя подключен сигнал - φ, к входу вычислителя подключены выход блока четырех квадрантов и выход навигационного измерителя с тремя сигналами - φ, -Ψ, -γ, в вычислитель также введена: заданная в координатах широты Ψ и долготы γ, линия траектории движения судна. Если с выхода блока четырех квадрантов на вход вычислителя Δφ поступает сигнал-команда о нахождении вектора путевого угла в первом или третьем квадрантах, то в вычислителе формируется сигнал Δφ вида:
где γ - текущая долгота поступает с навигационного датчика,
расч
расч.
γ - текущая заданная долгота точки линии траектории движения судна, широта, которой Ψ=Ψ,
Ψ - текущая широта судна - с навигационного датчика,
φ - текущий угол курса - с навигационного измерителя.
зд
Если с выхода блока четырех квадрантов на вход вычислителя поступает команда о нахождении вектора угла курса во втором или четвертом квадрантах, то в вычислителе формируется Δφ вида:
зд.
расч.
Δφ=(ψ-ψ)/Sin φ,
где Ψ - текущая широта судна поступает с навигационного измерителя,
расч.
расч.
Ψ - текущая заданная широта точки линия траектории движения судна, долгота которой γ=γ,
γ - текущая долгота поступает с навигационного датчика,
φ - текущий угол курса с навигационного датчика.
зд.0
0
0
зд.1.
2
1
зд2
Сигнал Δφ, с выхода вычислителя подключен к входу сумматора в момент времени t и отключается, в момент времени tτ=t+τ где (τ<Δt) Через следующий интервал времени Δt формируют сигнал Δφ и подключают к сумматору на интервал времени τ, в момент времени t=t+Δt формируют сигнал Δφ и подключают к сумматору.
Разработка и использование полезной модели - системы автоматического управления движением судна по заданной траектории
зд
Блок схема системы приведена на фигуре. Система содержит: 1 - задатчик- φ, 2 - навигационный измеритель - φ, -Ψ, -γ, 3 - датчик руля - δ, 4 - сумматор, 5- датчик угловой скорости- ω (ДУС), 6 - рулевой привод, 7 - объект управления - судно, 8 - вычислитель, 9 - блок четырех квадрантов.
Все связи между блоками системы приведены на фигуре. Реализация предлагаемой системы может быть осуществлена с использованием цифровой вычислительной техники или с использованием микросхем типа 140 УД 6 и 140 УД-8 (сумматор 4, задатчик 1.). Датчик угловой скорости 5 - типовой датчик угловой скорости- ДУС-5 с чувствительностью не ниже 0,05 гр/с. Штатные судовые системы: 2-навигационный измеритель, рулевой привод - 6.
Система автоматически обеспечивает уточненное движение судна по заданной траектории.
На вход сумматора - 4 поступают сигналы:
- угловой скорости судна ω - с датчика угловой скорости - 5,
- угла перекладки руля δ - с датчика руля - 3,
- текущего путевого угла ПУ - с навигационного измерителя - 2,
зд.
- заданного путевого угла ПУ  с задатчика - 1,
зд
- коррекции заданного путевого угла Δ  с вычислителя.
зд.
зд
На выходе сумматора 4 формируется заданное значение угловой скорости перекладки руля d δ/dt. В соответствии с зависимостью (1) руль автоматически перекладывается и обеспечивает удержание судна на заданной траектории движения с углом курса-φ равным заданному углу курса - φ.
зд.
зд
Движение судна по заданной траектории осуществляется практически с нулевым углом дрейфа даже при наличии боковых внешних возмущений. Это достигается благодаря использованию сигнала корректировки заданного путевого угла Δφ в законе управления (1). Сигнал - Δφ вырабатывается в вычислителе. 8. и вводится на вход сумматора 4. При этом на выходе сумматора 4 формируется закон управления движением судна вида (1), который обеспечивает уточнение движения судна по заданной траектории при наличии внешних возмущений, действующих на судно.
зд.0
0
0
0
зд 1
2
1
зд.2.
Сигнал Δφ, с выхода вычислителя - 8 подключен к входу сумматора - 4 в момент времени t и отключается, в момент времени tτ=t+τ, где τ<Δt, через интервал времени Δt в вычислителе - 8 формируют сигнал Δφ и подключают к сумматору - 4. на интервал времени τ, в момент времени t=t+Δt формируют сигнал Δφ и подключают к сумматору и т.д.
зд
Выработка сигнала коррекции заданного путевого угла Δφ
0
зд.
В момент t. из навигационного измерителя -2 поступает сигнал текущего угла курса - φ на вход блока четырех квадрантов - 9, где формируется сигнал - команда о нахождении вектора путевого угла либо в первом (третьем) квадрантах, либо во втором (четвертом) квадрантах. Логический сигнал с выхода блока четырех квадрантов - 9 поступает в вычислитель - 8. При нахождении вектора угла курса - φ в первом (третьем) квадрантах, соответствующий логический сигнал, в вычислителе- 8 формирует зависимость для вычисления Δφ вида:
зд.
.
0
расч.0
0
Δφ=(γ-γ) Cosφ
где:
0
0
0
γ, φ - текущая долгота и текущий угол курса судна в момент времени t., (,вводится в вычислитель - 8 из навигационного измерителя - 2),
расч.0
расч.0
0
γ - расчетная долгота точки линии траектории движения судна, соответствующая широте Ψ=Ψ, вводится в вычислитель - 8 из навигационного измерителя - 2,
0
0
Ψ - широта судна в момент времени t.
зд.
При нахождении вектора угла курса - φ во втором (четвертом) квадрантах, соответствующий этому условию логический сигнал, в вычислителе- 8 формирует зависимость для вычисления Δφ вида:
зд.
.
0
расч.0
0
Δφ=(Ψ-Ψ)Sinφ
где:
0
0
Ψ, φ - текущая широта и угол курса судна в момент времени t., вводится в вычислитель = 8 из навигационного датчика - 2,
расч.0
Ψ -расчетная широта точки линии траектории
расч.0
.0
движения судна, соответствующая долготе γ=γ вводится в вычислитель - 8 из навигационного измерителя - 2,
.0
0
γ - долгота судна в момент времени t.
зд.
Введение сигнала коррекции заданного угла курса Δφ в закон управления (1) позволило существенно повысить точность движения судна по заданной траектории при наличии внешних возмущений, действующих в боковом направлении.
Моделирование рассмотренной выше системы автоматического управления движением судна практически с нулевым боковым сносом подтвердило его работоспособность, а следовательно, и высокую эффективность использования предложенной системы управления движением судна по заданной траектории.