Система управления движением судна с электронной моделью движения

Полезная модель относится к области автоматического управления движением судна. В законе автоматического управления движением используются фильтры, в которых формируются оценки угла курса и оценки угловой скорости судна по курсу. При формировании оценок измерений (в фильтрах Калмана) используют гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна, которые в процессе плавания уточняются в электронной модели движения судна. Техническим результатом, предлагаемой системы управления движением судна с электронной моделью движения является: повышение точности и надежности системы управления движением, формирование более эффективных оценок фазовых координат состояния судна с использованием электронной (адаптивной) модели движения судна, параметры которой существенно изменяются в процессе плавания снижение загруженности рулевого привода судна при сильном морском волнении. Технический результат достигается тем, что система управления движением судна с электронной моделью движения содержит датчик угла перекладки руля - , датчик угла курса - , датчик угловой скорости - , фильтр оценки угла курса - , фильтр оценки угловой скорости - , задатчик угла курса - _зд,., рулевой привод и сумматор, к входу которого подключены 4 датчика - ,- , - , _зд и 2 фильтра - , -, в сумматоре формируется сигнал управления рулевым приводом вида: d/dt=К₁(-_зд.)+₂-₃ 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. Система также включает датчик углового ускорения - d/dt, датчик линейной скорости - V_z, датчик продольной скорости - V_x и электронную модель движения судна.

Полезная модель относится к области судостроения - автоматическому управлению движением судна по заданному направлению.

Известна система автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованная в «Системе автоматического управления движением судна», (RU 2248914 C1, 27.03.2005). 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.

Известен также способ автоматического управления движением корабля с использованием динамической модели углового движения корабля. (RU 2223197 C1, 10.02.2004, принятый 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 - поступает с выхода электронной (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:

K(-)

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,

- вырабатываемые оценки фазовых координат управления существенно отличаются от измеренных значений, что приводит к снижению качества автоматического управления,

- не применимы для использования на судах параметры математической модели движения которых изменяются в процессе плавания.

Техническим результатом, предлагаемой системы управления движением судна с электронной моделью движения является:

- повышение точности и надежности системы управления движением,

- формирование более эффективных оценок фазовых координат состояния судна с использованием электронной (адаптивной) модели движения судна, параметры которой существенно изменяются в процессе плавания

- снижение загруженности рулевого привода судна при сильном морском волнении.

Технический результат достигается тем, что система управления движением судна с электронной моделью движения содержит датчик угла руля - , датчик угла курса - , датчик угловой скорости - , фильтр оценки угла курса - , фильтр оценки угловой скорости - , задатчик угла курса - _зд,., рулевой привод и сумматор, к входу которого подключены 4 датчика - , - , - , _зд и 2 фильтра - , - , в сумматоре формируется сигнал управления рулевым приводом вида:

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 руля, - с выхода датчика угла руля,

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

d/dt - сигнал управления рулевым приводом, с выхода сумматора подключен к входу рулевого привода. Система также включает датчик углового ускорения - d/dt, датчик линейной скорости - V_z,. датчик продольной скорости - V_x и электронную модель движения судна, в которой формируются системы алгебраических уравнений с неизвестными - a₁₁, a₁₂, a ₁₃:

d/dt_i=(a₁₁V_x)_i+(a₁₂V_xV _z)_i+(a₁₃V_xV _x.),

где d/dt - угловое ускорение, вводится в электронную модель движения судна с датчика углового ускорения,

V_x - продольная скорость судна - с датчика продольной скорости,

V_z - линейная скорость судна - с датчика линейной скорости,

- угол руля - с датчика угла руля,

фильтр оценки угла курса - , формирует оценку угла курса - :

d/dt=+K(-)

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

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

фильтр оценки угловой скорости - , формирует оценку угловой скорости - :

d/dt=a₁₁V_x+a₁₂V_xV_z+ a₁₃V_xV_x+K(-),

где V_x - продольная скорость, вводится в фильтр с датчика продольной скорости,

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 электронной модели движения судна.

Технический результат, в предлагаемой системе управления, достигается благодаря:

- введения адаптивной электронной модели движения судна (с корректировкой гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна в процессе плавания),

- использованию измерителей линейной скорости судна - V_z, углового ускорения d/dt,

- перестройке параметров фильтров, формирующих оценки фазовых координат состояния судна, с учетом изменения гидродинамических коэффициентов судна в процессе плавания.

Система управления движением судна с электронной моделью движения

Система управления движением судна с электронной моделью движения содержит: датчик угла руля - ; датчик угла курса - ; датчика угловой скорости - ; фильтр оценки угла курса - , в котором формируется оценка угла курса - :

.

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

- оценка угловой скорости - с фильтра оценки угловой скорости;

фильтр оценки угловой скорости - , в котором формируется оценка угловой скорости - :

.

где V_x - продольная скорость, поступает в фильтр с датчика продольной скорости,

V_z - линейная скорость - с датчика линейной скорости,

- угловая скорость - с датчика угловой скорости,

a₁₁, a₁₂, a₁₃ - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна, сформированные в электронной модели движения судна;

задатчик угла курса. - _зд;, рулевой привод и сумматор, 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 руля - с выхода датчика руля,

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

Для реализации поставленной цели система содержит: датчик углового ускорения - d/dt; датчик продольной скорости - V_x; датчик линейной скорости - V_z; и электронную модель движения судна, в которой формируется математическая модель движения судна в форме системы алгебраических уравнений с неизвестными - a ₁₁, a₁₂, a₁₃ - оценками гидродинамических коэффициентов:

где d/dt - угловое ускорение, вводится в электронную модель с датчика углового ускорения,

V_x - продольная скорость судна - с датчика продольной скорости,

V_z - линейная скорость судна - с датчика линейной скорости,

- угол руля - с датчика угла руля,

a _ij - оценки гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна (циклически корректируемые при решении систем алгебраических уравнений (5).

Корректировка оценок гидродинамических коэффициентов a₁₁, a₁₂, a₁₃ выполняется в электронной модели движения судна циклически через интервал времени t. Коэффициенты (a₁₁, a₁₂ , a₁₃)_i-1, сформированные в предыдущем цикле «i-1» и введенные в фильтр оценки угловой скорости заменяются в фильтре оценки угловой скорости полученными коэффициентами (a₁₁, a₁₂, a₁₃ )_i - в следующем цикле «i». Изменение коэффициентов (a₁₁, a₁₂, a₁₃ )_i в фильтре оценки угловой скорости произойдет через следующий интервал времени t. после вычисления коррекции оценок гидродинамических коэффициентов - (a₁₁, a₁₂ , a₁₃)_i+1 в следующем цикле корректировки оценок гидродинамических коэффициентов.

Реализация системы управления движением судна с электронной моделью движения

На фигуре приведена блок-схема системы управления движением судна с электронной моделью движения со всеми связям 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. - электронная модель движения судна, 10 - : датчик углового ускорения, 11. - датчик линейной скорости, 12. - датчик продольной 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 электронной модели движения судна с постоянными коэффициентами, которые корректируются циклически

- электронная модель движения судна использует полный вектор текущих измерений, что позволяет корректировать оценки гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна, изменяющиеся в процессе плавания и вводить их в фильтр оценки угловой скорости для формирования высококачественных оценок угловой скорости и угла курса.

Особенности работы системы управления движением судна с электронной моделью движения.

В соответствие с заданной программой в задатчике угла курса - 6. формируется заданный курс - _зд (и коррекция его при 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 _x - продольной скорости поступают с датчика продольной скорости - 12,

V_z - линейной скорости, с датчика линейной скорости - 11,

- угловой скорости, с датчика угловой скорости - 3,

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

Гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна a₁₁, a₁₂, a₁₃ вычисляются (корректируются) через интервал времени t в электронной модели движения судна - 9. путем решения системы алгебраических уравнений, в соответствие с зависимостью (5).

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

d/dt - угловое ускорение, вводится с датчика углового ускорения - 10.

V_x - продольная скорость судна, с датчика продольной скорости - 12,

V_z - линейная скорость судна, с датчика линейной скорости - 11.,

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

a_ij. - гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна вычисляются в системе алгебраических уравнений (5).

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 электронной моделью движения подтвердило эффективность использования адаптивной подсистемы выработки (корректировки) оценок измеряемой информации особенно при сильном волнении на море.

Система управления движением судна с электронной моделью движения, содержащая датчик угла руля - , датчик угла курса - , датчик угловой скорости - , фильтр оценки угла курса - , фильтр оценки угловой скорости - , задатчик угла курса - _зд., рулевой привод и сумматор, к входу которого подключены датчик - , задатчик _зд. и два фильтра - , - , получающие значения с датчиков и , при этом в сумматоре формируется сигнал управления рулевым приводом вида:

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 руля - с выхода датчика угла руля,

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

d/dt - сигнал управления рулевым приводом с выхода сумматора подключен к входу рулевого привода, отличающаяся тем, что включает датчик углового ускорения - d/dt, датчик линейной скорости - V_z, датчик продольной скорости - V_x и электронную модель движения судна, в которой формируются системы алгебраических уравнений с неизвестными - a₁₁, a₁₂, a ₁₃:

d/dt_i=(a₁₁V_x)_i+(a₁₂V_xV _z)_i+(a₁₃V_xV _x.),

где d/dt - угловое ускорение вводится в электронную модель движения судна с датчика углового ускорения,

V_x - продольная скорость судна - с датчика продольной скорости,

V_z - линейная скорость судна - с датчика линейной скорости,

- угол руля - с датчика угла руля,

фильтр оценки угла курса - формирует оценку угла курса - :

d/dt=+K(-),

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

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

фильтр оценки угловой скорости - формирует оценку угловой скорости - :

d/dt=a₁₁V_x+a₁₂V_xV_z+ a₁₃V_xV_x+K(-),

где V_x - продольная скорость вводится в фильтр с датчика продольной скорости,

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 электронной модели движения судна.