Способ управления движением корабля с советчиком судоводителю

Способ управления движением корабля с советчиком судоводителю

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области судостроения - ручному управлению движением корабля по курсу с советчиком судоводителю.

Известен способ управления движением речного судна с использованием советчика судоводителю (в качестве советчика используется шкальный индикатор угловой скорости судна). Судоводитель, учитывая текущую угловую скорость судна (по индикатору угловой скорости) и текущий курс судна, определяет будущее направление движения судна, на которое оно выйдет, если с данного момента времени он вручную начнет сдерживание судна. Этот же способ управления с использованием устройства прогнозирования будущего направления движения морского корабля (патент России №2189624, Авт. св. СССР, заявка №5051561), позволяет определять момент времени, когда судоводителю следует начинать процесс сдерживания для выхода корабля на прогнозируемое советчиком направление движения.

Известен способ прогнозирования с использованием задатчика курса (Авт. св. СССР №610721, принятый нами в качестве прототипа), который включает блоки: измеритель угла курса и угловой скорости, вычислитель, индикатор и исполнительные устройства. Рассматриваемый способ ручного управления движением корабля с использованием советчика судоводителю облегчает процесс ручного управления переходом корабля (сдерживания) на новое направление движения. В советчике судоводителю формируется будущее направление движения корабля с использованием сигналов текущего курса φ, угловой скорости ω и угла перекладки руля δ. В вычислительном блоке формируется сигнал будущего состояния корабля по углу курса φ_прогн.i=f [φ,ω,δ_i(t)]. (Для сигналов δ_i, изменяющихся от δ₀… до δ_n при этом вычисляются будущие значения сигналов от φ_прогн.0 …до φ_прогн.n, перебор осуществляется в ускоренном времени за время τ_т).

При равенстве сигнала: φ_прогн.n=φ_зд.(φ_зд.- заданное значение курса корабля, на который нужно перейти) судоводитель устанавливает сигнал δ_n в начальное состояние δ₀ (осуществляется процесс сдерживания корабля с момента натурального времени t_n+τ_т в соответствии с расчетной программой, заложенной в вычислительном блоке).

Недостатками приведенного выше способа управления являются:

- в советчике формируется момент времени, когда следует начинать сдерживание судна, что не позволяет эффективно использовать такой советчик в режиме стабилизации на заданном курсе (процесс ручного управления движением инерционного корабля с использованием прогнозатора советчика),

- при наличии морского волнения судоводитель определяет требуемое управляющее воздействие для выхода на желаемое направление движения с низкой точностью прогноза, т.к. не учитывается смещение руля для компенсации постоянной составляющей от внешнего возмущающего момента.

Целью предлагаемого способа управления является устранение отмеченных выше недостатков, а именно:

- облегчение процесса ручного управления движением инерционного корабля с использованием предлагаемого советчика (это достигается тем, что осуществляется формирование информации о будущем состоянии корабля через время, близкое к постоянной времени корабля - Т_кораб., и это происходит практически мгновенно, т.е. судоводитель управляет как бы «безинерционным объектом»),

- повышение точности выработки прогнозируемых значений при наличии развитого морского волнения.

Предлагаемый способ управления движением базируется на использовании советчика судоводителю, который содержит блоки:

программный, измерительный, исполнительных средств, ручного управления и индикатор. Существенно, что советчик судоводителю дополнен электронной моделью движения корабля (работающей в ускоренном масштабе времени) и блоком среднего значения угла перекладки руля δ_ср.

Выход программного блока (сигнал заданного курса - φ_зд.) вводят на вход индикатора. Сигналы курса φ и угловой скорости ω (из измерительного блока) вводят на первый вход электронной модели движения корабля, на два других входа которой вводят сигналы угла перекладки руля δ (из блока исполнительных средств) и сигнал среднего значения угла перекладки руля δ_ср. (из блока среднего значения угла перекладки руля). В электронной модели движения корабля формируется сигнал будущего состояния корабля по углу курса φ_прогн. в виде суммы сигналов

где φ_прогн. (τ_т) - прогнозируемый курс корабля в момент времени (t_i+τ_т), соответствующий углу перекладки руля δ_i,

τ_т- время моделирования процесса движения в ускоренном масштабе времени, пропорциональное постоянной времени корабля

Т_кораб..=К_ускор·τ_т

Сигнал угла перекладки руля δ (из блока исполнительных средств) вводят в блок среднего значения угла перекладки руля для формирования среднего значения угла перекладки руля δ_ср.

Для иллюстрации использования предложенного способа рассмотрим чертеж, на котором приведен советчик судоводителю, состоящий из блоков со связями между ними: 1. программный, 2. измерительный, 3. электронная модель движения корабля (работает в ускоренном масштабе времени), 4. среднего значения угла перекладки руля, 5. исполнительных средств, 6. индикатора, 7. ручного управления, 8. корабль - объект управления.

Советчик судоводителю можно реализовать с использованием типовых микроконтроллеров (блоки 1, 3, 4), блок 2 - аппаратура типа «Мининавигация» (разработки ЦНИИ «Электроприбор», С.Петербург), блок 6 стрелочные, либо световые измерители с сумматором, блок 5 корабельный (штатный) рулевой привод, блок 7 - задатчик угла перекладки руля.

Предложенный советчик судоводителю может использоваться совместно с типовой системой автоматического управления движением (САУД) корабля как резервный режим ручного управления движением корабля при выходе из строя какого-либо модуля САУД.

(Современные САУД позволяют практически полностью автоматизировать процесс управления движением корабля, что создало парадокс автоматизации - исключили судоводителя из процесса управления, а следовательно, и лишили его способности (навыка) вручную управлять движением инерционым кораблем. Наличие советчика судоводителю позволит судоводителю при сбое в САУД эффективно управлять движением корабля вручную.)

Судоводитель отклонением рукоятки в блоке ручного управления судоводителя 7 выдает сигнал задания в блок исполнительных средств 5 на перекладку руля. На индикаторе 6 при любой величине перекладки руля δ_i будет вырабатываться будущее направление движения корабля φ_{предск.}, на которое выйдет корабль через время Т_{корабля}. Изменяя величину перекладки руля δ_i, судоводитель обеспечит движение корабля по заданному направлению, если

φ_{предск.}= φ_зд.

где

φ_зд.- заданное (программное) значение курса, которое также высвечивается в индикаторе с использованием сигнала φ_зд. из программного блока,

φ_{предск.}- предсказанное значение курса, на который выйдет корабль через время - Т_{корабля} (при фиксированном угле перекладки руля δ_i в течение времени Т_{корабля}).

Рассмотрим работу советчика судоводителю при ручном управлении движением корабля по заданному курсу.

В программном блоке 1 вырабатывается сигнал заданного значения курса φ_зд, который поступает в индикатор 6 для выдачи информации судоводителю. В измерительном блоке 2 вырабатывается сигнал текущего значения курса φ. и угловой скорости корабля ω, которые вводятся на вход электронной модели движения корабля 3. В электронной модели в ускоренном масштабе времени Мτ моделируется процесс динамики движения корабля в интервале времени τ_т. Для повышения точности прогноза в качестве угла перекладки руля в зависимости (1) формируют корректированный угол перекладки руля

δ_iкopp.=δ_i-δ_ср.,

где δ_ср. - среднее значение угла перекладки руля.

Сигнал φ_{предск.} с выхода электронной модели движения корабля алгебраически суммируется с сигналом угловой скорости ω, в соответствии с зависимостью (1), который и поступает в индикатор.

Проведенное моделирование подтвердило целесообразность использования предложенного способа ручного управления кораблем с использованием советчика судоводителю.

Способ управления движением корабля с советчиком судоводителю с использованием в советчике блоков: программного, измерительного, исполнительных средств, индикатора и ручного управления, на выходе которого формируется управляющий сигнал, поступающий на вход блока исполнительных средств, отличающийся тем, что дополнительно используют блок среднего значения перекладки руля и электронную модель движения корабля, на вход которой вводят три сигнала: курса - φ с выхода измерительного блока, угла перекладки руля - δ с выхода блока исполнительных средств и среднего значения угла перекладки руля - δ_ср с выхода блока среднего значения перекладки руля, на вход которого вводят сигнал угла перекладки руля - δ с выхода блока исполнительных средств, на выходе электронной модели движения корабля формируют сигнал прогнозируемого состояния корабля по курсу - φ_прогн и угловой скорости - ω_прогн в ускоренном масштабе времени с использованием сигналов φ, ω, δ и δ_ср, сигналы с выхода электронной модели движения корабля φ_прогн(τ_т) и ω_прогн(τ_т), где τ_т - время моделирования процесса движения в ускоренном масштабе времени, суммируют, затем вводят на вход индикатора, на вход которого также вводят сигнал заданного значения курса - φ_зд из программного блока.