СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА Российский патент 1998 года по МПК B63H25/00 

Изобретение относится к управлению подвижными объектами, в частности к стабилизации судна.

Известна система стабилизации курса судна [1], содержащая датчики положения судна, датчики состояния исполнительных средств, регулятор с исполнительными органами. Стабилизация движения судна по заданному направлению обеспечивается исполнительными средствами (отклонением рулей пропорционально отклонению судна от заданного направления).

Известна также система управления движением судна [2], принятая в качестве прототипа, содержащая блок диагноза, датчик состояния исполнительных органов, датчик состояния сбрасываемых объектов, блок рассогласования, подключенный через регулятор к рулевому приводу, и датчик программ, подключенный через блок выполнения программ к исполнительным органам. Данная система обеспечивает стабилизацию судна при воздействии волнения и небольших раздифферентовках подводного судна. Однако при выходе с судна сбрасываемых объектов (геологоразведочных буев, ложных мишеней - целей, сетей, устройств наблюдения за косяками рыб и др.) создаются большие импульсные возмущения, при которых системы стабилизации, работающие по принципу компенсации рассогласования по заданной координате, не в состоянии обеспечить содержание судна в допустимом коридоре отклонений.

В серийно выпускаемых подводных аппаратах типа "Север" для изменения положения аппарата по глубине используют в качестве исполнительных средств цистерны, плавучесть которых можно изменять путем заполнения забортной водой либо продуванием их.

Серьезным недостатком последней системы является низкая живучесть из-за большой сложности включения и выключения клапанов вентиляции и кингстонов для целой группы цистерн. Существенно заметить, что при сбое в работе системы с цистернами заметная реакция на это наступает, спустя достаточно большое время, когда что-либо предпринять для спасения судна оказывается уже поздно.

В предлагаемой системе стабилизации также использованы цистерны, но они используются только по программе при выходе сбрасываемых объектов и создают дополнительные управляющие импульсы, которые близки к возмущающим, но противоположны по знаку и сводят суммарное воздействие на судне к нулю. Такое программное управление мощными исполнительными органами оказывается достаточно сложным и может приводить к сбоям, а следовательно, и к аварийной ситуации. Для устранения аварийных ситуаций при появлении сбоев в предлагаемой системе стабилизации используют блок диагноза для выявления отклонений в работе исполнительных органов. Блок диагноза выдает команду по выбору для использования дополнительных органов, которые позволят в сумме свести воздействие на судно при выходе сбрасываемых объектов к нулю, несмотря на произошедший сбой.

Для решения поставленной задачи - повышения живучести системы стабилизации в предлагаемую систему дополнительно введены модель блока выполнения программ, модель исполнительных органов, индикатор сбоя, дополнительные исполнительные органы, блок включения дополнительных исполнительных органов, блок формирования корректирующего воздействия, первый выход блока диагноза подключен к входу индикатора сбоя, второй выход блока диагноза через последовательно соединенные блок формирования корректирующего воздействия и блок включения дополнительных исполнительных органов соединен с блоком дополнительных исполнительных органов, выход модели блока выполнения программ подключен к первому входу блока диагноза и через модель исполнительных органов к второму входу блока диагноза, к третьему и четвертому входам которого подключены соответственно выходы датчика состояния сбрасываемых объектов и датчика состояния исполнительных органов, выход блока выполнения программ подключен к пятому входу блока диагноза.

Блок-схема системы управления движением судна приведена на чертеже и содержит датчик программ 1, блок выполнения программ 2, исполнительные органы 3, сбрасываемые объекты 4, модель блока выполнения программ 5, модель исполнительных органов 6, блок диагноза 7, индикатор сбоя 8, блок формирования корректирующего воздействия 9, блок включения дополнительных исполнительных органов 10, дополнительные исполнительные органы 11, датчик состояния исполнительных органов 12, датчик состояния сбрасываемых объектов 13, блок рассогласования 14, регулятор 15, рулевой привод 16, судно 17.

Датчик программ 1 соединен через блок выполнения программ 2 с исполнительными органами 3, а также со сбрасываемыми объектами 4, которые создают управляющие и возмущающие воздействия на судно. Датчик 1 соединен через блоки 2 и 5 и через последовательно включенные блоки 3 и 12 (4 и 13) с блоком диагноза 7, последний также подключен к индикатору сбоя 8 и через блок 9, блок 10 и блок 11 создает дополнительное управляющее воздействие на подводное судно 17 при появлении сбоя в работе исполнительных органов. Блок рассогласования 14, состоящий из датчика и задатчика положения корабля в пространстве, выходы которых поступают на сумматор (на выходе последнего и формируется сигнал рассогласования, например, по глубине h-h_задан), через регулятор 15 соединен с рулевым приводом 16.

Рассмотрим возможные способы реализации блоков системы управления движением судна.

Датчик программ 1 - это устройство, реализующее набор временных программ включения и выключения исполнительных органов и выхода с корабля сбрасываемых объектов 4. Датчик может быть реализован в виде набора эксцентриков с контактными группами. Блок выполнения программ 2 является усилительным электромеханическим звеном, позволяющим открывать (закрывать) клапаны и заслонки исполнительных органов 3, сбрасываемых объектов. Исполнительные органы 3 обычно представляют из себя цистерны (емкости), которые либо заполняются, либо продуваются. Сбрасываемые объекты 4 - это геодезические буи, ложные цели, сети, устройства для наблюдения за косяками рыб и др. Модель блока выполнения программ 5 (формирует логические моделирующие команды блока 2) реализуется на типовых логических элементах. Модель исполнительных органов 6 реализуется на аналоговых счетно-решающих элементах (моделирует воздействие, создаваемое блоком 3). Блок диагноза 7 реализуется на типовых дискретных счетно-решающих элементах. Индикатор сбоя 8 прогнозирует суммарное импульсное воздействие на подводное судно к моменту намеченного времени выхода следующего сбрасываемого объекта, рекомендации о необходимости использования дополнительных органов, реализуется в виде шкальных приборов. Блок формирования корректирующих воздействий 9 реализуется на логических счетно-решающих элементах, блок 10 реализуется аналогично блоку 3. Дополнительные исполнительные органы 11 реализуются аналогично блоку 3. Датчики 12 и 13 состояния исполнительных органов и сбрасываемых объектов выполнены в виде аналоговых измерителей с точностью 5%. Блок рассогласования по глубине 14 реализуется на измерителях давления с точностью не ниже 5% и усилителе типа 140 УД-6, на этом же усилителе может реализоваться регулятор 15. Рулевое устройство 16 включает рулевой привод и датчик положения руля, последний может быть реализован в виде типового измерителя угла поворота с точностью не ниже 5%.

Динамика работы системы.

В нормальных условиях плавания стабилизация заданного положения подводного судна в вертикальной плоскости осуществляется замкнутой системой управления по сигналу рассогласования по глубине. Этот сигнал формируется в регуляторе 15 в виде величины угла перекладки руля, который поступает на рулевой привод 16:

где
δ - угол перекладки руля;
Δh = h-h_зад - сигнал рассогласования по глубине.

В режиме выхода с подводного судна сбрасываемых объектов 4 последние создают сильный возмущающий импульс, который выводит судно из допустимого коридора движения, несмотря на работающий регулятор 15, и всей замкнутой системы стабилизации. Для обеспечения требуемой точности стабилизации судна в рассматриваемой системе одновременно с выходом сбрасываемых объектов по заранее составленной программе формируется управляющий импульс, который равен возмущающему, но воздействует в противоположном направлении, таким образом, суммарное воздействие на судно от выхода сбрасываемого объекта примерно равно нулю. Это осуществляется заданием в блоке 2 соответствующей программы управления заполнением (продуванием) исполнительных органов в зависимости от вида возмущающего импульса, создаваемого сбрасываемым объектом. Управление блоком 3 от блока 2 будет иметь вид:
F_упрΔT = -F_возмΔT. (2)
На судно одновременно с воздействием описанной выше замкнутой системы вырабатывается дополнительное управление в виде импульса F_упрΔT , поступающего с блока 3.

Одновременно осуществляется контроль факта прохождения рассмотренных выше команд через блоки 3 и 4. Это выполняется датчиками 12 и 13, которые выдают информацию в процессе выхода блока 4 и заполнения (продувания) цистерн 3 в блок 7. Модельная (восстановленная на модели процесса) информация также поступает в блок 7 с моделей блоков выполнения программ 5 и исполнительных органов 6, кроме того, для формирования прогноза будущего состояния исполнительных средств в начале выхода сбрасываемого объекта 4 в блок 7 также поступает с блока 2 информация о команде на управление исполнительными органами 3. В блоке 7 происходит сравнение реально выработанных величин с восстановленными на моделях 5 и 6 и вырабатывается невязка вида:

В случае, если величина этой невязки больше допустимой величины, последняя поступает на индикатор сбоя 8 и в блок 9 для формирования корректирующего воздействия. В блоке 9 выполняется автоматический перебор из возможных управляющих импульсов и выбор необходимого для компенсации возникшего сбоя. Выработанная команда поступает в блок включения требуемого дополнительного исполнительного органа 11, причем эта команда может поступать либо непосредственно, либо через разрешительный ключ оператора (не показан).

Изобретение предназначено для управления подводным судном при появлении сильных возмущающих моментов после сбрасывания с него специальных объектов. Система содержит блок диагноза, датчик состояния исполнительных органов, датчик состояния сбрасываемых объектов, блок рассогласования, подключенный через блок выполнения программ к исполнительным органам. Кроме того, она содержит модель блока выполнения программ, модель исполнительных органов, индикатор сбоя, дополнительные органы, блок включения дополнительных исполнительных органов. Первый выход блока диагноза подключен к входу индуктора сбоя, а второй выход блока диагноза через последовательно соединенные блок формирования корректирующего воздействия и блок включения дополнительных исполнительных органов соединен с блоком дополнительных исполнительных органов. Выход модели блока выполнения программ подключен к первому входу блока диагноза и через модель исполнительных органов к второму входу блока диагноза, к третьему и четвертому входам которого подключены соответственно выходы датчика состояния сбрасываемых объектов и датчика состояния исполнительных органов. Выход блока выполнения программ подключен к пятому входу блока диагноза. Повышается живучесть системы, что обеспечивает содержание судна в допустимом коридоре отклонений. 1 ил.

Система управления движением судна, содержащая блок диагноза, датчик состояния исполнительных органов, датчик состояния сбрасываемых объектов, блок рассогласования, подключенный через регулятор к рулевому приводу, и датчик программ, подключенный через блок выполнения программ к исполнительным органам, отличающаяся тем, что дополнительно содержит модель блока выполнения программ, модель исполнительных органов, индикатор сбоя, дополнительные исполнительные органы, блок включения дополнительных исполнительных органов, блок формирования корректирующего воздействия, первый выход блока диагноза подключен к входу индикатора сбоя, второй выход через последовательно соединенные блок формирования корректирующего воздействия и блок включения дополнительных исполнительных органов соединен с блоком дополнительных исполнительных органов, выход модели блока выполнения программ подключен к первому входу блока диагноза и через модель исполнительных органов к второму входу блока диагноза, к третьему и четвертому входам которого подключены соответственно выходы датчика состояния сбрасываемых объектов и датчика состояния исполнительных органов, выход блока выполнения программ подключен к пятому входу блока диагноза.