Система автоматического управления движением судна, учитывающая морское волнение
Предлагаемая полезная модель относится к области судовождения -автоматическому управлению движением судна. Техническим результатом, предлагаемой полезной модели является:
- восстановление (выработка) оценок фазовых координат судна и внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания,
- выработка и введение сигналов восстановленных оценок внешних возмущений в закон управления движением корабля (что позволило повысить точность управления движения судна и снизить загрузку рулевого привода),
- повышение экономичности управления движением и безопасности проводки судна в узкостях. Технический результат достигается тем, что система автоматического управления движением (САУД) судна, учитывающая морское волнение, содержит датчик руля , рулевой привод, датчик угловой скорости
, датчик угла куса
, задатчик угла курса
зд., и сумматор, к входу которого подключены: датчик руля
и задатчик угла курса
зд,, выход сумматора подключен к входу рулевого привода. Дополнительно содержит фильтра оценки угла курса
, фильтр оценки угловой скорости
, датчик угла дрейфа
и два инерционных звена, к входам первого инерционного звена подключены выход фильтра оценки угловой скорости
и датчик угловой скорости
, к входам фильтра оценки угловой скорости
подключены датчик руля
, датчик угловой скорости
, датчик угла дрейфа
, на выходе фильтра оценки угловой скорости -
, формируется оценка
вида:
где: - угловая скорость (с датчика угловой скорости со),
- угла курса (с датчика угла курса
),
- угол перекладки руля (с датчика руля
),
- угол дрейфа (с датчика угла дрейфа
),
К1-К3 - гидродинамические коэффициенты судна,
Кк - коэффициент Калмановской фильтрации,
при этом датчик угла курса и выход фильтра оценки угловой скорости
подключены к входу фильтра оценки угла курса
, в фильтре формируется оценка
:
где - оценка угловой скорости -
(с выход фильтра оценки угловой скорости
),
- угла курса (с датчика угла курса
),
К1 - коэффициент Калмановской фильтрации, к входу сумматора подключены выходы фильтра оценки угла курса , фильтра оценки угловой скорости
, первого инерционного звена, в котором формируется инерционная невязка от оценки угловой скорости
вида: К
(
-
)/(Т
р+1),
второго инерционного звена, на выходе которого формируется инерционная невязка от оценки угла курса : K
(
-
)/(Т
р+1), на выходе сумматора формируется закон управления рулевым приводом:
где: - угол перекладки руля, (с датчика руля
),
- значение оценки угла курса, (с фильтра оценки угла курса
),
зд. - заданный угол курса, (с задатчика угла курса
зд),
,
- угловая скорость и оценка угловой скорости,
- с датчика угловой скорости
,
- с фильтра оценки угловой скорости
,
Ki - коэффициенты регулирования,
Т.
- постоянные времени первого и второго инерционных звеньев,
К(
-
)/(Т
р+1) - инерционная невязка оценки угловой скорости
, (с первого инерционного звена),
К(
-
)/(Т
р+1)- инерционная невязка оценки угла курса
(с второго инерционного звена).
использует оценку угла курса судна и оценку угловой скорости для формирования закона автоматического управления движением судна. В системе восстанавливаются оценки внешних возмущений, воздействующих на судно при волнении на море, которые вводят в закон управления движением. Ил 1.
Предлагаемая полезная модель относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна.
Известен способ и система автоматического управления движением судна по заданному направлению, реализованная в «Системе автоматического управления судном», (RU 2240953 C1, 27.11.2004). Система управления движением судна использует информацию от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, блока заданного значения курсового угла и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла и угловой скорости судна формируется сигнал управления рулевым приводом судна.
Известна также система автоматического управления движением судна (RU 2292289 C1, 27.01.2007, принятая в качестве прототипа), в которой автоматическое управление движением судна осуществляется аналогично описанному выше, но с дополнительной корректировкой заданного значения путевого угла в процессе плавания из точки «А» в точку «Б», затем «В» по заданному маршруту.
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,
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,
- выработка и введение сигналов восстановленных оценок внешних возмущений в закон управления движением корабля (что позволило повысить точность управления движения судна и снизить загрузку рулевого привода),
- повышение экономичности управления движением и безопасности проводки судна в узкостях.
Технический результат достигается тем, что система автоматического управления движением (САУД) судна, учитывающая морское волнение, содержит датчик руля , рулевой привод, датчик угловой скорости
, датчик угла куса
, задатчик угла курса
зд., и сумматор, к входу которого подключены: датчик руля
и задатчик угла курса
зд., выход сумматора подключен к входу рулевого привода. Дополнительно содержит фильтра оценки угла курса
, фильтр оценки угловой скорости
, датчик угла дрейфа
и два инерционных звена, к входам первого инерционного звена подключены выход фильтра оценки угловой скорости
и датчик угловой скорости
, к входам фильтра оценки угловой скорости
подключены датчик руля
, датчик угловой скорости
, датчик угла дрейфа
, на выходе фильтра оценки угловой скорости -
, формируется оценка
вида:
где: - угловая скорость (с датчика угловой скорости со),
- угла курса (с датчика угла курса
),
- угол перекладки руля (с датчика руля
),
- угол дрейфа (с датчика угла дрейфа
),
K1-K3 - гидродинамические коэффициенты судна,
Кк - коэффициент Калмановской фильтрации,
при этом датчик угла курса и выход фильтра оценки угловой скорости
подключены к входу фильтра оценки угла курса
, в фильтре формируется оценка
:
где - оценка угловой скорости -
(с выход фильтра оценки угловой скорости
),
- угла курса (с датчика угла курса
),
К1 - коэффициент Калмановской фильтрации,
к входу сумматора подключены выходы фильтра оценки угла курса , фильтра оценки угловой скорости
, первого инерционного звена, в котором формируется инерционная невязка от оценки угловой скорости
вида: K
(
-
)/(T
p+1),
второго инерционного звена, на выходе которого формируется инерционная невязка от оценки угла курса : K
(
-
)/(T
p+1), на выходе сумматора формируется закон управления рулевым приводом:
где: - угол перекладки руля, (с датчика руля
),
- значение оценки угла курса, (с фильтра оценки угла курса
,),
зд. - заданный угол курса, (с задатчика угла курса
зд),
,
- угловая скорость и оценка угловой скорости,
- с датчика угловой скорости
,
- с фильтра оценки угловой скорости
,
Ki - коэффициенты регулирования,
T.
- постоянные времени первого и второго инерционных
звеньев,
К(
-
)/(T
p+1) - инерционная невязка оценки угловой скорости
, (с первого инерционного звена),
К(
-
)/(T
p+1) - инерционная невязка оценки угла курса
(с второго инерционного звена).
Этот технический результат достигается благодаря:
- использованию оценок угловой скорости и оценок угла курса в законе управления,
- формированию сигналов инерционной невязки оценки угла курса и оценки угловой скорости (восстановлению оценки внешних возмущений, действующих на судно),
- введению сигналов инерционной невязки оценки угла курса и инерционной невязки оценки угловой скорости в законе управления.
Описание работы САУД
На чертеже приведена блок-схема разработанной САУД, содержащая: 1. датчик руля ; 2. два датчик угловой скорости
; 3 датчика угла курса
.; 4 фильтр оценки угловой скорости -
; 5. фильтр оценки угла курса
; 6. сумматор; 7. задатчик угла курса
зд.; 8. рулевой привод; 9. объект управления - судно; 10. первое инерционное звено; 11. второе инерционное звено.
В существующих САУД судна обычно используют «ПД» закон управления:
Из сравнения зависимостей (3a) и (3) следует, что отличие отпредложенного закона (3) в рассматриваемой заявке это:
- вместо информации о направлении движения по углу курса - и угловой скорости -
, сильно зашумленной при неспокойном море (см. фиг. датчики. - 2., - 3), используются их оценки, которые вырабатываются двумя фильтрами оценок
,
(см. блоки - 4., - 5 - восстановленные оценки внешних возмущений,
- восстановленные оценки внешних возмущений (эти добавления ранее не применявшиеся):
в качестве оценок внешних возмущений по зависимости (4.) приняты инерционные невязки по оценок угла курса (-
) и инерционные невязки по оценок угловой скорости (
-
).
Использование закона (3.) вместо закона (3а) позволило:
- снизить загрузку рулевого привода при плавании по взволнованному морю,
- повысить точность стабилизации генерального курса судна,
- восстановление оценок внешних возмущений и введение их в закон управления(3). приблизило управление к астатическому при взволнованном море.
Рассмотрим как работает система управления с использованием закона (3).
Формирование закона управления (3) осуществляется в сумматоре (6), на вход которого вводится:
- сигнал угла перекладки руля - , с датчика руля - 1.,
- сигнал оценки угловой скорости - , с фильтра оценки угловой скорости
-4.,
- сигнал оценки угла курса - , с фильтра оценки угла курса -
, - 5.
- сигнал инерционной невязки оценки угла курса- К(
-
)/(Т
p+1) первого инерционного звена - 10,
- сигнал инерционной невязки оценки угловой скорости - K(
-
)/(T
p+1), с второго инерционного звена - 11.
Рассмотрим формирование сигналов ,
.
Оценка угловой скорости - вычисляется в фильтре оценки угловой скорости
- 4., в который в соответствие с зависимостью (1), введены:
- сигнал угла перекладки руля - с датчика руля - 1. сигнал угловой скорости -
, с датчика угловой скорости
- 2.
Оценка угла курса - вычисляется в фильтре оценки угла курса
- 5., в соответствие с зависимостью (2), в который введены сигнал угла курса -
., с датчика угла курса
- 3., и сигнал оценки угловой скорости -
, с фильтра оценки угловой скорости
. - 4
Таким образом, с использованием предлагаемой САУД осуществляется автоматическое управление движением судна по заданному генеральному курсу с компенсацией внешних возмущений при взволнованном море.
Система автоматического управления движением (САУД) судна, учитывающая морское волнение, содержащая датчик руля , рулевой привод, датчик угловой скорости
, датчик угла курса
, задатчик угла курса
зд. и сумматор, к входу которого подключены: датчик руля
и задатчик угла курса
зд., выход сумматора подключен к входу рулевого привода, отличающаяся тем, что содержит фильтр оценки угла курса
, фильтр оценки угловой скорости
, датчик угла дрейфа
и два инерционных звена, к входам первого инерционного звена подключены выход фильтра оценки угловой скорости
и датчик угловой скорости
, к входам фильтра оценки угловой скорости
подключены датчик руля
, датчик угловой скорости
, датчик угла дрейфа
, на выходе фильтра оценки угловой скорости -
формируется оценка
вида:
где - угловая скорость (с датчика угловой скорости
),
- угол курса (с датчика угла курса
),
- угол перекладки руля (с датчика руля
),
- угол дрейфа (с датчика угла дрейфа
),
К1-К3 - гидродинамические коэффициенты судна,
Кк - коэффициент Калмановской фильтрации,
при этом датчик угла курса и выход фильтра оценки угловой скорости
подключены к входу фильтра оценки угла курса
, в фильтре формируется оценка
:
где - оценка угловой скорости -
(с выхода фильтра оценки угловой скорости
),
- угла курса (с датчика угла курса
),
К1 - коэффициент Калмановской фильтрации,
к входу сумматора подключены выходы фильтра оценки угла курса , фильтра оценки угловой скорости
, первого инерционного звена, в котором формируется инерционная невязка от оценки угловой скорости
вида:
(
-
)/(
+1),
второго инерционного звена, на выходе которого формируется инерционная невязка от оценки угла курса :
(
-
)/(
+1), на выходе сумматора формируется закон управления рулевым приводом:
где - угол перекладки руля (с датчика руля
),
- значение оценки угла курса (с фильтра оценки угла курса
),
зд. - заданный угол курса (с задатчика угла курса
зд.),
,
- угловая скорость и оценка угловой скорости,
- с датчика угловой скорости
,
- с фильтра оценки угловой скорости
,
i -коэффициенты регулирования,
.
- постоянные времени первого и второго инерционных звеньев,
(
-
)/(
+1) - инерционная невязка оценки угловой скорости
(с первого инерционного звена),
(
-
)/(
+1) - инерционная невязка оценки угла курса
(со второго инерционного звена ).