Система управления движением судна с интегральными невязками

Предполагаемая полезная модель относится к области судостроения - автоматическому управлению движением судна. Техническим результатом, предлагаемой системы управления движением судна с интегральными невязками является:

- восстановление оценок ветро-волновых возмущений, воздействующих на судно,

- формирование оценки угла курса - с использованием как невязок курса (-), так и интегральных невязок курса (-)dt₁, (-)dt₁dt₂,

- формирования оценки угловой скорости судна с использованием невязок угловой скорости (-) и интегральных невязок угловой скорости.

Технический результат, в предлагаемой системе управления достигается благодаря восстановлению и использованию оценок ветро-волновых возмущений, воздействующих на судно, при формировании оценок угла курса - (в фильтре оценки угла курса) и оценок угловой скорости - (в фильтре оценки угловой скорости),

- использованию датчика линейной скорости судна - V_z (поперечной относительно про дольного движения судна),

- формирования оценок угла курса - и оценок угловой скорости с использованием интегральных невязок.

Предполагаемая полезная модель относится к области судостроения - автоматическому управлению движением судна.

Известна система автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованная в «Системе автоматического управления движением судна», (патент России 2248914, Б.И. 9 март 05 г.). Управление движением судна основано на использовании информации от датчика путевого угла, задатчика путевого угла, и сумматора, в котором с использованием сигналов текущего путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна формируют результирующий сигнал для управления рулевым приводом судна.

Известна также аппаратура автоматического управления движением корабля с использованием динамической модели углового движения корабля (см. патент RU. 222.31.97. Б.И. 4. 2004 г, принятая нами в качестве прототипа). «Аппаратура автоматического управления движением судна», содержащая задатчик курсового угла, датчик угла перекладки руля, приемник спутниковой навигационной системы (СНС), рулевой привод, дифференциатор и сумматор, первый вход которого соединен с выходом задатчика путевого угла, выход приемника СНС соединен с 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-фильтре 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-фильтра. Таким образом, в широко распространенной системе управления движением судна формируют следующие сигналы для обеспечения автоматического управления движением судна.

В задатчике угла курса формируют сигнал - _зд=f(t), который вводят на вход сумматора, на второй вход которого поступает сигнал оценки угла курса - . Сигнал оценки - ступает с выхода динамической модели движения судна. Для формирования оценки угла курса на вход электронной модели движения корабля вводят сигнал угла перекладки руля от датчика рулевого привода и сигнал невязки с выхода электронной модели движения судна и датчика курса (-).

На выходе сумматора формируется сигнал заданного значения угла перекладки руля - _зд.:

.

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

_зд. - сигнал заданного угла перекладки руля, который с выхода сумматора поступает на вход рулевого привода.

Недостатками, рассмотренной системы являются:

- использование сильно упрощенной математической модели движения судна, что не позволяет устанавливать такие системы на средне тоннажные суда и крупные танкеры,

- не учитываются (слабо учитываются) воздействия на судно внешних возмущений,

Техническим результатом, предлагаемой системы управления движением судна с интегральными невязками является:

- восстановление оценок ветро-волновых возмущений, воздействующих на судно,

- формирование оценки угла курса - с использованием как невязок курса (-), так и интегральных невязок курса (-)dt₁, (-)dt₁dt₂,

- формирования оценки угловой скорости судна с использованием невязок угловой скорости (-) и интегральных невязок угловой скорости (-)dt₁,

(-)dt₁dt₂,

Технический результат, в предлагаемой системе управления достигается тем, что система управления движением судна с интегральными невязками содержит датчик угла руля - , датчик угла курса - , датчик угловой скорости - , задатчик угла курса - _зд, рулевой привод и сумматор к входу которого подключены датчика - и задатчик _зд, выход сумматора подключен к входу рулевого привода, отличающаяся тем, что включает датчик линейной скорости - V_z, фильтр оценки угла курса - и фильтр оценки угловой скорости - , в котором формируется оценка угловой скорости - :

d/dt=a₁₁+а₁₂V_z+а₁₃+K(-)+K₁(-)dt₁+K₁(-)dt₁dt_2,

где V _z - линейная скорость - с датчика линейной скорости,

- угловая скорость - с датчика угловой скорости,

a₁₁, a₁₂, a₁₃ - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна - вводятся с динамической модели движения судна,

K₁(-)dt₁, K₁(-)dt₁dt₂ - интегральные невязки по угловой скорости,

в фильтре оценки угла курса - сформируется оценка угла курса - :

d/dt=+K(-)+K₁(-)dt₁+K₂(-)dt₁dt₂

где - угол курса вводится в фильтр с датчика угла курса,

- оценка угловой скорости, вводится в фильтр оценки угла курса с фильтра оценки угловой скорости,

K₁(-)dt₁, K₂(-)dt₁dt₂ - интегральные невязки угла курса и оценки угла курса ),

сигналы - - с выхода фильтра оценки угла курса и - с выхода фильтра оценки угловой скорости подключены к входу сумматора, в котором формируется сигнал управления рулевым приводом:

d/dt=K₁(-_зд.)+K₂-K₃,

где

, - оценка угла курса, поступает на вход сумматора с выхода фильтра оценки угла курса,

_зд. - заданное значение угла курса, - с выхода задатчика угла курса,

.- угол перекладки руля - с выхода датчика руля,

- оценка угловой скорости судна - с фильтра оценки угловой скорости,

d/dt - сигнал управления рулевым приводом с выхода сумматора подключен к входу рулевого привода.

Технический результат, в предлагаемой системе управления достигается благодаря:

- восстановлению и использованию оценок ветро-волновых возмущений, воздействующих на судно, при формировании оценок угла курса - ф (в фильтре оценки угла курса) и оценок угловой скорости- (в фильтре оценки угловой скорости),

- использованию датчика линейной скорости судна - V_z (поперечной относительно продольного движения судна),

- формирования оценок угла курса - и оценок угловой скорости с использованием интегральных невязок.

На чертеже представлена блок-схема системы управления.

Система управления движением судна с двумя интегральными невязками содержит:

датчик угла руля - ;

датчик угла курса - ;

датчика угловой скорости - ;

задатчик угла курса _зд.;

рулевой привод;

сумматор.

На вход сумматора подключены датчик угла руля - и задатчик угла курса _зд , выход сумматора подключен к входу рулевого привода.

Для реализации поставленной цели в системе используют: датчик линейной скорости V_z, фильтр оценки угла курса - , в котором формируется оценка угла курса - с интегральными невязками:

.

где - угол курса, поступает в фильтр с датчика угла курса,

- оценка угловой скорости - поступает в фильтр оценки угла курса - с фильтра оценки угловой скорости ,,

K₁(-)dt₁+K₂(-)dt₁dt₂ - интегральные невязки;

фильтр оценки угловой скорости - с интегральными невязками, в котором формируется оценка угловой скорости - :

.

где V_z - линейная скорость- с датчика линейной скорости,

- угловая скорость- с датчика угловой скорости,

a₁₁, а₁₂, a₁₃ - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна, вводятся с динамической модели движения судна.

Выходы фильтра оценки угла курса - , и фильтра оценки угловой скорости - подключены к входу сумматора, в котором формируется закон управления рулевым приводом:

.

где , - оценка угла курса, поступает с выхода фильтра оценки угла курса,

_зд. - заданное значение угла курса - с выхода задатчика угла курса,

. - угол перекладки руля - с выхода датчика руля,

- оценка угловой скорости судна - с фильтра оценки угловой скорости,

d/dt - заданная скорость перекладки руля, с выхода сумматора вводится на вход рулевого привода.

На чертеже приведена блок-схема системы управления движением судна с интегральными невязками со всеми связями между блоками, содержащая: 1. датчик угла руля, 2. - датчик угла курса, 3 - датчик угловой скорости, 4. - фильтр оценки угла курса, 5. - фильтр оценки угловой скорости, 6 - задатчик угла курса, 7. - сумматор, 8. - рулевой привод, 9. - динамическая модель движения судна, 10 - датчик линейной скорости,

Реализация рассматриваемой системы возможна:

- с применением аналоговых счетно-решающих элементов,

- с использованием элементов цифровой техники,

- датчики можно использовать серийно выпускаемые нашей промышленностью с точностью не хуже 5%,

- фильтры могут базироваться на математической модели движения судна с постоянными коэффициентами, которые корректируются циклически,

- динамическая модель движения судна использует вектор текущих измерений с датчиков , и оценок , , гидродинамические коэффициенты a₁₁, a ₂₂, a₁₃ с выхода модели подключаются на вход фильтра оценки для формирования высококачественных оценок угловой скорости и угла курса (с учетом воздействия ветро-волновых возмущений).

Особенности работы системы управления движением судна с интегральными невязками.

В соответствие с заданной программой в задатчике угла курса - 6. формируется заданный курс - _зд (и коррекция его при режиме идентификации гидродинамических коэффициентов), который поступает на вход сумматора - 7., на три оставшиеся входы поступают сигналы:

- угла перекладки руля - , с датчика угла руля - 1.,

- оценки угла курса - , с фильтра оценки угла курса - 4.,

- оценки угловой скорости - , с фильтра оценки угловой скорости - 5.. На выходе сумматора - 7., формируется закон управления рулевым приводом - 8., в соответствие с зависимостью (4), при этом судно будет двигаться по курсу равному заданному значению - _зд.

Оценка угла курса - формируется в фильтре оценки угла курса - 4. в соответствии с зависимостью (2)., с использованием сигналов:

- - угол курса, поступает с датчика угла курса - 2,

- - оценка угловой скорости, поступает с выхода фильтра оценки угловой скорости-5,

Оценка угловой скорости - , формируется в фильтре оценки угловой скорости - 5, в, соответствие с зависимостью (3), сигналы:

V _z - линейной скорости поступает с датчика линейной скорости - 10,

- угловой скорости, с датчика угловой скорости - 3,

a₁₁, a₁₂, a₁₃ - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна поступают с динамической модели - 9.

Гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна a₁₁ , a₁₂, а₁₃ вычисляются (корректируются) через интервал времени t в динамической модели движения судна - 9. путем решения системы алгебраических уравнений,

Текущая информация необходимая для вычисления (корректировки) оценок гидродинамических коэффициентов вводится в динамическую модель - 9.

Полученные (корректированные) значения a_11i, a _12i, a_13i, вводятся в фильтр оценки угловой скорости - 5. вместо a_11i-1, a_12i-1, a _13i-1 которые были вычислены в предыдущем цикле.

Проведенное моделирование, рассмотренной выше системы управления движением судна с интегральными невязками подтвердило эффективность использования (см.. приложение результаты моделирования:

- использование двух интегральных невязок не приводит к снижению запаса устойчивости (при сильном морском волнении существенно снижает рыскание судна по курсу, т.к. в оценки угла курса и угловой скорости судна введена оценка величины воздействия на судно от внешнего возмущения),

- введение сигнала с датчика линейной скорости V_z, в закон формирования оценки фильтра - существенно приблизило оценки к истинным значениям.

Система управления движением судна с интегральными невязками, содержащая датчик угла руля - , датчик угла курса - , датчик угловой скорости - , задатчик угла курса - _зд, рулевой привод и сумматор, к входу которого подключены датчик угла руля - и задатчик угла курса - _зд, выход сумматора подключен к входу рулевого привода, отличающаяся тем, что включает датчик линейной скорости - V_z, фильтр оценки угла курса - и фильтр оценки угловой скорости - , в котором формируется оценка угловой скорости - :

d/dt=а₁₁+а₁₂V_z+а₁₃+(-)+₁(-)dt₁+

+₁(-)dt₁dt₂,

где V_z - линейная скорость с датчика линейной скорости,

- угловая скорость с датчика угловой скорости,

а _11, а_12, а₁₃ - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна - вводятся с динамической модели движения судна,

₁(-)dt₁, K₁(-)dt₁dt₂ - интегральные невязки по угловой скорости,

в фильтре оценки угла курса формируется оценка угла курса - :

d/dt=+(-)+₁(-)dt₁+₂(-)dt₁dt_2,

где - угол курса вводится в фильтр с датчика угла курса,

- оценка угловой скорости, вводится в фильтр оценки угла курса с фильтра оценки угловой скорости,

₁(-)dt₁, K₂(-)dt₁dt₂ - интегральные невязки угла курса и оценки угла курса ,

сигналы - - с выхода фильтра оценки угла курса и - с выхода фильтра оценки угловой скорости подключены к входу сумматора, в котором формируется сигнал управления рулевым приводом:

d/dt=K₁(-_зд)+K₂-K₃,

где - оценка угла курса, поступает на вход сумматора с выхода фильтра оценки угла курса,

_зд - заданное значение угла курса с выхода задатчика угла курса,

- угол перекладки руля с выхода датчика руля,

- оценка угловой скорости судна с фильтра оценки угловой скорости,

d/dt - сигнал управления рулевым приводом с выхода сумматора подключен к входу рулевого привода.