СИСТЕМА КОМПЛЕКСИРОВАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ КОРАБЛЯ Российский патент 1996 года по МПК G05D1/04 

Предлагаемая система комплексированных измерений параметров движения корабля предусматривает только плоскостное движение корабля в вертикальной плоскости.

Предполагаемое изобретение относится к области управления подвижными объектами, в частности, к управлению (в том числе и автоматическом) движением морских объектов.

Известна система восстановления параметров движения корабля (Сборник Трудов Совета по управлению движением судов и кораблей, вып. ХХ 1993 г. Москва ИПУ). Используются датчики глубины, угла дифферента, угловой скорости и угла перекладки руля, используя известные кинематические и динамические зависимости в системе формируется избыточная информация, которая используется для формирования угловой скорости и угла атаки корабля.

Недостатком этой системы является слишком ограниченный набор датчиков измерителей, не позволяющих существенно повысить качественные и надежностные характеристики выходных параметров.

Известна также система стабилизации курса судна (а.с. СССР N 1.529182, Б.И. N 46, 1989 г.), принятая нами в качестве прототипа и содержащая датчики линейного положения корабля, углового положения корабля, линейных ускорений, восемь сумматоров и четыре интегратора.

В cистеме стабилизации восстанавливается неизмеряемая информация о состоянии корабля по линейным и угловым скоростям и перемещениям.

Объем измеренной и восстановленной информации, большей, чем в описанной выше "системе восстановления параметров движения корабля", также не позволяет иметь на выходе высококачественную, т.к. в рассматриваемой системе отсутствуют подсистемы диагноза и подсистемы контроля исправности датчиков информации и уровня зашумления их в динамике измерения. Устранение названного недостатка позволит существенно повысить качество и живучесть выходной информации.

Целью предполагаемого изобретения является устранение отмеченного выше недостатка: выработка достоверной и высококачественной информации о динамических и статических характеристиках корабля.

Поставленная цель достигается тем, что в систему комплексированных измерений параметров движения корабля, содержащую блоки по а.с. 1529182 и блоки контроля и диагностики.

Cущественными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются введение избыточных источников информации, средств диагностирования и контроля неисправного, либо недопустимо зашумленного канала измерения и исключения этого канала из системы оценивания фазовых координат состояния корабля: девять сумматоров, семь реле, множителя, соединенные в соответствии со схемой, приведенной на чертеже. Что позволяет получить ряд новых свойств на выходе системы:
канал скорости измерения глубины вырабатывается по кинематическим параметрам, а при сбое путем дифференцирования сигнала с датчика глубины;
канал ускорения по глубине при сбое в датчике ускорения переключается на оценку, полученную из суммы производной поперечной скорости и произведения угловой скорости на скорость хода;
канал угловой скорости при сбое в датчике угловой скорости подключается к оценке сигнала угловой скорости с модели движения корабля.

Для повышения качества оценок, восстанавливаемых на динамической модели движения корабля при формировании угловой скорости, используется невосстановленный сигнал поперечной скорости из канала оценки, а измеренный датчиком поперечной скорости корабля; при формировании оценки поперечной скорости не восстановленную угловую скорость c динамической модели, а измеренную с датчика угловой скорости.

Кроме того, сигналы невязок при сбое измерителей формируются из исправных каналов.

На чертеже приведена структурная схема системы.

Предлагаемая система содержит семь датчиков: глубины 1, поперечной скорости 2, ускорения по глубине 3, угла дифферента 4, угловой скорости 5, скорости хода 6 и угла перекладки руля 7, три интегратора 8-11, три операционных усилителя 12-14, десять сумматоров 15-24, три множителя 26-27, cемь реле 28-34.

Датчики 1-7 в системе могут использоваться серийно выпускаемые 1-2% точности. Интеграторы 8-11 реализуются на операционных усилителях типа 140 УД-8, а операционные усилители 12-14 типа 140 УД-6, сумматоры 15-24 также типа 140 УД-6. Множители электронные 25-27 со шкалой 10v-0-40v и точностью не хуже 3% Реле 28-34 серийно выпускаемые промышленностью с набором нормально-замкнутых и нормально-разомкнутых контактов в соответствии с чертежом. Связи между элементами системы указаны на чертеже.

Комплексированная Система измерений базируется на наличии избыточных измерителей фазовых координат состояния корабля и на возможности проведения большого объема вычислений без снижения надежности.

Cистема позволяет:
существенно повысить живучесть информации о параметрах движения корабля;
ввести подсистему диагностирования качества измеряемой информации;
сжать на выходе информацию до минимально необходимой, но получить при этом более высокую надежность, существенно большую, чем вырабатывается отдельными измерителями;
вырабатывать информацию как для использования в системе одерживания, так и для использования при проведении мореходных испытаний;
ввести подсистему контроля исправности измерителей с отключением из процесса обработки не только при сбоях, но и при недопустимых зашумлениях измеряемой информации;
восстанавливать избыточную информацию о параметрах движения, используя косвенные измерения, в соответствии с кинематическими и динамическими соотношениями.

Выработка высококачественной и высоконадежной информации основана на сравнении 3-х независимых измерений одного и того же параметра, с последующей математической обработкой.

В системе предусмотрена выработка информации о динамике положения ц.т. корабля (в вертикальной плоскости) и углового движения корабля (в вертикальной плоскости, совпадающей с продольной плоскостью корабля).

I Канал выработки фазовых координат ц.т. корабля.

Для системы одерживания необходима информация: о глубине (h), скорости изменения глубины (), ускорении корабля (). При проведении мореходных испытаний угол атаки (α) или поперечная скорость (V_y) в связанной с кораблем системе координат. Сигнал с датчика глубины (h).

II Канал углового движения корабля.

Для системы одерживания необходим сигнал о угле дифферента (j) и угловой скорости (w).

При проведении мореходных испытаний угловая скорость в связанной с кораблем системе координат (w), сигнал с датчика глубины (h) и (j).

Логические условия оценки измерений ц.т. корабля.

В принятой системе одерживания предусмотрено наличие 3-х измерений: h, V_y, . Если привести эти измерения к одной фазовой координате, то можно определить измерение с наибольшим шумом или определить появление сбоя в измерении.

Наиболее удобно в нашем случае использовать в качестве оценки 3-х независимых измерений скорость изменения глубины ():



где V и V_y скорость хода корабля и поперечная скорость корабля в связанной системе координат.

невязки по скорости изменения глубины.

Если Δh₁> C₁, то это характеризует, что либо измеритель "h", либо измеритель "" дали сбой, т.е. по одной невязке определить какой из 2-х датчиков неисправен, нельзя. С учетом зависимостей (2) и (3) этот недостаток легко устранить
а) cбой датчика h если
,
б) сбой датчика если
,
в) сбой датчика V_y если
,
Cигнал в зависимостях (1), (2) позволяет устранить уход интегратора 11. Который формируется либо из , либо :

Для задач оценивания параметров математической модели движения желательно иметь достоверный сигнал V_y, поэтому в системе он восстанавливается также с использованием уравнений динамики:

где ω, V, d сигналы, вырабатываемые датчиками (существенно заметить, что в зависимости (8) использованы измеренные значения w, d, V, а не полученные моделированием),

Выработка сигналов h, , , V_y на выходе системы.

а) сигнал глубины h с датчика 1 поступает на выход системы только при условии:

б) cигнал скорости изменения глубины в системе вырабатывается в виде 3-х независимых сигналов:
1) дифференцированием сигнала h

2) интегрированием сигнала

где вырабатывается в соответствии с логическим условием (7).

3) восстановление сигнала с использованием косвенных измерений (V_y, , V):

Принимаем, что наилучший сигнал с минимумом шума обычно следует ψ ≈ 0 причем для режима стабилизации, когда зависимость (13) принимает вид:

Этот сигнал с сумматора 18 и поступает на выход системы при выполнении условий:
Δh₂< C₁, Δh₃< C₁ (14) при
либо на выход поступает сигнал с выхода второго операционного усилителя 13 при выполнении условия
Δh₂> C₁, Δh₃> C₁ (15) при
в) Cигнал ускорения по глубине в системе вырабатывается датчиком 3, а также с использованием зависимости (13) вырабатывается на выходе десятого сумматора 24:
K ≡ V = const
где для данного маневра (принятое допущение справедливо только при слабых маневрах).

г) Сигнал V_y вырабатывается в системе датчиком 2, а также путем восстановления в соответствии с зависимостью (8).

На выход системы поступает либо сигнал V_y, либо V_yв, либо нуль:
ψ
Логические условия измерения угловых координат корабля (в вертик. плоскости).

В принятой системе измеряются: угол дифферента w и угловая скорость d
Третье независимое в динамике измерение угловой скорости получим, используя косвенные измерения V_y, , V в соответствии с динамикой углового движения корабля получим:
θ ≈ 0^°
Cравнение 3-х cлабо коppелированных угловых измерений позволяет оценивать их качество и определять возможность сбоя одного из измерений в данный момент.

Cравнения трех угловых измерений между собой проведем по угловой скорости (принимая, что угол крена отсутствует дифференцируем сигнал угла дифферента:
ω₁-ω = Δω₁ (21)
Тогда условия сбоев или сильного зашумления одного из измерителей имеют вид:
ω-ω_в= Δω₂ (22)
ω₁-ω_в= Δω₃ (23)
ω
а) Сбой датчика (Dw₁> C₃ и Δω₂> C₃ (24)) выявляется:
при ψ
б) Сбой датчика (Dw₁> C₃ и Δω₃> C₃ (25))
при ω_в
в) Cбой (Δω₂> C₃ и Δω₃> C₃ (26))
при ω_вых, ω_ввых, ψ_вых
Выработка сигналов ω_вых, ψ_вых.

Сигналы ω_ввых поступают в систему одерживания, ψ_ввых оценка угловой скорости используется при мореходных испытаниях.

а) Сигнал Δω₁< C₃ или Δω₃< C₃ (27) поступает с датчика 4 при выполнении условия:
б) сигнал ω_вых поступает с датчика 5 "ω", а также с выхода интегратора 8.

На выход сигнал с датчика 5 поступает при выполнении условия

в) сигнал оценки угловой скорости (для мореходных испытаний):
ω_ввых= ω_в при Δω₂< C₃ или Δω₃< C₃ (29)

Использование: в управлении подвижными объектами, кораблями и морскими судами. Сущность изобретения: в систему управления движением, содержащую набор избыточных датчиков, измеряющих динамику и статику корабля, введены реле, которые формируют блок контроля исправности входной информации и блок диагноза с целью сжатия избыточной информации о состоянии корабля в вертикальной плоскости до минимально возможной, но с повышенным качеством и надежностью. 1 ил.

Система комплексированных измерений параметров движения корабля, содержащая датчик глубины, датчики поперечной и продольной скорости, датчик ускорения по глубине, датчик угла дифферента, датчик угловой скорости по дифференту, датчик угла перекладки руля, выход которого соединен через первый сумматор и первый множитель с первым входом первого интегратора, выход датчика угла перекладки руля через второй интегратор подключен к второму входу первого сумматора, который также соединен с вторым входом второго интегратора, первый вход которого через второй множитель и первый операционный усилитель соединен с входом третьего интегратора, выход которого соединен с вторым входом первого операционного усилителя, третий вход которого подключен к выходу датчика угловой скорости, вторые входы первого и второго множителей подключены к датчику скорости хода, датчик глубины через первый конденсатор соединен с входом второго операционного усилителя, датчик угла дифферента подключен через второй конденсатор к входу третьего операционного усилителя, датчик ускорения по глубине подключен к первому входу четвертого интегратора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены девять сумматоров, семь реле, третий множитель, два входа которого соответственно соединены с выходами датчика угла дифферента и датчиком скорости хода, выходы второго операционного усилителя и четвертого интегратора через второй и третий сумматоры подключены соответственно к обмоткам первого и второго реле, датчик продольной скорости подключен через последовательно соединенные четвертый и пятый сумматоры к обмотке третьего реле, выход датчика угловой скорости через шестой сумматор подключен к обмотке четвертого реле, а через седьмой сумматор к обмотке пятого реле, выход первого интегратора через восьмой сумматор подключен к обмотке шестого реле, а также через нормально разомкнутые контакты пятого реле к третьему входу первого интегратора, который через нормально разомкнутые контакты пятого реле подключен к обмотке шестого реле, выход датчика поперечной скорости через девятый сумматор подключен к обмотке седьмого реле, а также через нормально замкнутые контакты седьмого реле к четвертому входу первого операционного усилителя, вторые входы второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого и девятого сумматоров подключены соответственно к выходам четвертого интегратора, четвертого сумматора, третьего множителя, второго операционного усилителя, третьего операционного усилителя, первого интегратора, третьего операционного усилителя, третьего интегратора, выход датчика глубины через параллельно включенные нормально замкнутые контакты первого и третьего реле подключены к первому выходу системы, выход четвертого сумматора через параллельно соединенные нормально замкнутые контакты второго и третьего реле подключен к второму выходу системы, к которому подключен также выход второго операционного усилителя через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты второго и третьего реле, выход датчика ускорения через параллельно соединенные нормально замкнутые контакты первого и третьего реле подключены к третьему выходу системы, к которому через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты первого и третьего реле подключен выход десятого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а второй с выходом датчика угловой скорости, выход датчика поперечной скорости подключен через нормально замкнутый контакт седьмого реле к четвертому выходу системы, который через последовательно соединенные нормально разомкнутый контакт седьмого реле и нормально замкнутый контакт третьего реле подключен к выходу датчика поперечной скорости, выход третьего интегратора через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты третьего и седьмого реле подключен к четвертому выходу системы, выход датчика дифферента через параллельно соединенные нормально замкнутые контакты четвертого и шестого реле соединен с пятым выходом системы, выход датчика угловой скорости через параллельно соединенные нормально замкнутые контакты четвертого и пятого реле подключен к шестому выходу системы, к которому также через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты четвертого, пятого реле и нормально замкнутый контакт шестого реле подключен выход первого интегратора, который также через параллельно соединенные нормально замкнутые контакты пятого и шестого реле подключен к седьмому выходу системы.