СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ
SHIP CONTROL SYSTEM

Настоящее техническое решение относится к области судовождения, а именно к средствам автоматического управления движением широкого класса судов.
Известна система автоматического управления судном, патент RU 2248914, B63H 25/04 от 01.03.2004, содержащая датчик и задатчик курса, датчик угловой скорости, датчик кормовых рулей, выходы которых подключены к входам первого сумматора-усилителя, выход которого соединен с входом рулевого привода кормовых рулей, датчик угла дрейфа и датчик носовых рулей, выход которого подключен к первому входу второго сумматора-усилителя. Кроме того, в состав системы введены датчик и задатчик бокового смещения судна, задатчик допустимого угла дрейфа и блок логики, содержащий алгебраический сумматор, сумматор модулей двух сигналов, диод и электромагнитное реле с двумя нормально разомкнутыми и нормально замкнутой контактными группами. Недостатками данного технического решения являются:
1. Нестабильность характеристик. В связи с применением аналоговых узлов, параметры которых существенно зависят от условий эксплуатации (в первую очередь от температуры окружающей среды), будет наблюдаться дрейф параметров системы в целом.
2. Низкая отказоустойчивость. В структуре системы не предусмотрено каких-либо средств нейтрализации отказов отдельных узлов, поэтому выход из строя любого узла приведет к отказу системы в целом.
3. Ограниченные функциональные возможности. Внедрение дополнительных управляющих звеньев или расширение набора датчиков потребует полной переработки аппаратуры системы управления.
4. Фиксированный алгоритм управления. Как и в случае расширения, реализация другого алгоритма управления потребует полной переработки аппаратуры.
Задачи расширения функциональных возможностей, применения различных алгоритмов управления и повышения стабильности благодаря наличию цифрового вычислителя частично решаются в аппаратуре автоматического управления движением судна, патент RU 2221728, B632H 25/04 от 13.05.2002, содержащей, кроме вычислителя, задатчик путевого угла, датчик угла перекладки руля, рулевой привод, опорную и вспомогательную антенну, приемник системы спутниковой навигации, сумматор, два интегратора и дифференциатор. Однако недостаток низкой отказоустойчивости в данной аппаратуре по-прежнему присутствует, так как выход из строя вычислительного устройства повлечет за собой отказ всей системы.
Наиболее полно задачу сохранения работоспособности решает система автоматического управления скоростным судном, патент RU 2085430, B63B 1/28 от 27.07.1997, содержащая две группы вычислителей, подключенных к датчикам состояния и положения судна и управляющих двумя группами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей. Из пары дублирующих друг друга вычислителей одной группы каждый вычислитель подключен, по меньшей мере, к одному из вычислителей аналогичной пары другой группы и к соответствующей группе из двух дублирующих друг друга групп датчиков с образованием самостоятельного канала управления приводами всех рулевых поверхностей. Данное изобретение может быть рассмотрено в качестве изобретения-прототипа для заявляемого технического решения. Однако оно также имеет существенный недостаток - обнаружить отказ вычислителя в системе такой конфигурации является достаточно трудной задачей.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является автоматическое сохранение работоспособности системы управления судном при возникновении отказа в вычислительном устройстве.
Данная задача решается за счет того, что заявляемое техническое решение содержит трехканальное вычислительное устройство с блоком мажоритации выходных сигналов и общим блоком синхронизации каналов.
Предлагается система управления, структурная схема которой приведена на фиг.1, где цифрой 1 обозначена группа датчиков, цифрой 2 обозначен блок сбора информации, цифрой 3 обозначен блок синхронизации, а цифрами 4, 5 и 6 обозначены соответственно первый, второй и третий вычислительные модули. Цифрой 7 обозначен блок мажоритации.
В системе выходы датчиков подключены к входам блока сбора информации 2, выходы которого, в свою очередь, соединены с информационными входами первого 4, второго 5 и третьего 6 вычислительных модулей. Первая вторая и третья группа выходов блока синхронизации 3 подключены соответственно к входам синхронизации вычислительных модулей 4, 5, 6, а первый и второй дополнительные выходы блока синхронизации подключены к одноименным входам устройства мажоритации. Выходы вычислительных модулей соединены с входами блока мажоритации 7, выход которого является выходом системы и может быть подключен к устройствам управления исполнительных механизмов судна.
На фиг.2 приведена структурная схема блока сбора информации (интегратора навигационной информации). Цифрой 1 обозначена группа приемопередающих элементов, цифрой 2 обозначен блок изолирующих элементов, цифрами 3, 4, 5, 6 обозначены соответственно первый, второй, третий и четвертый контроллеры обмена с датчиками, цифрой 7 обозначен блок управления, цифрой 8 обозначен контроллер обмена с вычислительным устройством.
При этом группа приемопередающих элементов имеет ряд входов и выходов, используемых для сопряжения с датчиками и являющихся входами и выходами интегратора навигационной информации, и ряд входов и выходов, подключенных к выходам и входам блока изолирующих элементов.
Блок изолирующих элементов повторяет информацию с входов и выходов, подключенных к группе приемопередающих элементов, на соответствующие выходы и входы, подключенные к контроллерам обмена с датчиками, остальные входы и выходы которых соединены с выходами и входами блока управления. Входы и выходы блока управления, не подключенные к контроллерам обмена с датчиками, подключены к контроллеру обмена с вычислительным устройством, остальные входы и выходы которого являются входами и выходами интегратора навигационной информации и подключаются к вычислительному устройству.
Структурная схема формирователя синхроимпульсов приведена на фиг.3, где цифрой 1 обозначен задающий генератор, цифрой 2 обозначен элемент И, цифрой 3 обозначен сдвиговый регистр, цифрой 4 обозначен первый дешифратор, цифрами 5, 6 и 7 обозначены соответственно первая, вторая и третья группа триггеров - формирователей синхроимпульсов, цифрой 8 обозначен второй дешифратор. При этом выход задающего генератора подключен к первому входу элемента И и синхронизирующему входу сдвигового регистра, к запускающему входу которого подключен выход элемента И, а выходы сдвигового регистра подключены к входам первого и второго дешифратора, выход которого подключен ко второму входу элемента И, а запускающие и сбрасывающие выходы первого дешифратора подключены к запускающим и сбрасывающим входам триггеров формирователей первой, второй и третей групп триггеров, выходы которых являются синхронизирующими выходами формирователя, у которого первый и второй дополнительные выходы являются одноименными выходами второго дешифратора.
Структурная схема блока мажоритации приведена на фиг.4, где цифрами 1, 2 и 3 обозначены первый, второй и третий узлы привязки, цифрой 4 обозначен элемент мажоритации, цифрой 5 обозначен буферный усилитель.
При этом первый и второй синхронизирующие входы узлов привязки являются соответственно входами блока мажоритации, а их выходы подключены к входам элемента мажоритации, подключенного выходом к буферному усилителю, выход которого является выходом блока.
Схема узла привязки приведена на фиг.5, где цифрами 1 и 2 обозначены первый и второй триггеры, у которых синхронизирующие входы являются соответствующими входами узла привязки, вход которого является входом первого триггера, подключенного выходом ко входу второго триггера, выход которого является выходом узла привязки
Система работает следующим образом:
Информация от датчиков и задатчиков поступает в блок сбора информации, который компонует ее в массивы, передаваемые в вычислительные модули по их запросам.
Вычислительные модули, получив идентичную входную информацию в режиме резервного счета, обрабатывают ее и после расчета управляющих воздействий выдают управляющие коды через блок мажоритации на устройства управления исполнительными механизмами судна. При этом синхронизация работы вычислительных модулей от единого формирователя синхроимпульсов обеспечивает идентичность выходной информации всех трех вычислительных модулей.
В случае возникновения отказа в одном из вычислительных модулей его выходная информация может отличаться от информации правильно работающих, но поскольку на внешние устройства информация поступает после блока мажоритации, она будет иметь значения, совпадающие, по меньшей мере, у двух вычислительных модулей, т.е. при отказе одного модуля на выход поступит информация исправных.
Такое построение системы существенно повышает вероятность выдачи правильной управляющей информации, что обеспечивает повышение надежности работы системы управления судном и соответственно безопасность.
Техническими результатами, обеспечиваемыми системой управления судном приведенной конфигурации, являются
- повышение отказоустойчивости системы управления;
- повышение безопасности судовождения;
- повышение эффективности судоходства;
- улучшение условий труда судоводителей;
- обеспечение экологической безопасности водных путей;
- упрощение алгоритмов нейтрализации отказов;
- расширение функциональных возможностей системы управления;
- возможность реализации различных алгоритмов управления;
- повышение стабильности параметров системы управления;
- обеспечение перспективными средствами связи и навигации.