Система автоматического управления движением судна с перестраиваемым регулятором
Система автоматического управления движением судна с перестраиваемым регулятором основана на формировании двух законов управления - оптимального в смысле точности стабилизации судна на курсе при спокойном море и «облегченного» для сохранения ресурса рулевого привода при волнении на море. Условия переключения законов управления формируются автоматически в блоке перестройки и изменения коэффициентов регулирования с использованием или сигнала среднего значения модуля угла руля меньше допустимого значения и сигнала среднего значения модуля угла бортовой качки меньше допустимого значения - закон с постоянными значениями коэффициентов регулирования - для спокойного моря, или сигнала среднего значения модуля угла руля больше допустимого значения или сигнала среднего значения модуля угла бортовой качки больше допустимого значения - «облегченный» закон управления с переменными значениями коэффициентов регулирования - для волнения на море. Технический результат заключается в уменьшении нагрузки на рулевой привод при волнении моря и повышении его надежности (ресурса), а также в сокращении потерь скорости хода судна.
Предлагаемая полезная модель относится к области судостроения, а именно: к системам автоматизации судовождения.
Известна система автоматического управления движением по патенту на изобретение 2240953 от 26.09.2003 г. Управление движением судна основано в ней на использовании информации от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, блока заданного значения путевого угла (или угла курса) и сумматора, в котором по сигналам текущего путевого угла, заданного путевого угла и угловой скорости судна формируется сигнал для управления рулевым приводом судна.
Известна также система автоматического управления движением судна с учетом волнения, реализованная в изобретении 2499727 от 06.10.2011 г. и принятая в качестве прототипа. В этой системе управление осуществляется аналогично описанному выше с использованием формирователя закона управления (сумматора-регулятора), рулевого привода, датчика угловой скорости, датчика угловой перекладки руля, блоков текущего и заданного углов курса, блока перестройки коэффициентов регулирования, блоков среднего значения модуля угла руля и модуля угла бортовой качки, датчика бортовой качки судна и задатчика допустимых средних значений модулей углов руля и бортовой качки судна.
Существующие системы автоматического управления движением судна при спокойном море и безветрии обеспечивают точное движение по заданному направлению, однако обладают тем недостатком, что при появлении волнения на море принятые законы управления движением судна создают недопустимые условия в эксплуатации рулевого привода, снижают скорость хода судна и могут создать при этом условия появления аварийной ситуации из-за «заклинки» руля.
Так в прототипе предлагается два закона управления - типовой закон управления для спокойного моря и «облегченный» закон управления для взволнованного моря. Однако в «облегченном» законе управления коэффициенты регулирования являются постоянными, а диапазон изменения возмущений достаточно широк, поэтому построить эффективно работающую систему не удается.
Таким образом, применение оптимального или близкого к оптимальному (только для спокойного моря) закона управления и «облегченного» с фиксированными коэффициентами регулирования при появлении волнения на море приводит к недопустимым перегрузкам и существенному снижению надежности (ресурса) рулевого привода, а также к потерям скорости хода судна.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача создать систему автоматического управления движением судна с перестраиваемым регулятором, в которой управление рулевым приводом осуществляется с двумя законами управления: первый функционирует только при движении по относительно спокойному морю, а второй только при взволнованном море, причем второй закон управления оперирует с переменными коэффициентами регулирования, величина которых определяется видом бортовой качки и характером загрузки рулевого привода.
Поставленная задача решается тем, что предложена система автоматического управления движением судна с перестраиваемым регулятором, содержащая подключенные к формирователю закона управления рулевым приводом датчик угла руля, датчик угловой скорости, датчик угла курса, задатчик угла курса и блок перестройки коэффициентов регулирования, подключенный к датчику угла бортовой качки через блок среднего значения модуля угла бортовой качки, задатчику допустимых средних значений модулей углов руля и бортовой качки, а также к датчику угла руля через блок среднего значения модуля угла руля. Формирователь закона управления рулевым приводом подключен к рулевому приводу, механически связанному с рулем судна.
Новым в предложенной системе является то, что блок перестройки коэффициентов регулирования дополнительно выполняет функцию изменения коэффициентов регулирования на волнении в зависимости от измеренных средних значений модулей углов перекладки руля и бортовой качки судна.
Технический результат состоит в уменьшении нагрузки на рулевой привод при волнении моря и в повышении его надежности (ресурса), а также в сокращении потерь скорости хода судна.
На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленной системы.
Заявленная система содержит подключенные к формирователю законов управления 1 рулевым приводом 2 датчик угла руля 3, датчик угловой скорости 4, датчик угла курса 5, задатчик угла курса 6 и блок перестройки и изменения коэффициентов регулирования 7, подключенный к датчику угла бортовой качки судна 8 через блок среднего значения модуля угла бортовой качки 9, задатчику допустимых средних значений модулей углов руля и бортовой качки 10 и к датчику угла руля 3 через блок среднего значения модуля угла руля 11. Формирователь закона управления рулевым приводом 1 подключен к рулевому приводу 2, механически связанному с рулем судна 12.
Система работает следующим образом.
На соответствующие входы формирователя законов управления 1 рулевым приводом 2 вводятся сигналя: угла перекладки руля с датчика угла руля 3, угловой скорости с датчика угловой скорости 4, угла курса с датчика угла курса 5, заданного угла курса зд с задатчика угла курса 6, коэффициентов регулирования K1, K11 и K2, K22 с блока перестройки и изменения коэффициентов регулирования 7. На выходе формирователя законов управления 1 рулевым приводом 2 при движении судна по спокойному морю вырабатывается закон управления в соответствии с зависимостью (1):
где - угол перекладки руля,
- текущий угол курса,
зд - заданный угол курса,
- угловая скорость судна,
K1 , K2, K3 - постоянные коэффициенты регулирования, поступающие в формирователь законов управления 1 из блока перестройки и изменения коэффициентов регулирования 7.
Сигнал вида (1) поступает на вход рулевого привода 2 и обеспечивает автоматическое управление движением судна по курсу с минимальным рысканьем при спокойном море. При взволнованном море коэффициент регулирования K1 в законе управления (1) заменяется переменным коэффициентом K11, а K2 заменяется переменным коэффициентом K22, формируемыми в блоке перестройки и изменения коэффициентов регулирования 7 путем вычисления по формулам (2) и (3):
где |ср| - среднее значение модуля угла руля с выхода блока 8,
|ср| - среднее значение модуля угла бортовой качки с выхода блока 9,
K4 , K5, K6, K7 - постоянные коэффициенты.
В результате на выходе формирователя законов управления 1 рулевым приводом 2 при движении по взволнованному морю формируется закон управления в соответствии с зависимостью (4):
Формирование закона управления (1) для спокойного моря и (4) для взволнованного моря определяется выполнением одного из условий (5) или (6), вычисляемых в блоке перестройки и изменения коэффициентов регулирования 7 соответственно.
Переменные коэффициенты K11 и K22 формируются в блоке перестройки и изменения коэффициентов регулирования 7 и изменяются при изменении условий волнения на море. Допустимые средние значения модуля угла руля |ср|доп и модуля угла бортовой качки |ср|доп устанавливает судоводитель и вводит в блок перестройки и изменения коэффициентов регулирования 7 с задатчика 10. Таким образом, рулевой привод 2 автоматически удерживает судно на заданном курсе как при спокойном море, так и при штормовой погоде.
Реализация предлагаемой системы может быть осуществлена с использованием микросхем типа 140УД6, 140УД8 и типовых множительных блоков (блоки 1, 8, 9), а также штатных судовых подсистем. Датчик угловой скорости 4 - типовой датчик угловой скорости ДУС-5 с чувствительностью не ниже 0,05°/с. Задатчик угла курса 6 - программный блок формирования сигнала заданного значения угла курса, датчик угла курса 5 - гирокомпас типа «Гюйс».
Система автоматического управления движением судна с перестраиваемым регулятором, содержащая подключенные к формирователю закона управления рулевым приводом датчик угла руля, датчик угловой скорости, датчик угла курса, задатчик угла курса и блок перестройки коэффициентов регулирования, подключенный к датчику угла бортовой качки через блок среднего значения модуля угла бортовой качки, задатчику допустимых средних значений модулей углов руля и бортовой качки, а также к датчику угла руля через блок среднего значения модуля угла руля, формирователь закона управления рулевым приводом подключен к рулевому приводу, механически связанному с рулём судна, отличающаяся тем, что блок перестройки коэффициентов регулирования дополнительно выполняет функцию изменения коэффициентов регулирования на волнении в зависимости от измеренных средних значений модулей углов перекладки руля и бортовой качки судна.
РИСУНКИ