Система взаимосвязного управления движением

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам автоматизации судовождения для выполнения режимов желаемого управляемого движения транспортного судна, обеспечивающая минимизацию времени маневрирования судов-газовозов относительно подводных терминалов, желаемое маневрирование судна и подводного аппарата при действии внешних возмущений морской среды, минимизацию расходуемой мощности судовой электростанции при работе технических средств движения и включающая устройство формирования траекторий (УФТ) движения относительно подводного аппарата, блок маневрирования, первый и второй вычислитель-формирователь сигналов, функциональный блок, блок судовых носовых и кормовых исполнительных приводов технических средств движения (ТСД) 1 п. ф-лы, 3 Ил.

Предлагаемая полезная модель (далее система) относится к устройствам автоматизации судовождения для выполнения режимов желаемого управляемого движения, например, при ведении в районах моря научно-исследовательских, подводно-технических работ, характеризуемых условиями необходимой координации управления при ограничениях на параметры желаемого маневрирования транспортного судна в районе терминала (аппарата).

Известен «Способ управления судном без хода» (Авт св. СССР 766958, МПК B63H 25/04, опубл 30.09.1980), в котором управляющие воздействия на носовое и кормовое подруливающие устройства (технические средства движения - ТСД) подают раздельно: на носовое - в течение времени снижения текущего курса и смещений судна до их допустимых значений, а на кормовое - в момент нахождения его упора в направлении диаметральной плоскости, после чего отклоняют кормовое средство от диаметральной плоскости судна на угол, равный разности между заданным углом курса и углом действия ветроволнового возмущения и устанавливают значение его упора, равным амплитуде действующего возмущения. Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются подача управляющих воздействий на носовые и кормовые ТСД с целью выполнения режимов желаемого управляемого движения.

Известна «Система динамической стабилизации судна» (Авт. св. СССР 1308040, G05D 1/00, опубл. 23.08.1985), в которой с целью повышения точности стабилизации судна относительно точки (координат заданного подводного объекта) и уменьшения расходуемых энергозатрат формируются управляющие силы и момент, противодействующие гидродинамическим и аэродинамическим воздействиям на судно ветроволновых возмущений и морского течения. В вычислительном блоке системы, содержащем блоки фильтрации, определения продольной и поперечной возмущающих сил, формирования управляющих воздействий, блоки исполнительных органов ТСД, датчиков обратной связи и блок угла действия возмущений, по информации систем измерения координат местоположения и устройств формирования траектории (УФТ) движения вырабатываются желаемые управляющие сигналы на приведение в действие судовых ТСД. При этом в блоке угла действия возмущений генерируется сигнал ориентации судна против результирующего вектора внешних возмущений, что приводит к снижению требуемой мощности стабилизации судна относительно заданной точки. Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются устройство формирования траектории, вычислители-формирователи управляющих воздействий (блоки формирования управляющих воздействий).

В качестве прототипа принят «Способ швартовки судна» (Патент России 2330789, МПК B63H 25/04, опубл 10.08.2008). В рассматриваемом способе в качестве судовых ТСД используют рулевой привод, носовое подруливающее устройство и регулятор оборотов гребного винта судна, управление которыми формируют с использованием информации от судовой навигационной системы (СНС) измерения координат местоположения судна, гидроакустической системы (ГАС) определения координат подводного терминала, устройства формирования траекторий (УФТ) движения, блока маневрирования и заданной точки швартовки, а также данных об изменении длины текущего вектора путевого угла, организуя управление по курсу и скорости судна в процессе его швартовки. Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются УФТ движения, блок маневрирования. Прототип является близким по назначению устройством.

К недостаткам аналогов и прототипа относится:

- отсутствие возможности проведения координации использования судовых ТСД при заданных требованиях и параметрах маневрирования транспортного судна-газовоза относительно подводного терминала (аппарата) при ведении работ в акватории моря;

- использование при управлении только текущих значений изменения параметров курса и смещений транспортного судна без их сопоставления с параметрами движения относительно терминала (аппарата), что снижает эффективность используемых ТСД при выполнении необходимых маневров;

- невозможность применения ТСД в режиме отслеживания относительного расположения транспортного судна и терминала для обеспечения желаемого движения при ограничениях на изменение заданной дистанции безопасного маневрирования.

В предлагаемой системе отмеченные выше недостатки устраняются благодаря обеспечению:

- формирования величины безопасной дистанции совместного маневрирования;

- вычисления текущих значений дистанции маневрирования при одновременном использовании данных от судовой навигационной системы измерения координат местоположения транспортного судна и от гидроакустической системы определения координат подводного терминала (аппарата);

- взаимосвязного управления судовыми ТСД в следящем режиме отработки сигналов разности между текущей и заданной безопасной дистанциями желаемого маневрирования.

Задачей предлагаемой системы взаимосвязного управления является аппаратно-программная реализация требований по повышению качества и безопасности ведения в море грузовых операций с использованием подводных терминалов, проведения научно-исследовательских работ, характеризуемых условиями необходимой координации управления при ограничениях на параметры желаемого маневрирования.

Технический результат состоит в минимизации времени маневрирования судов-газовозов относительно подводных терминалов, обеспечении желаемого маневрирования судна и подводного аппарата при действии внешних возмущений морской среды, минимизации расходуемой мощности судовой электростанции при работе технических средств движения (ТСД).

На фиг.1 приведена блок-схема системы взаимосвязного управления.

На фиг.2 показано взаимное расположение при маневрировании.

На фиг.3 показан процесс управления при изменении траектории движения судна относительно подводного аппарата.

Система взаимосвязного управления содержит устройство 1 формирования траекторий (УФТ) движения относительно подводного аппарата, блок 2 маневрирования, первый 3 и второй 4 вычислитель-формирователь сигналов, функциональный блок 5, блок 6 судовых носовых и кормовых исполнительных приводов технических средств движения (ТСД), блок 2 маневрирования выполнен с возможностью подключения СНС и ГАС и формирования сигналов наклонной дальности терминала от судна и текущей дистанции между ними, первый вычислитель-формирователь 3 сигналов выполнен с возможностью подключения СНС и формирования сигнала вариации дистанции в виде алгебраической разности между текущей и желаемой дистанциями безопасности, второй вычислитель-формирователь 4 сигналов выполнен с возможностью формирования вектора координации работы судовых носовых и кормовых исполнительных приводов блока ТСД, функциональный блок 5 выполнен с возможностью формирования значений заданных оборотов судовых исполнительных носовых и кормовых приводов блока 6 ТСД, сигналов следящего управления продольным и поперечным движением транспортного судна, сигналов коррекции оборотов носовых и кормовых приводов, блок 6 судовых носовых и кормовых исполнительных приводов ТСД выполнен с возможностью формирования управляющих сил.

Выход УФТ 1 движения подключен к первому входу первого вычислителя-формирователя 3 сигналов, первый выход блока 2 маневрирования подключен ко второму входу первого вычислителя-формирователя 3 сигналов, второй выход блока 2 маневрирования подключен к третьему входу первого вычислителя-формирователя 3 сигналов, выход которого подключен к входу второго вычислителя-формирователя 4 сигналов, выход второго вычислителя-формирователя 4 сигналов подключен к первому входу функционального блока 5, первый и второй выходы функционального блока 5 подключены к первому и второму входу блока 6 судовых носовых и кормовых исполнительных приводов ТСД, выход которого подключен ко второму входу функционального блока 5.

На фиг.1 также обозначены: судно 7, подводный терминал (аппарат) 8, судовая навигационная система (СНС) 9 измерения координат местоположения судна, система гидроакустическая ГАС 10 определения координат подводного терминала (аппарата) 8.

На фиг.2 показано взаимное расположение при маневрировании обеспечивающего судна 7 и подводного терминала (аппарата) 8 в вертикальной плоскости (а) относительно дна и в проекции на горизонтальную (б) плоскость движения, когда заданная S ₀(t) дистанция между ними характеризуется в горизонтальной плоскости параметром S₀₁(t), a траектории желаемого маневрирования обозначены: для обеспечивающего судна как L _c(t) - пунктирное отображение судна на траектории, а для терминала (аппарата) - L_ПН(t).

Предложенная система функционирует (фиг.1) следующим образом.

До начала процесса маневрирования в районе работ в момент времени t=0 в первом вычислителе-формирователе 3 формируют требуемое значение дистанции безопасности режима желаемого маневрирования, например, S₀₁(T)=500 м, где T - заданное время ведения работ; назначают условие безопасности совместного маневрирования в виде

где S₀₁(t) - текущая дистанция.

В блоке 2 маневрирования системы с одновременным использованием данных от СНС 9 измерения координат местоположения транспортного судна на траектории L_c(t) и от ГАС 10 определения координат подводного терминала (аппарата) 8 вычисляют контролируемое в процессе маневрирования судна 7 текущее значение (фиг.2) наклонной дистанции S₀(t) согласно соотношению

где X_c(t), Z_c (t), X_ПН(t), Z_ПН(t), h_ПН - координаты текущего местоположения транспортного судна 1 в продольной и поперечной плоскости и подводного терминала (аппарата) 8 в районе работ в море, h_ПН(t) - текущее значение глубины подводного терминала (аппарата) 8.

Описание функционирования системы.

В отличие от известных устройств реализация предложенной системы (фиг.1) производится в определенной последовательности функционирования ее алгоритмических блоков для формирования управлений работой судовых ТСД с момента начала движения транспортного судна 7 относительно подводного терминала (аппарата) 8 (фиг.2).

1. Заданную в блоке УФТ 1 траекторию желаемого горизонтального относительного движения L_ПН(T) преобразуют в первом вычислителе-формирователе сигналов 3 в совокупность стыкуемых в процессе движения i-тых отрезков траектории, определяемых уравнениями

где V_xЕПН(t), V_zЕПН (t) - соответственно "северная" и "восточная" составляющие скорости относительного движения в земной системе координат (X, Z); T_i - время движения на i-том отрезке траектории; X_ПНi(t), Z_ПНi(t) - координаты точек текущего отрезка траекторий; A_i, B_i , C_i - коэффициенты задания i-того отрезка траектории.

2. В блоке 2 маневрирования системы по сигналам от СНС 9 измерения координат местоположения транспортного судна и от ГАС 10 определения координат подводного терминала (аппарата) 8 вырабатывают нформацию об изменении параметров движения судна 7 по скорости и направлению движения на заданной траектории L _ПН(T). Затем формируют сигнал о значении наклонной дальности S₀(t) по выражению (2), который передают в первый вычислитель-формирователь сигналов 3 с целью контроля текущего значения параметра S₀₁(t), определяемого из выражения

Сигнал S₀₁(t) передают в первый вычислитель-формирователь 3.

3. В первом вычислителе-формирователе 3 сигналов: устанавливают требуемое на период времени T значение дистанции безопасности S₀₁ (T) между судном 7 и подводным терминалом (аппаратом) 8; обрабатывают полученные в блоке маневрирования 2 сигналы S₀(t), S₀₁(t), фиксируют и контролируют значение S₀ (t), а текущее значение S₀₁(t) сравнивают с заданным значением S₀₁(T). По результатам сравнения определяют текущее значение S(t) вариации изменения дистанции безопасности из соотношения

Сигнал вариации S(t) вводят во второй вычислитель-формирователь 4 сигналов для выработки управлений на приведение в действие судовых технических средств движения ТСД 6 для обеспечения движения транспортного судна 7 при маневрировании (швартовке) в продольном, поперечном направлении и по курсу.

4. Во втором вычислителе-формирователе 4 сигналов: на период текущего времени tT устанавливают ограничение S₀ как допустимое значение вариации S(t) в обеспечение условия безопасности (1) маневрирования транспортного судна 7 относительно подводного терминала (аппарата) 8; обрабатывают сигналы S(t) и S₀₁(t), и как только вариации S(t) по соотношению (5) превышают ограничение S₀, формируют для обеспечения движения судна 7 по траектории L_c(t) сигналы вектора координации (t)=f(U_x; U_z) работы судовых исполнительных приводов технических средств движения ТСД 6 в виде функционалов:

в продольном направлении движения

и в поперечном направлении

где x_тр, V_xтр , z_тр, V_zтр - параметры положения и скорости траекторного движения судна 7.

5. В функциональном блоке 5 выработанные сигналы координации (6), (7) преобразуют в сигналы управления U_x(t), U_z(t) для перевода судовых исполнительных технических средств движения - ТСД в «следящий» режим работы на основе принципа отработки разности между текущими X_ПН(t), Z_ПН(t) и заданными , значениями траекторных координат подводного терминала (аппарата) 8, что и обусловливает движение обеспечивающего судна 7 по желаемой взаимосвязной траектории L_c(t).

Сигналы управления U_x(t), U_z(t) формируют, например, в виде

6. Также в функциональном блоке 5 в случае существования вариаций S(t) по условию (5) вырабатывают сигналы коррекции

где , - соответственно обороты судовых исполнительных приводов технических средств движения ТСД в продольном и поперечном направлениях движения обеспечивающего транспортного судна.

7. Судовые исполнительные носовые и кормовые привода технических средств движения ТСД 6 по сигналам (8), (9) функционального блока 5 создают необходимые управляющие силы ТСД в продольном и поперечном направлении движения и моменты для управления судном по курсу и тем самым поддерживают движение судна 7 на траектории L _c(t) до тех пор, пока на отрезке времени Т работ, заданном в устройстве формирования траекторий движения ФТС 1 движения, требуется обеспечивать реализацию условия (1).

Предложенную последовательность создания управляющих воздействий ТСД в продольном, поперечном направлении движения обеспечивающего судна 7 и по курсу производят в течение заданного отрезка времени Т и повторяют для его нового значения.

На фиг.3 приведен пример использования предложенной системы для процесса управления при изменении траектории движения транспортного судна 7 относительно подводного аппарата 8.

Взаимное расположение управляемых объектов показано в виде схемы-диаграммы, иллюстрирующей в моменты времени t положение объектов управления в проекции на горизонтальную плоскость движения X, Z, где Z - координата поперечного смещения обеспечивающего судна 7 и подводного аппарата 8. На схеме показан результат желаемого маневрирования, когда при t=0 установлено значение дистанции безопасности S ₀₁(t₀)=500 м. При этом процесс взаимосвязного управления характеризуется на отрезке T=2000 с заданного времени маневрирования диаграммой последовательных, через интервал времени 250 с, точек взаимного расположения судна 7 и аппарата 8 на траекториях движения. Управляющие воздействия ТСД, сформированные системой, обеспечивают управление движением судна 7 так, что дистанция между одноименными по времени точками представленных траекторий равняется заданной величине S₀₁(t₀)=500 м с допустимой погрешностью.

Перечень исполняемых операций при реализации предложенной системы по фиг.1 на примере совместного движения обеспечивающего судна и подводного аппарата

1. В блоке УФТ 1 движения:

- устанавливают значение параметра T - времени ведения совместных работ в море при маневрировании на заданной траектории L_ПН(T) подводного аппарата 8 по скорости и направлению движения;

- устанавливают значение параметра t_ПН, исходя из заданного значения времени T;

- формируют траекторию L_ПН(T), исходя из желаемой программы маневрирования относительного подводного аппарата (терминала) 8.

2. В блоке маневрирования 2:

- обрабатывают от систем 9, 10 текущие параметры движения судна 7 и подводного аппарата 8;

- оценивают их изменения для значений времени t[0, T];

- рассчитывают значения:

наклонной дальности S₀(t) по выражению (2) текущей дистанции безопасности S₀₁(t)

3. В первом вычислителе-формирователе 3 сигналов:

- обрабатывают и преобразуют параметры траектории L_ПН (T) к виду системы (3) уравнений отрезков, когда учитывают также параметры V_xЕПН(t), V_zЕПН(t) - соответственно "северную" и "восточную" составляющие скорости движения в земной системе координат (X, Z), где T_i - время движения на i-том отрезке траектории; X_ПНi (t), Z_ПНi(t) (t) - координаты точек текущего отрезка траекторий; A_i, B_i, C_i - коэффициенты задания i-того отрезка траектории;

- устанавливают требуемое на период времени T значение S₀₁(T) дистанции безопасности и обрабатывают сигналы от системы 10 о параметрах движения относительно подводного терминала (аппарата) 8;

- обрабатывают и преобразуют сигналы S₀(t), S ₀₁(t);

- фиксируют и контролируют текущее значение S₀(t);

- сравнивают текущее значение S₀₁(t) с заданным значением S₀₁ (T);

- определяют вариации S(t) по соотношению (5).

Сигнал вариаций S(t) вводят во второй вычислитель-формирователь 4 сигналов для выработки управлений на приведение в действие судовых технических средств движения ТСД 6 для обеспечения движения транспортного судна 7 в продольном, поперечном направлении и по курсу.

4. Во втором вычислителе-формирователе 4 сигналов:

- устанавливают ограничение S₀ как допустимое значение вариации S(t) в обеспечение условия безопасности (1) маневрирования судна относительно подводного аппарата;

- обрабатывают, сравнивают с ограничением S₀ введенные из первого вычислителя-формирователя 3 сигналы S(t) и при превышении ограничения S₀ формируют для обеспечения движения судна 7 по траектории L_c(t) вектор координации (t)=f(U_x; U_z) работы судовых исполнительных приводов технических средств движения блока ТСД 6 в виде функционалов:в продольном направлении движения по выражению (8) и в поперечном направлении по выражению (9);

- рассчитывают по выражению (11) упреждение t по времени начала маневрирования судна на траектории L_c(T) для отслеживания траектории относительного движения L_ПН(T)

5.В функциональном блоке 5:

- преобразуют сигналы вектора координации (t)=f(U_x; U_z) в сигналы по выражению 10 для перевода судовых носовых и кормовых исполнительных технических средств движения блока ТСД 6 в «следящий» режим работы;

- обрабатывают текущие значения n_x(t), n_z(t) оборотов судовых носовых и кормовых исполнительных приводов 6 блока ТСД;

- вырабатывают сигналы (8) коррекции в виде:

где соответственно n_x(t), n_z(t) - текущие и n_xзад, n_zзад - заданные обороты судовых носовых и кормовых исполнительных приводов технических средств движения блока ТСД 6 в продольном и поперечном направлениях движения обеспечивающего транспортного судна 7.

6. Судовые исполнительные носовые и кормовые привода технических средств движения блока ТСД 6 по сигналам (12), (13) функционального блока 5 создают необходимые управляющие силы ТСД:

- T_x(t) в продольном направлении движения судна 7;

- T_z(t) в поперечном направлении движения судна 7;

- M(t) по управлению курсом судна 7,

что в режиме контроля за маневрами относительно подводного аппарата 8 обеспечивает движение судна 7 (фиг.2) на траектории L_c (t) до тех пор, пока на отрезке времени Т работ требуется реализация условия (1) безопасности ведения совместных работ в море.

Предложенную последовательность создания управляющих воздействий ТСД в продольном, поперечном направлении движения обеспечивающего судна 7 и по курсу производят в течение заданного отрезка времени Т маневрирования подводного аппарата 8 и повторяют для его нового значения.

Имитационное моделирование процессов функционирования системы взаимосвязного управления движением показало, что использование предложенной полезной модели обеспечивает желаемое маневрирование в районе работ обеспечивающего судна 7 относительно подводного терминала (аппарата) 8.

При этом достигаются следующие технико-экономические показатели:

- ведение в море грузовых операций с минимизацией времени относительного маневрирования судов-газовозов с использованием подводных терминалов;

- проведение научно-исследовательских работ, характеризуемых условиями необходимой координации управления при ограничениях на параметры желаемого маневрирования обеспечивающего судна и подводного аппарата и действии внешних возмущений морской среды;

- рациональное использование судовых технических средств движения (ТСД) в задачах координированного управления с целью минимизации расходуемой мощности судовой электростанции.

Применение системы в режимах транспортной перевозки углеводородов с морских месторождений позволяет обеспечить безопасность, требуемые качество и эффективность совместных работ в режимах обеспечения эксплуатации транспортных судов-газовозов.

Система взаимосвязного управления движением, включающая устройство формирования траекторий (УФТ) движения относительно подводного аппарата, блок маневрирования, первый и второй вычислитель-формирователь сигналов, функциональный блок, блок судовых носовых и кормовых исполнительных приводов технических средств движения (ТСД), блок маневрирования выполнен с возможностью подключения судовой навигационной системы (СНС) и гидроакустической системы (ГАС) и формирования сигналов наклонной дальности терминала от судна и текущей дистанции между ними, первый вычислитель-формирователь сигналов выполнен с возможностью подключения к СНС и ГАС и формирования сигнала вариации дистанции в виде алгебраической разности между текущей и желаемой дистанциями безопасности, второй вычислитель-формирователь сигналов выполнен с возможностью формирования вектора координации работы судовых носовых и кормовых исполнительных приводов блока ТСД, функциональный блок выполнен с возможностью формирования значений заданных оборотов судовых исполнительных носовых и кормовых приводов блока ТСД, сигналов следящего управления продольным и поперечным движением транспортного судна, сигналов коррекции оборотов носовых и кормовых приводов, блок судовых носовых и кормовых исполнительных приводов ТСД выполнен с возможностью формирования управляющих сил, выход УФТ движения подключен к первому входу первого вычислителя-формирователя сигналов, первый выход блока маневрирования подключен к второму входу первого вычислителя-формирователя сигналов, второй выход блока маневрирования подключен к третьему входу первого вычислителя-формирователя сигналов, выход которого подключен к входу второго вычислителя-формирователя сигналов, выход второго вычислителя-формирователя сигналов подключен к первому входу функционального блока, первый и второй выходы функционального блока подключены к первому и второму входам блока судовых носовых и кормовых исполнительных приводов ТСД, выход которого подключен к второму входу функционального блока.