АППАРАТУРА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА Российский патент 2000 года по МПК B63H25/04 

Изобретение относится к области судовождения, в частности к системам автоматического управления движением морских судов.

Известно устройство (А.С. СССР N 460535), обеспечивающее автоматическое удержание судна на заданном курсе. Стабилизация курса осуществляется по данным гирокомпаса, который является основным источником информации о направлении движения судна. Сигнал текущего курса и его производная поступают на вход суммирующего усилителя, где формируется пропорционально-дифференциальный (ПД) закон управления рулевым приводом.

Рассматриваемый авторулевой обладает следующими недостатками:
- перегружает рулевой привод при появлении на море волнения,
- сигнал курса, снимаемый с гирокомпаса, имеет запаздывание, что снижает запас устойчивости замкнутой системы "судно-авторулевой", т.к. сигнал производной формируется путем дифференцирования сигнала курса, снимаемого с гирокомпаса,
- появление ошибки при движении судна по заданному курсу при боковом ветре и волнении.

Известно устройство управления движением судна (А.С. СССР N 979204, кл. B 63 H 25/04), принятое нами в качестве прототипа, содержащее датчик и задатчик направления движения, датчик угла перекладки руля, блок выработки угловой скорости судна по курсу - датчик угловой скорости судна, выходы которых подключены через суммирующий усилитель к рулевому приводу, недостатки рассмотренного выше аналога присущи также и прототипу.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание аппаратуры для автоматического управления движением судна только по информации от приемоиндикатора спутниковой навигационной системы (СНС) и достижение:
- повышенной точности удержания судна при движении по заданной траектории как при спокойном море, так и при сильном волнении на море;
- повышенной надежности и безотказности.

Поставленная задача достигается тем, что в аппаратуру, содержащую задатчик направления движения судна, датчик угла перекладки руля, суммирующий усилитель, блок выработки скорости, дополнительно введены: приемоиндикатор, блок дифференцирования, два интегратора, два сумматора и два множительных блока, соединенных между собой в соответствии с чертежом.

Существенной новизной предлагаемого изобретения является формирование закона управления:
- не по углу курса, а по путевому углу, что достигается использованием приемоиндикатора СНС (в формуле это отличие не обозначено);
- с введением сигнала бокового сноса судна;
- с использованием сигналов оценки скорости изменения путевого угла и оценки скорости изменения бокового сноса судна, пропорционального углу дрейфа.

Функциональная схема предлагаемого изобретения приведена на чертеже.

Аппаратура автоматического управления движением судна состоит из: задатчика направления движения 1, датчика угла перекладки руля 2, суммирующего усилителя 3, рулевого привода 4, блока выработки скорости 5, приемника-индикатора 6, блока дифференцирования 7, двух интеграторов 8, 9, двух сумматоров 10, 11 и двух множителей 12, 13.

В качестве задатчика 1, датчика угла перекладки руля 2 может быть использован любой аналоговый (цифровой) преобразователь угла поворота в электрический сигнал с точностью не хуже 1 процента. В аналоговом варианте реализации аппаратуры в качестве усилителя 3 можно использовать интегральную микросхему типа 140 - УД - 6, блок выработки скорости 5 и блок дифференцирования 7 реализуются также на интегральных схемах типа 140 - УД - 6. Приемоиндикатор 6 (ПИ) спутниковой навигационной системы (СНС) - типа "Волонтер". Интеграторы 8, 9 - реализуются на микросхемах типа 140 - УД - 8, сумматоры 10, 11 - на микросхемах типа 140 - УД - 6, множители - также на интегральных микросхемах с точностью не ниже 5 процентов.

Возможен также вариант реализации предложенной аппаратуры на элементах цифровой техники.

Аппаратура работает следующим образом.

Требуемое направление движения судна задается задатчиком 1. Если это направление не совпадает с текущим направлением движения судна, то на выходе суммирующего усилителя 3 появится сигнал, приводящий к отклонению пера руля судна рулевым приводом 4, при этом начнется поворот судна к заданному направлению движения. При достижении судном заданного направления движения перо руля вернется в нулевое положение.

Рассмотрим, как формируется закон управления рулевым приводом. Сигнал, пропорциональный текущему направлению движения судна, вырабатывается приемоиндикатором (ПИ) 6 и поступает на третий вход усилителя 3, а также на вход блока 5 выработки скорости, который используется для коррекции сигнала угловой скорости судна, вырабатываемой на выходе второго интегратора 9. Тот сигнал поступает на шестой вход усилителя 3. На второй вход усилителя 3 поступает сигнал, пропорциональный углу перекладки руля, с датчика 2. Таким образом на выходе усилителя 3 формируется сигнал, пропорциональный скорости перекладки руля, который и поступает на вход рулевого привода 4:

где (ПУ - ПУ заданный) - текущий путевой угол и заданное направление движения судна;
- оценка скорости изменения ПУ;
δ - угол перекладки руля.

Реализация закона (1) позволяет автоматизировать процесс управления движением судна по заданному направлению, причем сигнал оценки угловой скорости судна не содержит высокочастотных возмущений от морского волнения, в нем также отсутствует запаздывание, возникающее при дифференцировании сигнала угла курса, вырабатываемого гирокомпасом.

В предложенной аппаратуре управление кораблем осуществляется по более сложному закону, который обеспечивает более точное движение по заданной траектории (обеспечивается астатизм к внешним боковым возмущениям). Это достигается введением дополнительно двух сигналов У-бокового отклонения судна, который поступает с ПИ 6 на четвертый вход усилителя 3 и - оценки скорости бокового отклонения, которая вырабатывается на выходе первого интегратора 8 и поступает на пятый вход усилителя 3. Таким образом, на выходе усилителя 3 формируется сигнал скорости перекладки руля, равный:

где, кроме сигналов, рассмотренных в зависимости (1), введены:
У - боковое отклонение судна от заданной траектории,
- оценка скорости бокового отклонения.

Формирование оценок.

Оценки скорости изменения бокового сноса и скорости изменения углового направления движения судна вырабатываются на двух интеграторах 8, 9, двух сумматорах 10, 11, двух множителях динамической модели движения судна с коррекцией оценок текущими значениями скорости бокового сноса и скорости изменения углового направления движения судна.

На вход первого интегратора 8 поступают сигналы:

где V - скорость хода судна;
- невязка производной бокового смещения и оценки скорости бокового смещения.

На выходе первого интегратора 8 вырабатывается оценка скорости бокового смещения судна.

На вход второго интегратора 9 поступают сигналы:

где - невязка измеренной и восстановленной угловой скорости судна.

Проведенное моделирование приведенного выше закона управления (2) подтвердило получение высокого качества управления и стабилизации судна на заданной траектории движения.

Изобретение относится к судостроению и предназначено для реализации автоматического управления движением морского судна. Аппаратура содержит задатчик направления, датчик угла перекладки руля, суммирующий усилитель, блок выработки скорости. Дополнительно введены приемоиндикатор, блок дифференцирования, два интегратора, два сумматора и два множителя. Формирование закона управления производится не по углу курса, а по путевому углу спутниковой навигационной системы с введением сигнала бокового сноса судна и использованием сигналов оценки скорости изменения путевого угла и оценки скорости изменения бокового сноса судна, пропорционального углу дрейфа. Это позволяет существенно снизить высокочастотные помехи при сильном морском волнении и в итоге повысить надежность и качество управления кораблем. 1 ил.

Аппаратура автоматического управления движением судна, содержащая задатчик направления движения, датчик угла перекладки руля, выходы которых подключены к первому и второму входам суммирующего усилителя, выход которого подключен к входу рулевого привода, и блок выработки скорости, отличающаяся тем, что дополнительно содержит приемо-индикатор, блок дифференцирования, два интегратора, два сумматора и два множителя, к первому входу первого множителя подключен выход датчика угла перекладки руля, к второму входу первого множителя подключен первый выход приемо-индикатора, выход первого множителя подключен к первому и второму входам второго множителя, выход которого подключен к первым входам первого и второго интеграторов, выход второго интегратора подключен к своему второму входу и через первый сумматор соединен со своим третьим входом, четвертый вход второго интегратора соединен с выходом первого интегратора и через второй сумматор - с вторым входом первого интегратора, третий вход которого соединен с его выходом, а четвертый вход - с выходом второго интегратора, вторые входы первого и второго сумматоров соединены соответственно с выходом блока выработки скорости и выходом блока дифференцирования, второй выход приемо-индикатора подключен к второму входу блока выработки скорости и третьему входу суммирующего усилителя, третий выход приемо-индикатора подключен к входу блока дифференцирования и четвертому входу суммирующего усилителя, к пятому и шестому входам которого подключены выходы соответственно первого и второго интеграторов.