Аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений

 

Полезная модель относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна как при спокойном море, так и взволнованном море. Аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений, содержащая интегратор, задатчик угла курса - зд., блок измерения угла курса - , угловой скорости - , угла перекладки руля - ; рулевой привод, фильтр оценки угла курса, на вход которого вводятся сигналы невязки - (-) и интегральной невязки - с интегратора, сумматор, рулевой привод и регулятор-сумматор, на вход которого вводят сигналы: оценки угла курса - и угловой скорости - , с блок измерения, заданный угол курса - зд., с задатчика угла курса, отличающаяся тем, что содержит множительное устройство, блок коррекции коэффициента усиления - К, блок оценки момента внешних возмущений - М возм., который через множительное устройство подключен к входу регулятора-сумматора, ко второму входу множителя подключен блок коррекции коэффициента усиления - К, на выходе регулятора-сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля: зд.1(-зд.)+К2d/dt+КМвозм, выход которого подключен к входу рулевого привода, в блоке коррекции коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - Мвозм, формируется сигнал коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - М возм, величина которого перестраивается через каждый интервал времени t, если удовлетворяются условия: , или если Аппаратура управления движением судна, использующая оценки координат и оценки внешних возмущений позволяет восстановить оценки фазовых координат судна и оценки внешних возмущений. Вводя оценку внешних возмущений в регулятор, удается компенсировать меняющиеся внешние возмущения. Благодаря корректировке коэффициента усиления оценки момента внешнего возмущения удается сформировать высокоточную систему автоматического управления движением судна даже при наличии переменных внешних возмущений, действующих на судно.

Полезная модель - аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений, относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна, как при спокойном море, так и взволнованном море.

Известна система автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованная в «Системе автоматического управления движением судна», (RU 2248914 С1, 11.03.2005). Управление движением судна основано на использовании информация от приемника спутниковой навигационной системы, задатчика путевого угла, и регулятора-сумматора, в котором по сигналам: текущего (сильно зашумленного при взволнованном море) путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна формируется результирующий сигнал для управления рулевым приводом судна.

Известна также аппаратура автоматического управления движением корабля с использованием динамической модели углового движения корабля (RU 2223197 С1, 2004 г, принятая в качестве прототипа). «Аппаратура автоматического управления движением судна», содержащая задатчик курсового угла, датчик угла перекладки руля, приемник спутниковой навигационной системы, рулевой привод, дифференциатор и сумматор, первый вход которого соединен с выходом задатчика путевого угла, выход приемника СНС соединен со вторым входом сумматора, к третьему входу которого подключен выход датчика угла перекладки руля, выход сумматора соединен с входом рулевого привода, четвертый вход сумматора соединен с выходом динамической модели углового движения судна. На выходе динамической модели движения судна формируется оценка угла курса. Сигнал оценки угла курса алгебраически суммируется с сигналом угла курса, получаемого с выхода приемника СНС. Разность этих сигналов вводится на вход динамической модели движения судна.

Таким образом, в рассматриваемой системе управления, формируются следующие сигналы для обеспечения автоматического управления движением судна.

В задатчике курсового угла формируется сигнал - зд.=f (t), который вводится на вход сумматора, на второй вход которого поступает сигнал оценки угла курса - . Сигнал оценки - вводится с выхода электронной(динамической) модели движения судна для формирования оценки сигнала угла курса на вход электронной модели движения корабля вводится сигнал угла перекладки руля от датчика рулевого привода и сигнал невязки с выхода электронной модели движения корабля: К . Таким образом на выходе сумматора - регулятора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля - зд. (Для управления рулевым приводом со входом вх.=зд):

.

где

зд сигнал с задатчика курсового угла,

, сигнал оценки угла курса, с выхода электронной модели движения коробля;

зд. - сигнал заданного угла перекладки руля (с выхода

регулятора - сумматора вводится на вход рулевого привода).

Недостатками существующих систем управления движением судна являются:

- появление ошибки по углу курса при движении по взволнованному морю;

- перегрузка рулевого привода при движении по взволнованному морю;

- при наличии поперечных внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания, появляется ошибка в направлении движения судна по курсу относительно заданного курса (боковой снос судна).

Предложенная аппаратура управления лишена этих недостатков.

Техническим результатом, предлагаемой полезной модели является:

- восстановление (выработка) оценок фазовых координат судна и внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания;

- введение сигнала восстановленных оценок внешних возмущений в закон управления движением корабля, что позволяет повысить точность управления движения судна по заданному направлению (исключить ошибку в направлении движения судна при появлении внешних возмущений).

Технический результат достигается тем, что аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений, содержащая интегратор, задатчик угла курса - зд, блок измерения угла курса - , угловой скорости - , угла перекладки руля - ; рулевой привод, фильтр оценки угла курса, на вход которого вводятся сигналы невязки - и интегральной невязки - Ки dt с интегратора, сумматор, рулевой привод и регулятор-сумматор, на вход которого вводят сигналы: оценки угла курса - и угловой скорости - , с блок измерения, заданный угол курса - зд.. с задатчика угла курса, при этом аппаратура содержит множительное устройство, блок коррекции коэффициента усиления - К, блок оценки момента внешних возмущений - М возм., который через множительное устройство подключен к входу регулятора-сумматора, ко второму входу множителя подключен блок коррекции коэффициента усиления - К, на выходе регулятора-сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля: , выход которого подключен к входу рулевого привода, в блоке коррекции коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - Мвозм. формируется сигнал коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - Мвозм, величина которого перестраивается через каждый интервал времени t, если удовлетворяются условия:

или

Кt=К+,

или если

и то

Кt=К-,

где коэффициент усиления - К перестраивается, в

блок коррекции коэффициента усиления - К поступают сигналы:

- оценка угла курса - с фильтра оценки угла курса,

зд. - заданий угол кура - с задатчика угла курса,

С1, К, Kmax, Kmin , - постоянные величины,

КТ - коэффициента усиления - К в момент времени T,

KT+t - коэффициента усиления - К в момент времени Т+. t.

Этот технический результат достигается благодаря:

- восстановлению оценки внешних возмущений, действующих на судно, (а также оценок фазовых координат судна) в процессе плавания,

- введению перестраиваемого коэффициента - К при сигнале пропорциональном внешнему возмущению,

- введению сигнала невязки измеренного угла курса - и оценки угла курса - : .

На чертеже приведена блок-схема рассматриваемой аппаратуры системы управления движением судна, в которой устраняются ошибки в автоматическом управлении движением по заданному курсу зд. при наличии внешних возмущений.

Аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений

Предлагаемая аппаратура включает задатчик угла курса - зд, блок измерения угла курса - , угловой скорости - , угла перекладки руля - ; рулевой привод, фильтр оценки угла курса, на вход которого вводятся сигналы невязки - и интегральной невязки - Ки dt, сумматор, рулевой привод и регулятор-сумматор, на вход которого вводят сигналы: оценки угла курса - , заданного угла курса - зд.. оценки угловой скорости - , оценки момента внешних возмущений - Мвозм., и угла перекладки руля - . Для достижения предложенного технического результата в аппаратуру введена корректировка коэффициента усиления - К оценки момента внешних возмущений - Мвозм., сигнал - КМвозм. (подключен к входу регулятора-сумматора). На выходе регулятора-сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки рул - зд., который вводится на вход рулевого привода. В этом случае в режиме автоматического управления движением судна по заданному углу курса зд будет отсутствовать (существенно снижено) отклонение вектора движения судна от заданного направления - зд. (даже при наличии сильных внешних возмущений). Таким образом на выходе регулятора-сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля - зд.:

.

где: - угол курса, с выхода измерителя,

зд - заданный угол курса, с задатчика угла курса,

, сигнал оценки угла курса, с выхода фильтра угла курса,

зд. - сигнал с выхода регулятора-сумматора,

К Мвозм. - сигнал оценки момента внешних возмущений - Мвозм, с множительного устройства.

Первые два члена зависимости (1а) полностью совпадают с зависимостью (1), т.е. если подключить выход такого регулятора-сумматора к входу рулевого привода, то получим типовой закон управления движением судна, при котором появляется ошибка по углу курса =(-зд) (если на судно будет воздействовать внешнее возмущение).

На выходе блока коррекции коэффициента усиления - К. формируется сигнал коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - Мвозм, величина которого перестраивается циклически через каждый интервал времени t.

Если в момент времени Т удовлетворяются условия:

или

,

или если

и

,

то коэффициента усиления - К перестраивается.

В блок коррекции коэффициента усиления - К поступают сигналы:

- оценка угла курса - с фильтра оценки угла курса,

зд. - заданный угол кура - с задатчика угла курса,

С1, К, Kmax, K min, - постоянные величины,

KT - коэффициента усиленият - К в момент времени Т,

KT+t - в момент времени Т.

Коэффициент усиления К с блока коррекции коэффициента усиления через первый вход множительного устройства подключается к входу регулятора-сумматора, на второй вход множительного устройства подключается выход блока формирования оценки момента внешнего возмущения - Мвозм . (Для формирования перестраиваемого сигнала оценки момента внешнего возмущения - Мвозм на выходе множительного устройства) В блоке оценки момента внешнего возмущения - Мвозм формируют интегральную невязку вида Ки dt и совместно с невязкой вида , которая вводится с выхода фильтра оценки угла курса формируют оценку момента внешнего возмущения - Мвозм (с использованием методов Калмановской фильтрации).

Рассмотрим вариант реализации и работы системы автоматического управления движением судна,

На чертеже приведена блок-схема рассматриваемой аппаратуры системы управления движением судна, в которой устраняются ошибки в автоматическом управлении движением по заданному курсу зд. при наличии внешних возмущений.

Ошибка устраняется благодаря введению в закон управления (1а) перестраиваемого сигнала - оценки момента внешних возмущений - К Мвозм Система содержит 1 - задатчик курсового угла - зд., 2 - блок измерения угла курса - , угловой скорости - , угла перекладки руля - ; 3 - интегратор, 4 - регулятор-сумматор, 5 - рулевой привод, 6 - фильтр оценки угла курса, 7 - сумматор, 8 - блок коррекции коэффициента - К, 9 - множительное устройство, 10 - блок оценки момента внешних возмущений - К Мвозм..

Реализовать рассматриваемую систему можно как с использованием цифровой элементной базы, так и аналоговой. При использовании аналоговой элементной базы можно применить усилители типа УД-6 и УД-8, (Блоки 1., 2., 3..4., 7.). Интегратор - 3 выбирается с чувствительностью не ниже 0.03 0 курса. Блоки 2.,5., это штатные (корабельные) устройства.

Рассмотрим работу аппаратуры автоматического управления движением судна.

В задатчике курсового угла - 1 сформирован сигнал - зд.=f (t), который

вводится на вход регулятора - сумматора - 4, на второй вход которого поступает сигнал оценки текущего угла курса - . Сигнал оценки - вводится с выхода фильтр оценки угла курса - 6. Для формирования оценки угла курса на вход фильтра оценки угла курса - 6 вводится сигнал угла перекладки руля - от блока измерителя - 2, и сигнал невязки - , формируемой на выходе фильтра оценки угла курса - 6: При этом на выходе сумматора - 4. формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля - зд в соответствии с зависимостью (1). Закон (1) получил широкое распространение, однако при появлении внешних возмущений (волнение, ветер) движение судна осуществляется с ошибкой по курсу. Для компенсации воздействия на судно внешних возмущений зависимость (1) дополняется переменным сигналом оценки момента внешних возмущений - К Мвозм с множительного устройства - 9. На первый вход множительного устройства вводится оценка момента внешних возмущений - К Мвозм с блока-10, на второй вход переменный коэффициент усиления - К. При этом на выходе регулятора - сумматора - 4. формируется закон управления рулевым приводом в соответствие с зависимостью (1а). Сигнал коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - Мвозм формируется в блоке - 8 коррекции коэффициента усиления - К в соответствии с зависимостями (2а) и (2б). В процессе автоматического управления движением судна по заданному направлению в блоке - 8 коррекции коэффициента усиления - К циклически через интервал времени t формируется разность. , при удовлетворении условий (2а) или (2б) коэффициента усиления - К корректируется.

Функциональное назначение блоков:

- блока-5 - штатного устройства на судне, предназначенного для создания поворота судна по углу курса;

- блока 7 суммировать (алгебраически) два сигнала угол курса и оценку угла курса, выход которого подключен к блоку 3 и 10, а два входа к блокам 2 и 6 соответственно (см. выше);

- блок 10 - формирует оценку момента внешнего возмущения Мвозм. используя сигнал с выхода сумматора 7 (подробно см. выше);

- блок 11 - объект управления - автоматизируемое судно или корабль.

Аппаратура управления движением судна, использующая оценки фазовых координат и оценки внешних возмущений, содержащая интегратор, задатчик угла курса - зд, блок измерения угла курса - , угловой скорости - , угла перекладки руля - ; рулевой привод, фильтр оценки угла курса, на вход которого вводятся сигналы невязки - () и интегральной невязки - Ки dt с интегратора, сумматор, рулевой привод и регулятор-сумматор, на вход которого вводят сигналы: оценки угла курса - и угловой скорости - с блока измерения, заданный угол курса - зд с задатчика угла курса, отличающаяся тем, что содержит множительное устройство, блок коррекции коэффициента усиления - К, блок оценки момента внешних возмущений - М возм, который через множительное устройство подключен к входу регулятора-сумматора, ко второму входу множителя подключен блок коррекции коэффициента усиления - К, на выходе регулятора-сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля: , выход которого подключен к входу рулевого привода, в блоке коррекции коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - Мвозм формируется сигнал коэффициента усиления - К момента внешнего возмущения - Мвозм, величина которого перестраивается через каждый интервал времени t, если удовлетворяются условия:

или

Кt=К+,

или если

и то

Кt=К-,

где С1, К, Kmax, Kmin , - постоянные величины.



 

Наверх