УСТРОЙСТВО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ БУДУЩЕГО СОСТОЯНИЯ КОРАБЛЯ Российский патент 2002 года по МПК G05D1/00 B63B49/00 B63H25/04 

Изобретение относится к области управления кораблем при наличии внешних и управляющих воздействий, величины которых и время приложения заранее заданы.

Известен задатчик-предсказатель курса судна [А.С. СССР 505156], включающий датчики угла и угловой скорости, сумматор, индикатор предсказанного угла и сумматор. Прибор используется судоводителем для исключения ошибки при выполнении маневров. Индикатор показывает будущее положение судна в самом начале маневра.

Известен также задатчик курса судна с прогнозированием [А.С 610721, кл. G 05 D 1/00, принятое нами в качестве прототипа], включающий датчики угла и угловой скорости, сумматор, индикатор предсказанного значения угла курса судна (показывающий курс судна после окончания углового маневра, если рулевой начнет обратную перекладку руля в данный момент времени).

1. Оба предсказателя не учитывают внешние воздействия и поэтому в случае появления каких-либо возмущений их прогноз не будет соответствовать будущему действительному значению.

2. Кроме того, в целом ряде случаев бывает необходимо контролировать исправность работы всей системы, что в рассмотренных выше устройствах сделать нельзя, т.к. они прогнозируют выбор времени переключения исполнительного органа для обеспечения выхода в заданную трубку значений выходного параметра и не позволяют обеспечить контроль исправности системы управления в процессе одержания корабля особенно при наличии возмущающего и управляющего воздействия.

3. Известные предсказатели позволяют определить момент времени переключения, но не позволяют при принятой стратегии работы прогнозировать будущее состояние корабля в фиксированный (заданный заранее) момент времени, а это необходимо для повышения живучести системы управления движением инерционным объектом - каковым является корабль.

Целью предложенного изобретения является устранение отмеченных выше недостатков и создание устройства, прогнозирующего угол дифферента и угловой скорости в заранее заданный будущий момент времени и сравнении их с допустимыми значениями (уставками).

Поставленная цель достигается:
1. Дополнительным введением в устройство прогнозирования блока программного управляющего воздействия, программного блока внешнего воздействия, блока программы работы, двух блоков уставок, двух компараторов и задатчика интервала времени прогноза, выход которого соединен со входом блока программы работы, четыре выхода последнего соединены соответственно с вычислителем, блоком программного управления, программным блоком внешнего воздействия и блоком памяти, второй, третий и четвертый входы вычислителя соединены соответственно с блоком программы работы и блоками внешнего и управляющего воздействий, два выхода вычислителя соединены соответственно с входом первого и второго индикатора, а выходы последних соединены соответственно с первым входом первого и второго компараторов, на вторые входы которых подключены выходы первого и второго задатчика, выходы компараторов соединены соответственно с третьим и четвертым индикатором.

2. Прогнозированием в данный момент времени состояния корабля в будущий наперед заданный момент времени (tпредск) с дискретным повторением вычисления прогноза через Δt в текущем времени, что обеспечивается использованием блока программного управляющего воздействия, программного блока внешнего воздействия и блока программ работы.

3. Повышением надежности работы всей системы управления кораблем благодаря использованию двух блоков уставок двух компараторов, третьего и четвертого индикатора. (Это одновременно позволило существенно облегчить работу судоводителя).

На чертеже представлена функциональная схема устройства прогнозирования будущего состояния корабля.

Устройство содержит: датчик угла дифферента 1, датчик угловой скорости 2, датчик скорости хода корабля 3, блок памяти 4, вычислитель 5, первый и второй индикаторы 6,7, блок программного управления воздействием 8, программный блок внешнего воздействия 9, блок программы работы 10, первый и второй блок уставок 11, 12, первый и второй компараторы 13,14, задатчик интервала времени прогноза 15, третий и четвертый индикаторы 16, 17. Датчики угла дифферента 1, угловой скорости 2 и скорости хода 3 подключены через блок памяти 4 к вычислителю 5, к выходу которого подключены первый и второй индикаторы 6, 7. Блок программы работы 10 соединен со входами блоков 4, 5, 7 и 8, а выход блока 15 подключен к блоку программ работы. Первый и второй входы первого компаратора подключены соответственно к первому индикатору 6, первому блоку уставки 11, а входы второго компаратора соединены соответственно с вторым индикатором 7 и вторым блоком уставки 12, а выходы компараторов 13,14 соответственно соединены с третьим и четвертым индикаторами 16,17.

Реализация предложенного устройства не представляет каких-либо сложностей на типовом микроконтроллере, датчики также серийно выпускаются и могут использоваться средней точности, индикаторы могут быть как световыми (6,7,16,17), так и звуковыми (16,17).

Предлагаемое устройство может использоваться на инерционных подвижных объектах: дирижаблях, подводных аппаратах и др. при отделении (сбрасывании) ложных целей, тралов, каких-либо изделий с многократным повторением процесса отделения, внешнее воздействие которого на корабль заранее и достоверно известно, программное управление кораблем при этом с целью удержания в заданном коридоре также заранее задано.

Рассмотрим работу устройства при многократном последовательном сбрасывании с корабля нескольких однотипных изделий с фиксированным заранее заданным интервалом времени Δ.

Время прогноза будущего состояния корабля (tпрогн) и начало работы прогнозатора "to" задается блоком-задатчиком 15. Этот сигал поступает в блок программы работы 10, являющийся временным программником. Из блока 10 поступают команды в блок памяти 4 на запоминание текущих значений угла дифферента ψ, угловой скорости корабля ω и скорости хода (V) с датчиков 1,2,3. По команде из блока 10 в блоках 8, 9 вырабатываются программные сигналы возмущающих и управляющих воздействий (Мвоз, Мупр., Yвоз, Yупр), соответствующих началу процесса сбрасывания изделия, т. е. to=0 сек. Все перечисленные сигналы, соответсвующие моменту начала сбрасывания, поступают в вычислитель 5, где производится вычисление фазовых координат будущего состояния корабля в момент времени "tпрогн" (через интервал времени Δ).

Прогнозируемое время tпрогн=to +... - это время, когда будет произведен сброс следующего изделия (фазовое состояние корабля в этот момент времени не должно выходить из допустимых пределов).

При вычислении в ускоренном масштабе времени фазовых координат состояния корабля в будущий момент времени "tпрогн" производится многократное решение дифференциальных уравнений от момента времени "to" до момента времени" tпpoгн", т.е. на отрезке времени, равном Δ:


Рассматриваемое первое решение относится к значению i=0, при котором после каждого шага интегрирования величины возмущающих и управляющих воздействий поступают из программных блоков 8, 9 в изменившемся расчетном времени. При втором шаге - это время "to+step", при третьем шаге интегрирования - "to+2•step", значения возмущающих и управляющих воздействий соответствуют тому же расчетному времени to+2•step до "n"-ого шага интегрирования: to+n•step<tпрогн, где угловая скорость корабля и ее производная,
V_у, - скорость в продольной плоскости корабля и ее производная,
К1,..К4 - гидродинамические коэффициенты судна КJ=(V),
M_воз, F_воз - возмущающий момент и сила,
М_упр, F_yпp. - управляющий момент и сила,
i - обозначает цикл повторения вычисления. Максимальное количество циклов повторения решения (i max) определяется временем прогноза Δ и интервалом повторения цикла решения Δ1 т.е. imax<<Δ/Δ1.

При первом вычислении, рассмотренном выше, момент времени начала интегрирования соответствует моменту времени to=0, а момент окончания вычисления соответствует времени будущего состояния корабля во время tпрогн = to+Δ. В качестве начальных значений принимаются текущие параметры V_o в момент времени "to". По значению Vo вычисляются значения гидродинамических коэффициентов К1-К4.

Полученные значения ψ_предс, ω_предс поступают на индикаторы 6 и 7 для информации оператору. Т.к. в первом цикле вычислений они не выйдут за допустимые пределы, с обоих компараторов 13 и 14 никакой информации на третий и четвертый индикаторы не поступит.

Следующий цикл вычисления ψ_предс, ω_предс производится при i=1. При шаге повторения вычислений Δt = 2c. Это произойдет, когда текущее время достигнет значения to+Δt. Команда на повторение вычислений поступит из блока 10 на запоминание текущих значений ψ, ω, V в момент времени t_l=t_o+2 с и на выдачу величин программных значений сил и моментов, соответствующих моменту времени to+2 с. Перечисленные три сигнала в виде начальных значений поступают в вычислитель для выработки предсказанных фазовых координат корабля и для коррекции гидродинамических коэффициентов при втором цикле вычислений.

Если произошел какой-либо сбой в работе системы управления движением корабля, то ψ_предс или ω_предс будут существенно отличаться от значений сигналов уставок ψ_допуст или ω_допуст. Сигнал о сбое поступит от первого 13 либо второго компаратора 14 на индикатор 16 либо 17. Отрезок времени прогноза Δ1 при втором цикле вычислении сокращается, т.к. момент начала второго цикла вычислений будет проходить при большем текущем времени "t₁=to+2 с, а время прогноза "tпрог" фиксировано, т.е. отрезок времени прогноза при втором цикле счета сократился Δ1 = Δ-2 c.
Если не наблюдалось каких-либо сбоев в работе системы управления движением корабля, то поступит команда на запуск третьего цикла решения, когда текущее время будет равным t2=to+2•2 с.

Новые значения скорости хода используются для коррекции гидродинамических коэффициентов К1-К4 при каждом цикле вычислений.

Начальные значения ψ_c, ω_o, корректируемые также после каждого цикла счета, суммируются с вычисленными значениями по зависимости (1). (Последние два замечания в зависимости (1) не отражены).

Проведенное моделирование предложенного устройства подтвердило эффективность его использования.

Изобретение относится к области управления подвижными объектами, в частности к стабилизации корабля при возмущениях. Техническим результатом является повышение безопасности управления движением корабля при периодически повторяющихся сильных возмущающих воздействиях, величина которых и время приложения заранее известны, а также заранее известен характер будущего управляющего воздействия. Устройство содержит датчики угла дифферента, угловой скорости, скорости хода корабля, блок памяти, вычислитель, индикаторы, блоки уставок, компараторы, задатчик интервала времени прогноза, блок внешнего воздействия, блок управления воздействием, блок программы работы. 1 ил.

Устройство прогнозирования будущего состояния корабля, содержащее датчик угла дифферента, датчик угловой скорости и датчик скорости хода корабля, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока памяти, выход которого подключен к первому входу вычислителя, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго индикаторов, отличающееся тем, что содержит блок программного управляющего воздействия, программный блок внешнего воздействия, блок программы работы, первый и второй блоки уставок, первый и второй компараторы, третий и четвертый индикаторы и задатчик интервала времени прогноза, выход которого соединен с входом блока программы работы, выходы которого соединены соответственно с вторым входом вычислителя, входом блока программного управляющего воздействия, входом программного блока внешнего воздействия и четвертым входом блока памяти, третий и четвертый входы вычислителя соединены соответственно с выходом блока программного управляющего воздействия и выходом программного блока внешнего воздействия, выходы первого и второго индикаторов соединены соответственно с первыми входами первого и второго компараторов, к вторым входам которых подключены соответственно выходы первого и второго блоков уставок, а выходы компараторов соединены соответственно с входами третьего и четвертого индикаторов.