Способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля

Способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области судостроения - автоматическому управлению движением корабля с диагностированием исправности работы модулей системы автоматического управления движением (САУД) корабля и автоматической перестройкой САУД для сохранения ее работоспособности при наличии сбоя в каком-либо модуле системы

Известен способ управления движением корабля с диагностикой САУД путем оценки сигнала рассогласования текущего угла курса относительно заданного его значения [Острецов Г.Э. Методы построения отказобезопасных систем управления движением корабля. // Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки, информации». Украина, Алушта, 2009 г. Сборник трудов, стр.23].

Известен способ повышения качества измеряемой информации в САУД путем сравнения измеренных сигналов с полученными от электронной модели процесса управления движением корабля [Система восстановления параметров движения корабля. // Сборник трудов междуведомственного Совета по управлению движением судов, выпуск XX, изд. ИЛУ РАН, 1993 г., Москва. Стр.16-18].

Известен также способ управления движением корабля с диагностированием исправности отдельных элементов САУД в процессе работы (патент России №2155142, принятый нами в качестве прототипа). В этом способе управления движением судна используют сигналы текущего угла курса - φ, скорости изменения курса - d/dt φ и сигнал заданного значения угла курса - φ_зд, которые вводят в вычислитель для формирования сигнала заданного угла перекладки руля - δ_зд. На выходе вычислителя формируется закон управления рулевым приводом: δ_зд:

.

Этот же сигнал δ_зд вводят на вход электронной модели рулевой системы для формирования сигнала модельного угла перекладки руля - δ_модели, который при исправности рулевой системы тождественен сигналу угла перекладки руля с выхода рулевой системы - δ. Сигналы угла перекладки руля с выхода рулевой системы - δ и выхода электронной модели рулевой системы - δ_модели вводят на индикатор. При разности сигналов более допустимой величины C₁ индикатор в САУД срабатывает, информируя судоводителя о сбое в рулевой системе:

К недостаткам рассмотренного способа автоматического управления движением судна с диагностикой сбоя в рулевой системе следует отнести:

- индикатор сбоя отмечает только расхождение сигналов в рулевой системе относительно сигналов, полученных в модели рулевой системы, а где произошел сбой, в самой рулевой системе или в электронной модели рулевой системы, не выявляется,

- если произошел сбой в рулевой системе, рассмотренный способ диагностирования выдаст только информацию о сбое, при этом аварийная ситуация ждет личного участия судоводителя (судно окажется без автоматического управления),

- выявляется сбой только в одном из узлов САУД.

Предлагаемый способ управления лишен отмеченных недостатков. Целью способа отказобезопасного автоматического управления движением корабля является сохранение автоматического управления движением корабля при любом сбое в системе управления движением.

Способ базируется на формировании сигналов управления в автономных модулях повышенной надежности, т.е. архитектура САУД строится по модульно- структурному принципу и содержит:

- измерительный модуль - φ,

- программный модуль - φ_зд,

- вычислительный модуль - δ_зд,

- модуль исполнительных средств - δ.

Для выявления сигнала сбоя и перестройки закона управления используется блок диагностики с резервными модулями:

- измерительный модуль - φ_рез,

- вычислительный модуль - δ_{зд. резервный},

- модуль модели исполнительных средств - δ_{модельный},

- модуль резервных исполнительных средств - δ_резерв.

Формирование способа автоматического управления движением корабля базируется на достоверном выявлении факта сбоя в конкретном модуле САУД и изменении архитектуры САУД для обеспечения автоматического управления при появлении сбоя в каком-либо модуле САУД.

Сигналы из измерительного модуля - φ и программного модуля - φ_зд вводят на вход вычислительного модуля, на выходе которого формируется сигнал управления δ_зд в соответствии с зависимостью (1). Сигнал δ_зд вводят на вход модуля исполнительных средств - δ.

Одновременно сигналы из измерительного модуля - φ и программного модуля - φ_зд вводят в блок диагностики для формирования сигнала модуля разности этих двух сигналов.

Модуль разности формируют через интервалы времени Δt:

Если модуль разности превысит заданное значение:

в блоке диагностики формируют сигнал d/dt φ_зд и если выполняется условие (4):

формируют модули сигналов невязок:

При выполнении условия (5а):

сигнала - φ из измерительного модуля отключают от входа вычислительного модуля - δ_зд, а сигнал - φ_фрез из резервного измерительного модуля вводят на вход вычислительного модуля - δ_зд для формирования корректированного закона управления.

При выполнении условия (6а)

Сигнал - δ_{зд.резервный} из резервного вычислительного модуля вводят на вход модуля резервных исполнительных средств, вместо сигнала - δ_зд из вычислительного модуля. При выполнении условия (7а):

сигнала - δ_зд из вычислительного модуля отключают от модуля исполнительных средств - δ и вводят на вход модуля резервных исполнительных средств сигнал - δ_резер.

Таким образом формируется способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля при выявлении любого ложного сигнала φ, или δ_зд, или δ, с автоматической перестройкой архитектуры САУД,

Рассмотрим аппаратурный вариант реализации предложенного способа.

На фиг.1 приведена архитектура построения САУД в модульно-структурном исполнении с системой диагностики.

Собственно система автоматического управления движением может быть реализована в виде четырех автономных модулей повышенной надежности. Для диагностирования сбоя в любом модуле САУД введен блок диагностики с модулями: моделью исполнительных устройств, резервным измерительным модулем, резервным вычислителем и резервными исполнительными средствами.

Рассмотрим детально часть аппаратуры САУД, реализующую предложенный способ управления движением корабля, если выполняются условия (3) и (6а) (см. фиг.2, в этом случае в блоке диагностики используются только резервный модуль - исполнительных средств и модуль - модель исполнительных устройств).

Сигнал заданного значения угла курса - φ_зд, сформированный в программном модуле - 5, вводится в вычислитель - 3, на вход вычислителя также вводится сигнал текущего курса - φ и угловой скорости - ω из измерительного модуля - 1. На выходе вычислителя формируется управляющий сигнал - δ_зд, который проходит через переключатель - 7 на вход исполнительного устройства (рулевой системы) - 4:

где δ_зд - заданное значение угла перекладки руля,

K_i - коэффициенты регулирования. Для диагностирования появления сбоя в рулевой системе используют

сигналы с измерительного модуля - 1, модуля - модели исполнительных устройств - 6 и модуля исполнительных устройств - 4:

φ - текущего курса из измерительного модуля,

φ_зд - заданного значения угла курса из программного модуля,

δ - угла перекладки руля из модуля исполнительные устройства,

δ_модели - угла перекладки руля из модуля модели исполнительных устройств,

В блоке диагностики - 2 формируют появление сигнала сбоя в модуле исполнительных устройств (рулевой системе), который поступает в переключатель - 7, при выполнении двух условий:

и

где C₁, С - постоянные значения, задаваемые судоводителем.

При выполнении условий (3) и (7а) в блоке переключателе сигнал автоматического управления движением судна (1), поступивший из вычислителя, отключается от модуля исполнительных устройств (рулевой системы) - 4 и подключается на вход модуля резервных исполнительных средств - 8.

При реализации рассматриваемой аппаратуры: 1 - измерительный модудь САУД, может быть принят типа «Мининавигация» (разработки ЦНИИ «Электроприбор» С. Петербург); 2 - блок диагностики можно реализовать на типовом микроконтроллере, 3 - вычислитель реализуется на микросхеме 140УД-6, 4 - исполнительные устройства - штатная корабельная рулевая машина; 5 - программный модуль - типовой микроконтроллер, 6 - модуль-модель исполнительных устройств (электронная модель рулевой системы) может быть реализована на двух микросхемах 140 УД-6 и 140 УД-8, 7 - блок переключения реализуется на электромагнитном реле и 8 - резервный модуль дополнительных исполнительных средств управления движением корабля может быть реализован на интерцепторах и (или) виде регуляторов,

управляющих левым и правым гребными винтами (для создания «раздрая» оборотов гребных винтов).

Описание работы СА УД корабля с диагностикой и перестройкой архитектуры при сбое в исполнительных устройствах (см. фиг.2). Заданное значение угла курса - φ_зд, формируемое в программном модуле - 5, поступает в вычислитель - 3. В вычислитель также вводится текущей курс - φ и сигнал угловой скорости - ω из измерительного модуля - 1. На выходе вычислителя формируется управляющий сигнал исполнительными средствами (рулевым приводом) - δ_зд в соответствии с зависимостью (1), который поступает через блок переключения - 7 на вход рулевой системы - 4, что приводит к движению корабля по заданному направлению (в нормальных условиях эксплуатации).

При появлении сбоя в блоке диагностики - 2 осуществляется достоверное выявление начала аварии. Это достигается, если удовлетворяются два условия по зависимости (3) и зависимости (7а). Сигнал сбоя из блока диагностики поступает в блок переключения - 7 на срабатывание реле, которое переключает управляющий сигнал из вычислителя - δ_зд от входа модуля исполнительного устройства (рулевой системы) - 4 и подключает к входу модуля резервных исполнительных средств, управляющих движением корабля - 8. Так восстанавливается автоматическое управление корабля в соответствии заданным заданием - φ_зд, при сбое в модуле исполнительных средств.

Для выявления сбоя в измерительном модуле рассмотренную аппаратуру, приведенную на фиг 2, следует дополнить резервным измерительным модулем в соответствии с фиг.1.

На фиг.3 приведена блок-схема части аппаратуры САУД, которая позволит выявить сбой в измерительном модуле и перестроить архитектуру для продолжения эффективного автоматического управлением движением корабля.

Описание работы САУД с диагностикой сбоя в измерительном модуле и перестройкой структуры управления САУД [фиг 3].

Требуемое направление движения корабля формируется в программном модуле - 5 в виде задания направления движения корабля - φ_зд, которое поступает в вычислительный модуль - 3. В вычислительный модуль также вводится текущей курс - φ и сигнал угловой скорости - ω из измерительного модуля - 1. На выходе вычислительного модуля формируется управляющий сигнал исполнительными средствами управления движением (рулевым приводом) - δ_зд в соответствии с зависимостью (1).

Управляющий сигнал δ_зд через блок переключения поступает на вход модуля исполнительных средств - 4, что приводит к движению корабля по заданному направлению в нормальных условиях плавания.

Достоверное выявление сбоя в измерительном модуле осуществляется в блоке диагностики - 2. С этой целью к блоку диагностики подключены измерительный модуль - 1, резервный измерительный модуль - 6 и программный модуль - 5. Условия сбоя формируются в блоке диагностики и имеют вид:

и

При удовлетворении условий (3) и (5а) в блоке диагностики формируется сигнал изменения закона управления в модуле вычислителе САУД. На выходе вычислителя формируется сигнал резервного управления - δ_{зд.резер}:

Этот сигнал из модуля вычислителя поступает на вход модуля исполнительных средств. При этом, несмотря на сбой в измерительном модуле - 1, автоматическое управление кораблем сохраняется в соответствии с заданным значением - φ_зд.

На фиг.4 приведена блок-схема с корректировкой части аппаратуры (добавлен резервный модуль вычислитель в соответствии с фиг.1). Это позволяет выявить сбой в модуле-вычислителе и перестроить архитектуру САУД для продолжения эффективного автоматического управлением движением корабля при наличии сбоя в вычислителе.

Перестройка происходит при удовлетворении двух условий:

В блоке диагностики после выполнения условий (3) и (6а) вырабатывается сигнал, который поступает в блок переключения - 7 при этом на модуль исполнительных устройств вместо сигнала из модуля вычислителя - δ_зд. поступит сигнал от резервного вычислителя - δ_{зд.резервный}.

Проведенное моделирование с использованием электронных резервных моделей подтвердило эффективность предложенного способа диагностирования САУД с перестройкой архитектуры при сбое в любом модуле.

Способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля, использующий модули: программный, вычислительный, исполнительных устройств и измерительный, в последнем формируется сигнал угла курса - φ, в программном модуле формируется сигнал заданного угла курса - φ_зд, оба сигнала вводятся в вычислительный модуль, в котором используют также сигнал угловой скорости курса из измерительного модуля для формирования сигнала заданного значения угла перекладки руля - δ_зд, сигнал δ_зд вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе которого формируется сигнал угла перекладки руля - δ, отличающийся тем, что используют блок диагностики и резервные модули: вычислительный - δ_{зд.резер}, исполнительных устройств - δ_резер, измерительный - φ_резер и модель исполнительных устройств - δ_{модельн}, сигналы: φ, φ_зд, δ, φ_резер, δ_{модельн} из соответствующих модулей вводят в блок диагностики, в последнем формируют: первый сигнал разности сигналов угла курса (из измерительного модуля) и заданного угла курса (из программного модуля) |φ-φ_зд|, второй сигнал разности сигналов угла курса (из измерительного модуля) и сигнала резервного угла курса (из резервного измерительного модуля) |φ-φ_резер|, третий сигнал разности сигналов δ_зд (из вычислительного модуля) и сигнала δ_{зд.резер} (из резервного вычислительного модуля) |δ_дз-δ_{дз.резер}|, четвертый сигнал разности сигналов (из модуля исполнительных устройств) и сигнала δ_{модельн} (из резервного модуля модели исполнительных устройств) |δ-δ_{модельн}|, модуль первого сигнала разности сигналов сравнивают с сигналом допустимого значения, если модуль первого сигнала разности сигналов не превышает сигнал допустимого значения, то через интервалы времени Δt вновь сравнивают модуль первого сигнала разности сигналов с сигналом допустимого значения, в момент времени nΔt, когда модуль первого сигнала разности сигналов превысит сигнал допустимого значения, то модуль второго сигнала разности сигналов сравнивают с сигналом допустимого значения, и если модуль второго сигнала разности превышает сигнал допустимого значения, то в вычислительном модуле формируют сигнал заданного значения угла перекладки руля - δ_зд с использованием сигнала заданного угла курса φ_зд (из программного модуля) и сигнала резервного угла курса φ_резер (из резервного измерительного модуля), сигнал заданного значения угла перекладки руля - δ_зд вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе модуля исполнительных устройств формируется угол перекладки руля δ, модуль второго сигнала разности сигналов меньше допустимого значения, то формируют модуль третьего сигнала разности сигналов и сравнивают с сигналом допустимого значения, если третий сигнал разности сигналов больше допустимого значения, то в резервном вычислительном модуле формируют заданное значение угла перекладки руля - δ_{зд.резер} с использованием сигнала заданного угла курса - φ_зд (из программного модуля) и сигналов угла курса φ и угловой скорости (из измерительного модуля), сигнал δ_{зд.резер} вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе модуля исполнительных устройств формируется сигнал угла перекладки руля - δ, третий сигнал разности меньше допустимого значения, то формируют модуль четвертого сигнала разности сигналов, если модуль четвертого сигнала превышает сигнал допустимого значения, то в вычислительном модуле формируют заданное значение угла перекладки руля - δ_зд с использованием сигнала заданного угла курса - φ_зд (из программного модуля) и сигнала угла курса (из измерительного модуля), которое вводят на вход резервного модуля исполнительных средств, на входе последнего формируется сигнал угла перекладки руля - δ_резер.