СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОРАБЛЯ Российский патент 2008 года по МПК B63H25/00 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к системам управления движением судна.

Известны системы динамического позиционирования судна (А.С. СССР 1615678), стабилизирующие положение надводного, либо подводного корабля в пространстве, в том числе система стабилизации судна - «устройство управления движением судна» (патент России RU 22388881 С1), содержащее задатчик угла дифферента, датчик угла дифферента, датчик угловой скорости, датчик положения руля, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя-вычислителя, выход которого соединен с входом рулевого привода.

В качестве прототипа нами принята система автоматического управления судном (патент России RU 2248914 С1), датчик и задатчик курса, датчик угловой скорости, датчик положения рулей, выходы датчиков подключены к первому - четвертому входам суммирующего усилителя (вычислителя), выход которого соединен с входом рулевого привода.

Недостатком существующих систем управления движением, особенно при использовании ее на подводном корабле, является сложность своевременного выявления аварийной ситуации и своевременного эффективного устранения ее. Существенным недостатком является невозможность командира (капитана) принять правильное и своевременное решение, т.к. пульт оператора движением изолирован от командира. Для повышения эффективности и безопасности управления движением корабля информационную часть пульта оператора необходимо расширить как в части подсистемы контроля и диагностики, так и в части подсистемы прогноза будущего фазового состоя корабля. Однако только расширение пульта оператора недостаточно решает основную задачу повышения качества и безопасности функционирования системы. Эту задачу можно высококачественно решить, если создать возможность командиру непосредственно самому участвовать в процессе управления кораблем.

В каюте капитана корабля с незапамятных времен принято размещать репитер гирокомпаса, что позволяет капитану даже во время отдыха контролировать текущий курс корабля. Для повышения эффективности и безопасности управления движением корабля командир должен непрерывно получать:

- полную информацию о динамике движения корабля с прогнозом и состоянии исполнительных средств,

- возможность принять своевременное и правильное решение по управлению кораблем при появлении экстренной (аварийной) ситуации с интегрированного автоматизированного рабочего места командира.

Предлагаемая нами система управления движением корабля позволяет решить эти задачи, если известные системы управления движением корабля дополнить пультом командира:

- с подсистемой прогноза и диагноза исправности всей системы,

- дисплеем с текущей и будущей во времени информацией о фазовом состоянии корабля и исполнительных средств управления.

Целью предлагаемого изобретения является получение более совершенной и безопасной в эксплуатации системы управления движением корабля.

Для технического и эргономического обеспечения функциональных обязанностей командира предлагаемая система позволяет в частности:

- вести непрерывный контроль за действиями оператора движением,

- получать информацию о текущей динамике движения корабля с прогнозом,

- получать информацию о состоянии технических средств корабля.

- при определенных условиях производить эффективное управление движением корабля.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства (см. чертеж).

Система управления движением судна содержит: датчик угла курса 1, задатчик угла 2, датчик угловой скорости 3, датчик положения руля 4, рулевой привод 5, суммирующий усилитель 6, пульт командира 7 (включающий блоки 8-14), дисплей 8, переключатель 9, вычислитель 10 с микроконтроллером-процессором вычислителя 11 и формирователем прогноза видеосигнала вычислителя 12, переключатель пультов 13, задатчик режимов 14, объект управления - корабль 15.

В качестве датчика 1, задатчика угла курса 2 и датчика положения руля 4 могут использоваться серийно выпускаемые измерители угла с точностью не ниже 5% (в целях повышения качества работы датчика 1 может использоваться комплексированный датчик курса, на выходе которого вырабатывается оценка угла курса с переменным коэффициентом передачи). Датчик угловой скорости 3 - типовой ДУС-5 с диапазоном измерения 0.05-1.5 гр./с. Рулевой привод - штатный гидравлический либо электрогидравлический - 5. Суммирующий усилитель-вычислитель 6 может быть реализован на операционном усилителе типа 140 УД-6. Пульт командира может быть смонтирован как рабочее место командира с размещением дисплея 8 и блоков 9-14. Дисплей (монитор на базе МПС-18 с разрешением 1280×1024) 8, переключатель 9 - электромагнитный на два состояния. Вычислитель 10 включает два микроконтроллера:

- процессор 11, решающий системы дифференциальных уравнений в натуральном и ускоренном масштабе времени (выработка электронных моделей движения корабля в натуральном, а также в ускоренном масштабе времени и вычисление операций с логическим регулятором),

- формирователь прогноза видеосигнала 12 для функционирования дисплея 8.

Переключатель пультов 13 - источник напряжения с выключателем - переключает через блок 9 рулевой привод на суммирующий усилитель-вычислитель 6 либо на вычислитель 10. Одновременно с пульта 13 поступает сигнал на процессор 11 при переводе управления движением корабля командиру. Задатчик режимов 14 реализуется аналогично задатчику угла курса 2 либо с использованием клавиатуры (при цифровой реализации). Перечисленные выше блоки системы соединены между собой в соответствии с чертежом, приведенном на фиг.

Описание работы системы.

Система управления движением корабля позволяет командиру, используя интегрированное рабочее место (пульт командира 7):

- следить за работой оператора,

- следить за динамикой движения корабля с прогнозом,

- контролировать исправность источников информации,

- контролировать состояние технических средств корабля,

- позволяет эффективно осуществлять процесс управления движением корабля.

Все необходимые вычисления (текущего фазового состояния корабля и прогнозируемого во времени, состояния измерителей информации и технических средств, работы подсистемы диагноза) вырабатываются в микропроцессоре вычислителя 11, на вход которого поступают сигналы с выходов датчика и задатчика 1, 2, датчика угловой скорости 3, датчика положения руля 4, а также задатчика режимов 14 и переключателя пультов 13.

Дифференциальные уравнения углового движения корабля, решаемые в процессоре 1, могут быть приняты в упрощенном виде:

где

ω - угловая скорость корабля в продольной плоскости,

ϕ - угол курса,

δ - угол перекладки руля относительно балансировочного значения,

K_I - гидродинамические коэффициенты, зависящие от многих переменных, в том числе и от скорости хода корабля, могут адаптивно перестраиваться,

t - текущее время.

Работа прогнозатора описывается также по зависимости (1) только не в натуральном времени «t», а в ускоренном масштабе времени τ=Кt, где К=15 - коэффициент прогноза, кроме того, при прогнозировании должен использоваться закон управления рулевым приводом, но не в натуральном времени t, а в том же ускоренном τ=Кt:

где ϕ_τ - угол курса в ускоренном времени,

ω_τ - угловая скорость в ускоренном времени,

δ_τ - угол перекладки руля в ускоренном времени.

Выходы микропроцессора вычислителя 11 подключены к переключателю 9 и входу формирователя прогноза видеосигнала вычислителя 12. Выход формирователя прогноза видеосигнала изображения вычислителя подключен к входу дисплея 8, обеспечивая тем самым работу дисплея 8.

При появлении отклонений от нормальных режимов эксплуатации командир может принять управление движением корабля на себя с помощью переключателя пультов 13 (переведя его в положение «вкл. пульт командира» при реализации пп.1, 2 формулы изобретения). Сигнальное напряжение с переключателя пультов 13 поступит на вход переключателя - электромагнитного реле 9 и одновременно на вход микроконтроллера-процессора вычислителя 11. Это приведет к переключению входа рулевого привода 5 от выхода суммирующего усилителя 6 к выходу микроконтроллера-процессора вычислителя 11. Используя задатчик режимов 14, командир сможет автономно изменять режимы движения корабля по своему усмотрению (команды по изменению режима поступают с задатчика режимов 14 на вход микроконтроллера-процессора 11, на выходе которого формируется закон управления рулевым приводом вида (3). С выхода микроконтроллера 11 этот сигнал поступает на вход рулевого привода. После выхода на заданный режим рулевой привод установит руль в балансировочное положение.

Выше был рассмотрен режим работы системы при реализации ее в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения. При реализации изобретения только в соответствии с п.1 из состава изобретения исключаются три блока со всеми связями: переключатель 9, переключатель пультов 13, задатчик режимов 14.

При отключении переключателя 9 вход рулевого привода 5 подключится к выходу суммирующего усилителя 6. Для изменения угла курса оператор, задав новое значение угла курса, используя задатчик угла курса 2, отклонит руль с помощью рулевого привода 6 в требуемую сторону в соответствии с зависимостью:

где

ϕ - текущий угол курса,

ϕ_зд. - заданное значение угла курса,

ω - угловая скорость корабля,

δ - угол отклонения руля,

К_i - коэффициенты регулирования.

При достижении кораблем текущего угла ϕ=ϕ_зд. руль вернется в исходное балансировочное состояние (аналогичное управление осуществляется при реализации системы в соответствии с формулой изобретения по п.1 и п.2, если командир переведет управление кораблем на оператора движения). Это достигается снятием питания с реле переключателя 9 путем переключения переключателя пультов 13 в положение «вкл. пульт оператора». При этом выход усилителя-сумматора 6 подключится непосредственно к входу рулевого привода.

Проведенное моделирование на специальном стенде по оценке экспертов подтвердило эффективность использования предложенной системы управления движением корабля.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к средствам, используемым для управления движением судна. В систему управления введен пульт командира, с которого можно не только наблюдать за динамикой движения корабля в ускоренном времени на специальном командирском дисплее, но и управлять движением корабля лично. Дополнительно введены переключатель пультов, вычислитель, задатчик режимов и переключатель. Выход переключателя подключен к входу рулевого привода, а выходы датчика курса, датчика угловой скорости и датчика положения руля подключены к соответствующим входам вычислителя. Применение данной системы позволяет повысить качество и безопасность судовождения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система управления движением корабля, содержащая датчик угла курса, задатчик угла курса, датчик угловой скорости, датчик положения руля, рулевой привод и суммирующий усилитель, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходом датчика угла курса, задатчика угла курса, датчика угловой скорости и датчика положения руля, а выход связан с рулевым приводом, отличающаяся тем, что содержит пульт командира, включающий вычислитель с микроконтроллером-процессором и формирователем прогноза видеосигнала и дисплей, к первому, второму и третьему входам микроконтроллера-процессора подключены соответственно выходы датчика угла курса, датчика угловой скорости и датчика положения руля, первый выход микроконтроллера-процессора соединен со входом формирователя прогноза видеосигнала, выход которого соединен со входом дисплея.2. Система управления движением корабля по п.1, отличающаяся тем, что пульт командира дополнительно содержит переключатель, переключатель пультов и задатчик режима, выход которого подключен к четвертому входу микроконтроллера-процессора, пятый вход которого соединен с выходом переключателя пультов и первым входом переключателя, второй вход которого подключен к второму выходу микроконтроллера-процессора, третий вход переключателя пультов соединен с выходом суммирующего усилителя, выход переключателя подключен к входу рулевого привода.