СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ Российский патент 2014 года по МПК B63H25/00 

Изобретение относится к управлению движением судна при следовании по заданной траектории и касается автоматического управления рулем или другим рулевым средством управления, которым оборудовано судно.

Известен способ управления движущимся объектом, например судном (Пат. РФ №22663606, опубл. 10.11.2005), по величине поперечных смещений двух точек, разнесенных по длине судна в его диаметральной плоскости (ДП) и называемых условно носовой (точка А на фиг.1-4) и кормовой (точка В на фиг.1-4).

Расстояние между точками А и В выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением судна по заданной траектории.

Координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), в связи с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.

Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные смещения точки А (d_A) и точки В (d_B) от заданной траектории. Причем поперечное смещение каждой точки от заданной траектории считается положительным, если она смещается вправо, и отрицательным, если она смещается влево (фиг.1-4).

Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля судна, по закону:

$$\alpha =-k_A\times d_A+k_B{d}_B\text{ (1)}$$

$$\alpha =-k_A\times d_A+k_B{d}_B\text{ (1)}$$

где k_A, k_B - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной траектории. Это положительные величины, причем d_A больше k_B. Угол α перекладки руля считается положительным при его перемещении в сторону правого борта.

На фиг.1-4 изображены основные варианты возможных отклонений судна 1 от заданной траектории 2 и управление в каждом из них (угол α перекладки руля 3). Например, на фиг.1, 2 ДП 4 судна 1 пересекает заданную траекторию 2 под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки А (d_A) и точки В (d_B), причем d_A больше 0, d_B меньше 0 (фиг.1) и d_A меньше 0, d_B больше 0 (фиг.2). В первом случае (фиг.1.) согласно закону (1) угол α отклонения руля будет иметь отрицательное значение, т.е. руль будет переложен на левый борт и судно начнет поворот влево, что приведет к уменьшению d_A и d_B и в конечном итоге к выходу судна на заданную траекторию; во втором случае (фиг.2) согласно закону (1) угол α отклонения руля будет иметь положительное значение, т.е. руль будет переложен на правый борт и судно начнет поворот вправо, что приведет к уменьшению d_A, d_B и к выходу судна на заданную траекторию.

На фиг.3, 4 ДП 4 судна 1 не пересекает заданную траекторию 2, а поперечные смещения точек А, В имеют одинаковые знаки, положительные (фиг.3) и отрицательные (фиг.4). Знак и соответствующее направление угла α перекладки руля зависят от соотношения значений коэффициентов k_A и k_B (k_A больше k_B, если знаки поперечных смещений точек А и В одинаковы, фиг.3, 4; k_A и k_B будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек А и В противоположны, фиг.1, 2). Соотношение значений коэффициентов k_A, k_B может выбираться из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления движения судна от заданного будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение определяется выражением:

$$k_B=k_A\times {\left(l+\frac{l}{\left|d_A\right|}\right)}^{-1}\text{ (2)}$$

где l - расстояние между точками А и В.

Однако предложенный закон управления рулевым устройством (1) не учитывает инерционных особенностей как рулевого устройства, так и самого объекта управления судна. Поэтому его применение не позволит качественно управлять судном, а в ряде случаев может привести к потере его управляемости из-за неконтролируемого изменения отклонений точек А и В от заданной траектории.

Цель изобретения - повышение точности удержания судна на заданной траектории и улучшение качества управления, в частности, исключение вероятности потери управляемости.

Для достижения поставленной цели предлагается способ, основанный на законе управления, который определяет скорость $${\dot{\alpha }}_r$$ перекладки руля

$${\dot{\alpha }}_r=-k_A\times d_A+k_B\times d_B+k_{\alpha }{\alpha }_r\text{ (3)}$$

где где k_A, k_B - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек судна от заданной траектории, k_α -коэффициент усиления.

При этом действует ограничение на величину угла α_r перекладки руля, который не должен превосходить максимального значения, характерного для конкретного рулевого устройства рассматриваемого судна, т.е. α_r<α_rmax.

Предлагаемый способ управления состоит в выработке управляющего сигнала sign, величина которого определяет скорость перекладки руля (или любого другого рулевого органа), то есть

$$sign=-k_A\times d_A+k_{\text{B}}\times d_B+k_{\alpha }{\alpha }_r\text{ (4)}$$

Зависимость скорости $${\dot{\alpha }}_r$$ перекладки руля от величины управляющего сигнала выражается графически (фиг.5).

Этот закон управления достаточно универсален и содержит зону нечувствительности (sign<sign), зону насыщения (sign>sign2) и переходную между ними зону (sign1<sign<sign2) линейного изменения скорости $${\dot{\alpha }}_r$$ перекладки руля. Закон предполагает асимметричное отображение для отрицательных значений сигнала (sign<0). В этих зонах скорость $${\dot{\alpha }}_r$$ перекладки руля меняется следующим образом (для sign>0):

$$\begin{array}{l}{\dot{\alpha }}_r=0\text{ sign}\le \text{sign1}\\ {\dot{\alpha }}_r={\dot{\alpha }}_{r\max }\frac{sign-sign1}{\mathrm{si}gn2-sign1}\text{ sign}<\text{sign}<\text{sign2 (5) }\\ {\dot{\alpha }}_r={\dot{\alpha }}_{r\max }\text{ sign}\ge \text{sign2}\end{array}$$

Как видно из выражения (4), инерция самого судна учитывается явным образом добавлением в закон управления члена, который зависит от текущего положения α_r пера руля.

Изобретение относится к управлению судном при следовании по заданной траектории и касается автоматического управления рулём или другим рулевым средством управления, которым оборудовано судно. Управление осуществляют по величинам поперечных смещений носовой А и кормовой В точек. Точки А и В разнесены по длине судна в его диаметральной плоскости (ДП). Производят выработку управляющего сигнала и в зависимости от его величины определяют скорость перекладки руля. При этом необходимо соблюдать ограничение - угол перекладки руля не должен превышать его максимальное значение, характерное для конкретного рулевого устройства. Повышена точность удержания судна на заданной траектории, улучшено качество управления и исключена вероятность потери управляемости. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления движением судна по заданной траектории по величинам поперечных смещений двух точек, разнесенных по длине судна в его диаметральной плоскости и условно называемых носовой А и кормовой В, характеризующийся тем, что производят выработку управляющего сигнала sign:
$$sign=-k_A\times d_A+k_{\text{B}}\times d_B+k_{\alpha }{\alpha }_r$$ , где
k_A, k_B - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой А и кормовой В точек судна от заданной траектории;
d_A, d_B - значения поперечных смещений соответственно точек А и В;
k_α - коэффициент усиления,
α_r - угол перекладки руля,
в зависимости от величины управляющего сигнала sign определяют скорость перекладки руля, в частности для sign>0:
$$\begin{array}{l}{\dot{\alpha }}_r=0\text{ sign}\le \text{sign1}\\ {\dot{\alpha }}_r={\dot{\alpha }}_{r\max }\frac{sign-sign1}{sign2-sign1}\text{ sign}<\text{sign}<\text{sign2}\\ {\dot{\alpha }}_r={\dot{\alpha }}_{r\max }\text{ sign}\ge \text{sign2}\end{array}$$

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что необходимо соблюдать ограничение - угол перекладки руля не должен превышать его максимальное значение, характерное для конкретного рулевого устройства.