СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТНЫМ СУДНОМ Российский патент 1997 года по МПК B63B1/28 

Изобретение относится к судостроению, в частности к системам автоматического управления скоростными судами.

Известна система автоматического управления скоростным судном, содержащая устройство выравнивания сигналов, управляющих положением крыльев [1]
Данная система не имеет средств для устранения возникшей неисправности в устройстве выравнивания сигналов. В то время как динамика процесса продолжает нарастать, то быстрая посадка судна на воду будет не только очень жесткой, но и под углом к поверхности воды.

Известна система автоматического управления скоростным судном, содержащая две группы вычислителей управления приводами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей, подключенных к датчикам состояния и положения судна [2] Данная система выбрана в качестве наиболее близкого аналога изобретения.

Известная система имеет общий, присущий и другим подобным системам недостаток, который заключается в том, что судно из эксплуатационного режима "на крыльях" сажается в аварийный режим "на корпус", хотя и более плавно и безопасно, но в любом случае, независимо от того, насколько сложна и опасна неисправность звеньев и элементов системы управления, в то время как в ряде случаев достаточно было бы только отключить неисправное звено системы, чтобы судно продолжало нормально двигаться в эксплуатационном режиме (как правило, в таких случаях несколько снижается комфортность, но не безопасность плавания).

Техническим результатом изобретения является возможность сохранить работоспособность системы управления судном на глубоко погруженных крыльях и в тех случаях, когда отказы системы не приводят судно к аварийной ситуации и позволяют продолжать движение в режиме "на крыльях".

Он достигается тем, что в системе автоматического управления скоростным судном, содержащей две группы вычислителей управления приводами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей, подключенных к датчикам состояния и положения судна, из пары дублирующих друг друга вычислителей одной группы каждый вычислитель подключен по меньшей мере к одному из вычислителей аналогичной пары другой группы и к соответствующей группе из двух дублирующих друг другу групп датчиков с образованием самостоятельного канала управления приводами всех рулевых поверхностей.

На чертеже показана принципиальная схема системы управления, содержащая вычислители 1, разбитые на две группы: группу 2 управления приводами 3 кормовых рулевых поверхностей 4 судна и группу 5 управления приводами 3 носовых рулевых поверхностей 6 судна. Имеющиеся в системе датчики 7 состояния и положения судна объединены в две дублирующие друг друга группы 8 и 9 и служат для определения, например, положения штурвала, углового положения судна, его угловых скоростей, перегрузок и так далее
Для наглядности описания условно присвоим вычислителям 1 наименования: "носовой" ("н), ("кормовой" ("к), "Левый" ("л"), "правый" ("п").

Как видно из чертежа, на каждой пары дублирующих друг друга вычислителей одной группы, например, группы 2, каждый вычислитель, например, вычислитель 1 "л.к", подключен, по меньшей мере, шиной "А" к одному вычислителю 1 "л.н." из аналогичной группы 5, при этом оба вычислителя 1 "л.к." и 1 "л.н." подключены к соответствующей группе 8 датчиков 7 и пульту 10 индикации и управления судном.

Одновременно при некотором усложнении системы общеизвестными средствами контроля вычислитель 1 "л.к." может быть подключен к вычислителю 1 "п.н." шиной "Б" (аналогично для вычислителей 1 "п.к." и 1"л.п.").

Таким образом, система содержит два самостоятельных канала управления, один канал: 4 1 л.к. 1 л.н. 6, и другой канал: 4 1 п.к. 2 п.н. 6 управления всеми рулевыми поверхностями судна.

В тоже время за счет перекрестных связей "Б" эти два канала могут иметь и другую конфигурацию 4 1 л.к. 1 п.н. 6 и соответственно 4 1 п.к. 1 л.н. -6.

Из чертежа видно, что при любой реконфигурации системы любой из выбранных каналов управления будет подключен к датчикам 7 и пульту 10 индикации и управления судном.

Система работает следующим образом.

Режим управления судном (системой) задается с пульта 10 соответствующей, командой, содержащей заданные значения параметров управления, одновременно всем вычислителям 1 приводов 3 системы. В свою очередь, вычислители 1 посылают в пульт управления для отображения информацию о параметрах движения судна, о положении рулевых поверхностей, а также информацию о состоянии системы управления, при этом каждый из вычислителей 1 формирует законы управления для всех приводов 3 как кормовой 4, так и носовой 6 групп рулевых поверхностей. Однако известно, что сигналы на приводы управления, выдаваемые вычислителями, являются слаботочными и могут обеспечить устойчивое управление приводами, удаленными от вычислителей на незначительное расстояние (порядка 5-6 метров). Большее удаление требует специальных каналов связи, усложняющих систему и снижающих ее надежность. Поскольку на практике носовые и кормовые приводы могут быть удалены друг от друга на расстояние до ста и более метров, то реально приводами кормовых рулевых поверхностей 4 могут управлять только дистанционно близкие к ним кормовые вычислители из группы 2, а носовых 6 только из группы 5.

В каждом канале управления результаты расчетов одного вычислителя (например, кормового) передаются другому вычислителю (соответственно носовому) и сравниваются на совпадение (несовпадение результатов являются сигналом неисправности). Указанное сравнение может производиться или аппаратурно известными средствами, или на программном уровне.

При отсутствии отказов (неисправностей) управления приводами 3 рулевых поверхностей 4 и 6 судна ведется по двухканальной схеме через оба входа каждого привода 3, при этом сложение управляющих воздействий от обоих каналов происходит непосредственно на обмотках управления, являющихся составной частью общеизвестных приводов 3.

При длительном несовпадении результатов расчетов делается вывод об отказе (неисправности) в одном из каналов управления, и вырабатывается команда на отключение неисправного канала от соответствующих обмоток управления привода 3 с выдачей соответствующей информации на пульт 10, а управление всеми приводами 3 судна продолжает вестись через другой, исправный канал управления на всех предусмотренных системой режимах движения судна, хотя и возможно с несколько ухудшенной динамикой, но прежней безопасностью плавания. Указывая длительность несовпадения расчетов, служащая сигналом о неисправности одного из каналов, задается для каждого конкретного судна в зависимости от его динамических характеристик, а порядок определения конкретного неисправного канала из двух удаляющих будет ясен из дальнейшего описания.

При обнаружении отказов одновременно в обоих каналах управление происходит либо принудительная посадка судна ан воду для судов с глубоко погруженными крыльями, либо нулеустановление и стопорение рулевых поверхностей для судов с частично погруженными крыльями.

Принципиальная суть работы данной системы сводится к следующему.

Так как наиболее ответственным звеном в любой системе автоматического управления является вычислитель, наиболее подверженный и сбоями в работе по сравнению с другими звеньями управления, то из-за требуемой безопасности, особенно для судов с глубоко погруженными крыльями, не допускается управление судном от одного вычислителя без его дублирования. Учитывая, что кормовые и носовые рулевые поверхности, как было указано выше, разнесены друг от друга на значительное расстояние, требуется установка по меньшей мере двух дублирующих друг друга вычислителей для каждой группы рулевых поверхностей (их приводов), соответственно кормовых и носовых. Однако простое дублирование не может привести к желаемому результату, поскольку при отказе в группе одного из двух вычислителей средства контроля не в состоянии определить, на каком из них произошел сбой. Поэтому известным приемом повышения надежности системы является установка в группе одновременно трех вычислителей, по двум из которых, выдающим одинаковую информацию, средства контроля могут определить неисправный третий, информация которого отличается от первых двух, и он средствами контроля отключается от управления.

Поэтому, если принять традиционный путь решения задачи, то в системе управления судном следует установить три кормовых и три носовых вычислителя, т. е. всего шесть, соответственно снабдив систему дополнительными подсистемами.

Ввиду значительного усложнения и соответствующего снижения отказобезопасности системы такое решение на практике не применяется.

Преимущества данной системы по сравнению с известными наглядно раскрываются на следующем примере ее работы.

Допустим, что левый носовой вычислитель 1 "л.н.". Поскольку дублирующим для него является правый носовой, то их показания будут расходиться. Однако только на разности показаний известные средства контроля не могут определить, какой из двух вычислителей, 1 "л.н." или 1 "п.н." неисправен. Но в данной системе отказавший левый носовой вычислитель информационно связан не только со своим дублирующим правым носовым, но и, например, шириной "А" с левым кормовым. Отсюда: средства контроля по совпадению информации от вычислителей 1 "п.н." и 1 "л.к." определят, что из двух дублирующих друг друга вычислителей группы 5 неисправен именно вычислитель 1 "л.н.", отключат весь канал управления 4 1 "л.к." 1 "л.н." 6, и судно будет продолжать движение в эксплуатационном режиме "на крыльях", управляясь каналом 4 1 "п.к." 1 "п.н." 6.

Наличие перекрестных связей "Б" между вычислителями 1 еще больше увеличивает отказобезопасность системы управления, т.к. при аналогичном описанному выше сравнении информации от вычислителей 1 становится видно, что система позволяет эксплуатировать судно в режиме "на крыльях" даже при двух одновременно отказавших вычислителях одном любом носовом и одном любом кормовом.

Более того, если в первом случае (при связях "А" между вычислителями) вместе с отключенным каналом, например, каналом 4 1 "л.к." 1 "л.н." 6 отключается и соответствующая группа 8 датчиков 7, то во втором случае (при перекрестных связях "Б") информация о состоянии и положении судна продолжает поступать на оставшийся включенным канал управления от обеих групп 8 и 9 датчиков 7, что значительно повышает живучесть системы.

Следует также отметить, что отказ отдельных датчиков 7 не существенен для живучести системы, поскольку кроме их дублирования одна и та же информация о состоянии и положении судна поступает от датчиков различной физической природы. Например, угловое положение судна может быть определено не только по датчику углового положения, но и по датчику угловых скоростей.

Использование: судостроение. Сущность изобретения: система содержит две группы вычислителей, подключенных к датчикам состояния и положения судна и управляющих двумя группами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей. Из пары дублирующих друг друга вычислителей одной группы каждый вычислитель подключен по меньшей мере к одному из вычислителей аналогичной пары другой группы и к соответствующей группе из двух дублирующих друг друга групп датчиков с образованием самостоятельного канала управления приводами всех рулевых поверхностей. 1 ил.

Система автоматического управления скоростным судном, содержащая две группы вычислителей управления, каждая из которых содержит пару дублирующих друг друга вычислителей и связана с приводами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей, подключенных к дублирующим друг друга датчикам состояния и положения судна, отличающаяся тем, что из пары дублирующих друг друга вычислителей одной группы каждый вычислитель подключен по меньшей мере к одному из вычислителей аналогичной пары другой группы и к соответствующей группе из двух дублирующих друг друга групп датчиков с образованием самостоятельного канала управления приводами всех рулевых поверхностей.