Система автоматического управления движением судна

Система автоматического управления движением судна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области автоматического управления движением судов при их динамическом позиционировании при решении задач поиска и обследования подводных объектов, характеризующихся частой сменой точек позиционирования.

Известны системы и комплексы (Авт. св. СССР №583032, №1308040; Пат. РФ №107124, №114451, №138640), в которых на основе информации с датчиков линейных перемещений судна относительно заданной точки дна и датчика курса судна вырабатывают командные сигналы на исполнительные средства судна (главные движители, подруливающие устройства, движительно-рулевые колонки и т.п.) для создания управляющих сил и момента, противодействующих гидродинамическим и аэродинамическим воздействиям на судно ветроволновых возмущений и морского течения.

Указанные системы и комплексы применяются в случаях, когда точка позиционирования не изменяется достаточно длительное время, например при буровых работах и спасательных операциях.

В то же время актуальны задачи поиска и обследования подводных объектов, характеризующиеся частой сменой точек позиционирования, например, с целью обследования обнаруженного объекта с разных ракурсов.

Недостатком указанных аналогов является отсутствие возможности многократного изменения точки позиционирования и выхода в нее в автоматическом режиме.

Известна система автоматического управления движением судна (Пат. РФ №2381140), принятая за прототип, содержащая блок формирования сигналов управления, блок коррекции параметров системы автоматического управления движением судна, задатчик курса и координат позиционирования, сумматор и приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом задатчика курса и координат позиционирования, а выход - с входом блока формирования сигналов управления, входы блока коррекции параметров системы автоматического управления движением судна соединены с выходами задатчика курса и координат позиционирования и приемоиндикатора спутниковой навигационной системы, а выход - с входом блока формирования сигналов управления, при этом блок коррекции параметров системы автоматического управления движением судна выполнен с возможностью устранения рассогласований по курсу и по координатам посредством задания колец дальности от точки позиционирования с определением постоянной времени системы автоматического управления движением судна в зависимости от положения центра масс судна относительно этих колец дальности.

Недостатки аналогов присущи и прототипу.

Технический результат заключается в обеспечении возможности автоматического выхода в заданную позицию с ее удержанием при частой смене точек позиционирования.

Технический результат достигается за счет того, что в систему автоматического управления движением (САУД) судна, содержащую навигационную систему, задатчик курса и координат позиционирования, сумматор, блок формирования сигналов управления, блок коррекции параметров управления, в которой первые выходы навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования соединены с первым и вторым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом блока формирования сигналов управления, входы блока коррекции параметров управления соединены со вторыми выходами навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования, а выход соединен со вторым входом блока формирования сигналов управления, выход которого является выходом системы, дополнительно вводят блок анализа режима движения, входы которого соединены с третьими выходами навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования, а выход соединен с дополнительным входом блока формирования сигналов управления, при этом блок анализа режима движения выполнен с возможностью определения текущего режима динамического позиционирования судна - «следование в позицию» либо «удержание позиции», а система автоматического управления движением судна в целом - с возможностью использования собственного закона регулирования в каждом режиме динамического позиционирования.

Изобретение поясняется структурной схемой, представленной на чертеже, где

1 - навигационная система;

2 - задатчик курса и координат позиционирования;

3 - сумматор;

4 - блок формирования сигналов управления;

5 - блок анализа режима движения;

6 - блок коррекции параметров управления.

Динамическое позиционирование судна при изменении позиции выполняют в два этапа: на первом этапе выполняют маневрирование судна для выхода в заданную точку позиционирования заданным курсом и предварительную стабилизацию судна в окрестностях точки позиционирования с близкой к нулю скоростью (режим САУД «следование в позицию»), а на втором этапе - устранение статических ошибок регулирования по курсу и координатам, вызванных ветро-волновыми возмущениями и морским течением, и окончательную стабилизацию судна в заданной точке (режим САУД «удержание позиции»).

Работа системы автоматического управления движением судна при динамическом позиционировании осуществляется следующим образом.

На сумматор САУД судна 3 поступают заданные курс и координаты с задатчика курса и координат позиционирования 2 вместе с курсом и координатами от навигационной системы 1, после сумматора 3 сигналы рассогласования по курсу и координатам поступают в блок формирования сигналов управления 4, выход которого является выходом системы.

Данные от навигационной системы 1 и задатчика курса и координат позиционирования 2 также поступают в блок анализа режима движения 5 и в блок коррекции параметров управления 6.

Блок анализа режима движения 5 определяет текущий режим динамического позиционирования - «следование в позицию» либо «удержание позиции» и в момент изменения режима выдает соответствующий сигнал в блок формирования сигналов управления 4 с целью формирования им собственного закона регулирования для каждого режима.

Блок формирования сигналов управления 4 представляет собой пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор и содержит три раздельных канала продольной, поперечной и курсовой стабилизации.

Выходной сигнал регулятора по каждому каналу содержит три составляющие и определяется по формуле:

,

где K_p, K_i, K_d - коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих регулятора соответственно, , K_d=T_d, где T_i,T_d - постоянные интегрирования и дифференцирования САУД;

e(t) - рассогласование регулируемого параметра.

При функционировании САУД в режиме «следование в позицию» интегрирующая составляющая не учитывается. При функционировании САУД в режиме «удержание позиции» учитываются все три составляющие закона регулирования.

Блок коррекции параметров управления 6 функционирует в режиме САУД «удержание позиции» и выполняет адаптацию САУД к изменяющимся внешним ветро-волновым возмущениям и течению за счет выдачи в блок формирования сигналов управления 4 сигналов на изменение постоянных интегрирования T_i и дифференцирования T_d САУД, например, как реализовано в прототипе (Пат. РФ №2381140).

Рассмотрим функционирование САУД при изменении точки позиционирования и курса судна.

После ввода оператором в задатчик курса и координат позиционирования 2 заданных точки позиционирования и курса судна блок анализа режима движения 5 определяет, что расстояние до точки позиционирования превысило критическую величину D_max и выдает в блок формирования сигналов управления 4 сигнал о переводе САУД из режима «удержание позиции» в режим «следование в позицию».

В режиме «следование в позицию» ПИД регуляторы блока формирования сигналов управления 4 перестают учитывать интегральные составляющие и функционируют как пропорционально-дифференцирующие регуляторы. Благодаря этому уменьшается время переходного процесса, однако появляется статическая ошибка регулирования по курсу и координатам, вызванная неучтенными ветро-волновыми возмущениями и течением.

После завершения переходного процесса блок анализа режима движения 5 выдает в блок формирования сигналов управления 4 сигнал о переводе САУД из режима «следование в позицию» в режим «удержание позиции», при этом блок коррекции параметров управления 6 на основании данных от навигационной системы 1 и задатчика курса и координат позиционирования 2 выполняет адаптацию САУД к изменяющимся внешним ветроволновым возмущениям и течению за счет выдачи в блок формирования сигналов управления 4 сигналов на изменение постоянных интегрирования T_i и дифференцирования T_d САУД, например, как реализовано в прототипе (Пат. РФ №2381140).

Для определения момента завершения переходного процесса в блоке анализа режима движения 5 для каждого из трех каналов управления рассчитываются средние по модулю значения скорости изменения регулируемого параметра за время усреднения Т_ср. Критерием завершения переходного процесса является снижение средних значений регулируемых параметров до минимальных значений одновременно во всех каналах управления.

Одновременно с выдачей сигнала в блок формирования сигналов управления 4 о переводе САУД в режим «удержание позиции» в блоке анализа режима движения 5 рассчитывается дистанция до точки позиционирования D, представляющая собой статическую ошибку регулирования в каналах управления линейным перемещением. В зависимости от значения дистанции делается вывод об интенсивности возмущающих воздействий и рассчитываются постоянные интегрирования для каналов продольной и поперечной стабилизации по формулам:

, ,

где , - постоянные интегрирования для наихудших условий функционирования САУД.

Параметры T_cp, D_max, , являются настраиваемыми и определяются экспериментально. Настройка САУД выполняется в условиях наибольших ветро-волновых возмущений и течения, отрабатываемых исполнительными средствами судна. Время усреднения T_cp определяется в зависимости от инерционности судна как объекта управления и составляет, как правило, от 30 секунд до нескольких минут. Значение критической дистанции D_max определяется как расстояние до заданной точки позиционирования (статическая ошибка регулирования) в момент перехода от этапа «следование в позицию» к этапу «удержание позиции». Значения , подбираются экспериментально для обеспечения требуемого качества управления в условиях наибольших ветро-волновых возмущений и течения.

Система автоматического управления движением судна может быть реализована с использованием промышленных средств вычислительной техники. В качестве датчиков линейного перемещения судна могут быть использованы спутниковые или гидроакустические навигационные системы, в качестве датчиков курса - инерциальные навигационные системы, гирокомпасы или другие.

Система автоматического управления движением судна, содержащая навигационную систему, задатчик курса и координат позиционирования, сумматор, блок формирования сигналов управления, блок коррекции параметров управления, в которой первые выходы навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с первым входом блока формирования сигналов управления, входы блока коррекции параметров управления соединены со вторыми выходами навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования, а выход соединен со вторым входом блока формирования сигналов управления, выход которого является выходом системы, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введен блок анализа режима движения, входы которого соединены с третьими выходами навигационной системы и задатчика курса и координат позиционирования, а выход соединен с дополнительным входом блока формирования сигналов управления, при этом блок анализа режима движения выполнен с возможностью определения текущего режима динамического позиционирования судна - «следование в позицию» либо «удержание позиции», а система в целом - с возможностью использования собственного закона регулирования в каждом режиме динамического позиционирования.