СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА Российский патент 1997 года по МПК G05D1/00 

Изобретение относится к управлению подвижными объектами, в частности к управлению движением судна по заданному курсу.

Известны авторулевые, обеспечивающие автоматическое движение судна по заданному курсу (авт. св. СССР N 229651, кл. G 05 D 1/00, Б.И. N 33, 1968), в которых используется в качестве основного датчика угла курса гипокомпас. Сигнал угловой скорости курса, необходимый для формирования закона управления, вырабатывается в блоке дифференцирования. Для повышения качества управления судном по курсу при волнении в закон управления кроме сигналов курса, производной угла курса и угла перекладки руля введен также сигнал, компенсирующий карданную ошибку в канале угла курса.

Несмотря на усложнение закона управления, существенного повышения качества стабилизации в известных авторулевых добиться не удалось, а усложнение привело только к снижению надежности системы управления.

Известна также система управления движением судна по курсу (Патент Англии N 129378, НКИ 3R321, кл. G 05 D 1/00), принятая нами в качестве прототипа, содержащая датчик курса, датчик угловой скорости, датчик угла перекладки руля, датчик скорости хода, а также задатчик курса, вычислитель и рулевой привод.

Прототип оказался более сложным, чем ранее рассмотренная система из-за перестройки коэффициентов в функции от скорости хода судна. Однако усложнение без привлечения средств диагностики и контроля привело к снижению надежности, а для таких ответственных систем автоматического управления это недопустимо в виду повышения требований к безопасности управления судном.

Цель изобретения повышение качества, безопасности автоматического управления, т. е. повышение надежности системы путем диагностирования сбоя в ее работе. Эта задача решается:
восстановлением сигнала скорости перекладки руля, сравнением этого сигнала с сигналом выработанным системой, и, при недопустимом их расхождении, выдачи сигнала о сбое;
восстановлением сигнала угла перекладки руля, сравнением его с истинным положением баллера руля и, при недопустимо большой разнице, индикацией о сбое.

Повышение надежности и живучести системы управления, отличающей ее от прототипа, реализуется введением в систему двух интеграторов, двух сумматоров, модели рулевого привода, двух блоков формирования сигнала и восстановления сигнала скорости перекладки руля, двух индикаторов, соответствующим образом соединенных между собой и с известными элементами системы.

Указанные выше существенные отличительные признаки в своей совокупности обеспечивают появление в предлагаемой системе двух новых качеств повышение точности управления, и, что особенно важно, безопасности управления движением судна, т.к. обеспечивается контроль и диагностирование исправности блока формирования сигнала скорости перекладки руля по невязке скорости перекладки руля и исполнительного органа с рулевым регулятором по невязке угла перекладки руля (в том числе контролируется наличие питания на приводе).

На чертеже дана функциональная схема управления, которая содержит датчик курса 1, датчик угловой скорости 2, датчик углового ускорения 3, датчик угла перекладки руля 4, датчик скорости хода 5, задатчик курса 6, блок формирования сигнала скорости перекладки руля 7, рулевой привод 8, множитель 9, блок формирования восстановленного сигнала скорости переключения руля 10, модель рулевого привода 11, сумматоры 12, 13, интеграторы 14, 15 и индикаторы 16, 17.

Цифрой 18 обозначено судно.

Датчики 1 3 и задатчик 6 подключены к соответствующим входам блока 7 и блока формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля 10. Датчик 4 угла перекладки руля и датчик скорости хода 5 через множитель 9 соединены с пятым входом блока формирования сигнала скорости перекладки руля 7 и модели вычислителя 10. Выход блока формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля 10 через первый сумматор 12 и первый интегратор 14 соединен с первым индикатором 16. Второй вход первого сумматора 12 соединен с выходом блока формирования сигнала скорости перекладки руля 7. Выход блока формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля 10 соединен также через модель рулевого привода 11, второй сумматор 13 и второй интегратор 15 с вторым индикатором 17. Второй вход второго сумматора 13 соединен с выходом датчика 4 угла перекладки руля, а выход второго сумматора 13 подключен также к шестому входу блока формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля 10. Выходы обеих интеграторов 14,15 соединены соответственно со своими вторыми входами.

В качестве датчиков 1 5 могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью приборы с аналоговым выходом точностью 2 5 Задатчик 6 - это преобразователь угла поворота в напряжение 0 10 В, точностью 2 5 Блок формирования сигнала скорости перекладки руля 7 в простейшем случае может быть реализован на микросхеме типа 14О УД-6. Регулятор рулевого привода 8 может быть соединен как с электромеханическим рулевым приводом, так и с электрическим. Множитель 9 это серийно выпускаемый элемент с аналоговым выходом точностью 2 5 Модель рулевого привода 11 и интеграторы 14, 15 реализуются на операционных усилителях типа 140 УД-8. Блок формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля 10 и два сумматора 12, 13 реализуется на операционных усилителях 140 УД-6. В качестве индикаторов 16,17 могут использоваться световые диоды, которые через операционные усилители 14, 15 соединены соответственно с выходами сумматоров 12 и 13.

Предлагаемая система позволяет диагностировать возникновение сбоев в работе блока формирования сигнала скорости перекладки руля 7, а также рулевого привода 8. Возможные сбои в работе датчиков в данной системе не рассматриваются, хотя при желании это также может быть реализовано (Принципы построения высоконадежного измерителя состояния коробля. Сб. трудов Междуведомственного Совета по управлению движением короблей, вып. 19. Издание ИПУ АН России. М, 1992).

Система управления работает следующим образом.

Исправность работы блока формирования сигнала скорости перекладки руля 7, в котором формируется закон управления приводом, можно выявить, если сформировать этот же закон с помощью блока формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля 10 (т.к. при построении последнего допускаются упрощения и тестирование исправности, то надежность работы блока 10 должна быть выше блока 7).

На выходе формирования сигнала скорости перекладки руля 7 формируется скорость перекладки руля:
(1)
где сигналы, снимаемые с датчиков 1 6.

На вход блока 10 поступают те же сигналы, поэтому на выходе последнего восстанавливается скорость перекладки руля в соответствии с зависимостью (1). Для сравнения двух скоростей перекладки руля сигналы с выходов блока 7 и блока 10 поступают на два входа первого сумматора 12 и далее через интегратор 14 к первому индикатору 16, который сработает только при превышении входного сигнала заданного уровня. Интегратор 14 охвачен отрицательной обратной связью такой величины, при которой обеспечивается формирование усредненного значения невязки с выхода первого сумматора 12 и ограничение выбросов невязки по скорости перекладки руля.

Диагностирование исправности работы рулевого привода осуществляется по невязке угла перекладки руля
(2)
где d угол перекладки руля, снимаемый с баллера руля;
восстановленное значение угла перекладки руля.

Восстановление значения угла перекладки руля производится в электронной модели рулевого привода 11, в которой на интеграторе реализуется динамика движения рулевого привода. На вход интегратора модели рулевого привода поступает:
(3)
Отличие зависимости (3), которая формируется в блоке 10 (в нашем случае это сумматор), от зависимости (1), которая поступает на вход рулевого привода, заключается в ведении сигнала слабой обратной связи
Наличие на входе блока 10 сигнала позволяет компенсировать дрейф открытого интегратора в электронной модели рулевого привода 11 и осуществить сведение .

Для исключения срабатывания второго интегратора 17 при высокочастотных выбросах невязки Δδ последняя с выхода второго сумматора 13 поступает на вход второго индикатора 17 через второй интегратор 15, который аналогично первому 14 охвачен отрицательной обратной связью.

При сбое в системе, если среднее значение , то срабатывает второй индикатор 17, выдавая сигнал о сбое в системе управления движением судна.

Изобретение относится к управлению подвижными объектами, в частности к управлению движением судна по заданному курсу. Цель изобретения - повышение надежности системы управления путем своевременного диагностирования сбоя в ее работе. Это достигается тем, что система дополнительно снабжена блоком формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля 10, моделью рулевого привода 11, двумя сумматорами 12, 13, двумя интеграторами 14, 15 и двумя индикаторами 16, 17, соответствующим образом соединенных между собой и с другими функциональными блоками системы. 1 ил.

Система управления движением судна, содержащая датчик курса, датчик угловой скорости, датчик углового ускорения, задатчик курса, выходы которых подключены к соответствующим входам блока формирования сигнала скорости перекладки руля, выход которого соединен с входом рулевого привода, датчик угла перекладки руля и датчик скорости хода, выходы которых подключены к соответствующим входам множителя, выход которого подключен к пятому входу блока формирования сигнала скорости перекладки руля, отличающаяся тем, что в нее введены первый и второй сумматоры, первый и второй интеграторы, блок формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля, модель рулевого привода и первый и второй индикаторы, причем выходы датчика курса, датчика угловой скорости, датчика углового ускорения и задатчика курса соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля, к пятому входу которого подключен выход множителя, а выход соединен с входом модели рулевого привода и с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходами вычислителя, блока формирования сигнала скорости перекладки руля, а выход подключен к первому входу первого интегратора, выход которого соединен с его вторым входом и с входом первого индикатора, выход модели рулевого привода соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика угла перекладки руля, а выход подключен к шестому входу блока формирования восстановленного сигнала скорости перекладки руля и к первому входу второго интегратора, выход которого соединен с его вторым входом и входом второго индикатора.