СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ШИРОТЕ И ДОЛГОТЕ Российский патент 2014 года по МПК B63H25/04 

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна по заданному маршруту.

Известен способ автоматического управления движением судна по заданному путевому углу, реализованный в «Системе автоматического управления судном», (патент RU 2240953 С1, БИ №33, 27.11.2004 г.). Способ управления движением судна основан на использовании информация от приемника спутниковой навигационной системы (СНС), датчика угловой скорости, блока заданного значения путевого угла и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла и угловой скорости судна формируется сигнал для управления рулевым приводом судна.

Известен также способ автоматического управления движением судна (патент RU 2292289 С1, БИ №3, 27.01.2007 г., принятый нами в качестве прототипа), в котором автоматическое управление движением судна осуществляется аналогично описанному выше, но с корректировкой заданного значения путевого угла в процессе плавания из точки «А» в точку «Б», затем «В»… по заданному маршруту.

Известные способы автоматического управления движением по заданной траектории обеспечивают движение судна к заданной точке. Однако недостатками рассмотренных способов управления движением судна по заданной траектории являются:

- отсутствие контроля за нахождением судна в заданной точке траектории в заданное время, т.е. не контролируется совпадение текущего положения судна во времени с заданным местонахождением,

- при появлении поперечных (относительно судна) возмущающих силовых воздействий создается большой угол дрейфа судна, что приводит к уходу с заданной траектории движения, а также к экономическим и временным потерям,

- использование только кормового рулевого привода для управления движением создает дополнительный угол дрейфа в процессе изменения направления движения судна, который приводит также к дополнительным отклонениям от заданной траектории в поперечной плоскости судна,

- затруднен проход судном узкостей из-за появления угла дрейфа и бокового сноса судна относительно заданной траектории движения.

Приведенный ниже способ управления лишен этих недостатков т.к. обеспечивает движение судна практически с нулевым углом дрейфа и обеспечивает точное движение судна в соответствии с заданным временем нахождения в заданных точках траектории движения.

Техническим результатом предлагаемого способа управления движением судна является:

- минимизация отклонения судна от заданных точек программной траектории движения с использованием широт, долгот (благодаря минимизации отклонения судна по широте и долготе текущего состояния судна от заданных в пространстве и во времени),

- повышение экономичности и безопасности управления движением,

- проводка судна в узкостях (т.к. поперечное смещение судна даже при наличии возмущающих сил, действующих на судно в поперечном направлении, сводится к малым значениям),

- переход на типовое (штатное) управление движением судна (с использованием только рулевого привода по заданному углу курса) при существенном отклонении текущего путевого угла от заданного программного угла курса.

Этот технический результат достигается благодаря использованию трех подсистем управления движением судна:

а) в продольном направлении движения судна - это подсистема управления скоростью хода V, в которой путем перестройки регулятора оборотов гребного вала - n корректируется скорость движения судна - V и поддерживается движение судна в продольном направлении в соответствии с заданной временной программой движения судна,

б) в поперечном направлении - это подсистема управления движением судна только по углу дрейфа с использованием подруливающих устройств(или носовых рулей), которая совместно с подсистемой управления кормовым рулевым приводом устраняет угол дрейфа и боковой снос судна относительно заданной траектории;

в) при существенном отклонении текущего путевого угла - ПУ от заданного (программного) угла курса - $${\phi }_{зд:}\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|>C$$ , (в основном это наблюдается при переходе судна на новое направление движения при существенном изменении направления движения по заданной траектории) используют типовое (штатное) управление по путевому углу - ПУ=ϕ_зд и по скорости хода судна - V=V_зд.

Каналы управления: а) и б) корректируют текущее положение судна с использованием текущих широт - Ф и долгот - γ, а также заданных (во времени) программных широт - Ф_зд=ƒ(t_зд) и долгот - γ_зд=ƒ₁((t_зд)), обеспечивая более точное управление.

Штатное в) управление осуществляется кормовым рулем - δ по заданному путевому углу - ПУ_зд и по скорости хода - V регулятором оборотов гребного вала - n.

Рассмотрим, как формируются законы штатного управления.

Типовое - штатное управление по путевому углу - ПУ=ϕ_зд формируется в подсистеме управления кормовым рулевым приводом.

В регулятор рулевого привода - δ вводят сигналы:

- ПУ - текущего путевого угла,

- ϕ_зд - заданного - программного угла курса,

- ω - угловой скорости судна, которая формируется в регуляторе рулевого привода - δ, таким образом формируется закон управления рулем - δ:

$${\delta }_{зд}=K_1\left(ПУ-{\phi }_{зд}\right)+K_2\omega \left(1\right)$$ ;

где: δ_зд - заданный угол перекладки руля,

ПУ, ϕ_зд(t) - путевой угол и заданный (программный) угол курса,

ω - угловая скорость судна,

K₁,K₂ - коэффициенты регулирования.

Сигнал - δ_зд в соответствии с зависимостью (1) вводится на вход рулевого привода, это обеспечивает вывод судна на путевой угол - ПУ, равный заданному (программному) углу курса - ϕ_зд.

Типовое - штатное управление скоростью хода судна - V=V_зд.

Для управления скоростью хода судна используют сигналы заданной скорости ходами - V_зд и текущей скорости хода - V, которые вводят в регулятор оборотов гребного вала - n: ƒ

$$n_{з\text{}д}=K_1\left(V-V_{зд}\right)+ƒ\left(n,V\right),\left(2\right)$$ .

где:

n_зд - заданные обороты гребного вала - n,

f (n, V) - штатный закон управления приводом гребного вала.

Рассмотрим реализацию способа управления движением судна по заданной траектории в двух режимах:

- штатное управление,

- управление с формированием управления в пространстве и во времени в соответствии с предлагаемым способом точного управления движением судна, в качестве основной навигационной информации используются текущие и заданные широты - Ф, Ф_зд, текущие и заданные долготы - γ, γ_зд.

А. Типовой (штатный) закон управления движением судна

Для формирования штатного управления используют:

- приемник спутниковой навигационной системы (СНС),

- задатчик маршрута,

- регулятор рулевого привода - δ,

- рулевой привод,

- регулятор привода оборотов гребного вала - n_зд,

- привод оборотов гребного вала.

В соответствии с зависимостями (1) и (2) судно двигается по заданной траектории с путевым углом - ПУ=ϕ_зд и скоростью - V, равной заданной скорости - V_зд Для реализации законов (1) и (2) сигналы путевого угла - ПУ и скорости хода судна - V (сформированные в приемнике СНС) вводят, соответственно, на вход регулятора рулевого привода - δ и на вход регулятора привода оборотов гребного вала - n. Сигналы заданного угла курса - ϕ_зд и заданной скорости хода - V_зд (из задатчика маршрута) вводят, соответственно, на входы регулятора рулевого привода - δ и регулятора привода оборотов гребного вала - n. Сигналы: заданного угла перекладки руля - δ_зд (из регулятора рулевого привода - δ) и заданных оборотов гребного вала - n_зд (из регулятора привода оборотов гребного вала - n) вводят, соответственно, на входы: рулевого привода и привода оборотов гребного вала.

Переход со штатного закона управления (1) и (2) на режим точного управления осуществляется с применением:

- блока 4-х секторов путевого угла,

- регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n_подр,

- подруливающего устройства,

- блока сравнения,

- блока разностей,

- блока коррекции сигналов управления.

Сигнал путевого угла - ПУ (из приемника СНС) и сигнал заданного угла курса - ϕ_зд (из задатчика маршрута) вводят на вход блока сравнения, в котором формируют модуль разности сигналов $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|$$ и сравнивают с постоянной C₁.

Если $${\phi }_{зд:}\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|>C_1$$ (это условие соответствует использованию штатного режима управления), то сигналы ПУ и ϕ_зд отключают от входа блока сравнения, через интервал времени Δt сигналы: ПУ и ϕ_зд вновь вводят в блок сравнения и формируют модуль разности сигналов $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|$$ для сравнения с постоянной С₁, если $${\phi }_{зд:}\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|>C_1$$ , то вновь через интервалы времени Δt в блоке сравнения повторяют операцию сравнения сигнала модуля разности… Рассмотренные циклы повторяют до тех пор пока выполняется неравенство $${\phi }_{зд:}\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|>C_1$$ . Если удовлетворяется неравенство $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ , то производят формирование точного закона управления.

Б. Формирование точного закона управления.

В соответствии с предложенным способом формируют законы точного управления движением судна в регуляторе рулевого привода - δ, в регуляторе оборотов гребного вала - n и в регуляторе привода оборотов подруливающего устройства - n_подр (с использованием информации по широте - Ф и долготе - γ судна).

Если в блоке сравнения формируется условие $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ , то в блок разностей вводят сигналы текущей широты - Ф, долготы - γ судна (из приемника СНС) и заданной широты - Ф_зд, заданной долготы - γ_зд (из задатчика маршрута) для формирования сигналов: (Ф-Ф_зд), (γ-γ_зд) и сигналов, производных от сигналов широты dФ/dt и долготы dγ/dt. Сформированные сигналы: (Ф-Ф_зд), (γ-γ_зд), dФ/dt и dγ/dt вводим в блок коррекции сигналов управления

В блоке 4-х секторов путевого угла формируем сигнал одного из четырех секторов, в котором находится в данный момент вектор путевого угла - ПУ, используя сигнал путевого угла - ПУ (из приемника СНС) и сигналы углов граничных значений четырех секторов (последние введены в память блока 4-х секторов путевого угла):

а) (-π/4)=+7π/4<угол вектора ПУ<+π/4

б) или +π/4<угол вектора ПУ<+3π/4

в) или +3π/4<угол вектора ПУ<+5π/4

г) или +5π/4<угол вектора ПУ<+7π/4=(-π/4).

Сигнал одного из четырех секторов: а), или б), или в), или г), в котором находится в данный момент вектор путевого угла - ПУ, вводим в блок коррекции сигналов управления для формирования точных законов управления движением судна.

А. Формируем в блоке коррекции сигналов управления точные законы управления движением судна, если ПУ находится в секторе: а) или в) (блока 4-х секторов путевого угла).

1а. Сигнал точного закона управления рулевым приводом - Δδ_кор формируется используя сигналы - (γ-γ_зд), dγ/dt, поступившие из блока разностей:

при наличии сигнала сектора а) Δδ_кор=+K₁(γ-γ_зд)+K₂dγ/dt,

или

при наличии сигнала сектора в) Δδ_кор=-K₁(γ-γ_зд)-K₂dγ/dt,

где K₁ и K₂ - постоянные.

Сигнал Δδ_кор (с выхода блока коррекции сигналов управления) вводится на вход регулятора рулевого привода - δ, а сигналы: K₁(ПУ-ϕ_зд)+K₂ω (из приемника СНС и задатчика маршрута), подключенные к входу регулятора рулевого привода - δ (используемые в штатном режиме управления), отключают. На выходе регулятора рулевого привода - δ таким образом формируется сигнал: δ_зд=Δδ_кор.

2а. Сигнал управления оборотами подруливающего устройства - n_под формируется, используя сигнал - (γ-γ_зд) из в блока разностей):

при наличии сигнала сектора а) n_{подр.зд}=-K₃(γ-γ_зд),

или при наличии сигнала сектора в) n_{подр.зд}=+K₃(γ-γ_зд).

Сигнал - n_{подр.зд} вводится на вход регулятора оборотов подруливающего устройства - n_подр, на выходе регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n_подр формируется сигнал n_подр=n_{подр.зд}, который вводится на вход привода оборотов подруливающего устройства.

3а. Сигнал коррекции оборотов гребного вала - Δn_зд формируется, используя сигнал (Ф-Ф_зд) из блока разностей):

при наличии сигнала сектора а) Δn_зд=-K₄(Ф-Ф_зд),

или при наличии сигнала сектора в) Δn_зд=+K₄(Ф-Ф_зд).

Сигнал - Δn_зд вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - n. На выходе регулятора оборотов гребного вала - n формируется сигнал:

n_зд=Δn_зд+K₁(V-V_зд)+ƒ(n,V).

Б. Формируем в блоке коррекции сигналов управления точные законы управления движением судна, если ПУ находится в секторе б) или г) (блока 4-х секторов путевого угла).

1б. Сигнал точного закона управления рулевым приводом - Δδ_кор формируем, используя сигналы (Ф-Ф_зд), dФ/dt из блока разностей:

при наличии сигнала сектора - б) Δδ_кор=-K₅(Ф-Ф_зд)-K₂dФ/dt,

или при наличии сигнала сектора - г) Δδ_кор=+K₅(Ф-Ф_зд)+K₂dФ/dt.

Сигнал - Δδ_кор вводится на вход регулятора рулевого привода - δ, а сигналы K₁(ПУ-ϕ_зд)+K₂ω, подключенные к входу регулятора рулевого привода (из приемника СНС и задатчика маршрута), отключают. На выходе регулятора рулевого привода - δ таким образом формируется сигнал: δ_зд=Δδ_кор.

2б. Сигнал оборотов подруливающего устройства - n_подр формируем, используя сигнал - (Ф-Ф_зд) из блока разностей:

при наличии сигнала сектора - б) n_{подр.зд}=-K₅(Ф-Ф_зд),

или при наличии сигнала сектора - г) n_{подр.зд}=+K₅(Ф-Ф_зд).

Сигнал - n_{подр.зд} вводится на вход регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n_под. Сигнал с выхода регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n_подр вводится на вход подруливающего устройства: n_подр=n_{подр.зд}.

3б. Сигнал коррекции оборотов гребного вала - Δn_зд формируем, используя сигнал - (γ-γ_зд) из блока разностей:

при наличии сигнала сектора - б) Δn_зд=-K₃(γ-γ_зд),

или при наличии сигнала сектора - г) Δn_зд=+K₆(γ-γ_зд),

затем сигнал - Δn_зд вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - n. Сигнал с выхода регулятора оборотов гребного вала - n вводят на вход привода оборотов гребного вала: n_зд=Δn_зд+K₁(V-V_зд)+ƒ(n,V).

Таким образом, сформированы законы точного управления движением судна с использованием регулятора рулевого привода - δ, регулятора оборотов гребного вала - n и регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n_подр. Через интервал времени Δt в блоке сравнения формируется сигнал $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|$$ . Если выполняется условие $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ , то через следующий интервал времени Δt в блоке сравнения формируется сигналя $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le$$ … Через интервал времени mΔt, при выполнении условия | $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ повторяется цикл установки точного управления с использованием текущих данных по широте, долготе и направлению вектора путевого угла (начиная с раздела см.выше: «Б. Формирование точного закона управления)…».

Если через nΔt (где обычно n>m) интервалов времени в блоке сравнения сформируется сигнал $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ , то начнется формирование штатного закона управления.

Аа. Формирование штатного закона управления

В случае перехода на новое направление движения судна (при выполнении условия в блоке сравнениям $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ ) включается штатное управление (переход на штатное управление по заданному путевому углу и заданной скорости хода судна в соответствии с законами управления (1) и (2)) с точного закона управления по широте и долготе). Переход производится при существенном отклонении путевого угла от заданного угла курса: $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ в следующей последовательности:

- сигналы - ПУ и ϕ_зд (из приемника СНС и задатчика маршрута) подключают к входу регулятора: рулевого привода - δ,

- сигналы - V и V_зд (из приемника СНС и задатчика маршрута) подключают к входу регулятора оборотов гребного вала - n,

- сигнал угловой скорости - ω формируют в регуляторе рулевого привода - δ и подключают к его входу,

- сигналы закона точного управления с выхода блока коррекции сигналов управления, подключенные к входу регуляторов: рулевого привода - δ, оборотов гребного вала - n и привода оборотов подруливающего устройства - n_подр, отключают (формируется управление рулевым приводом по закону (1) и приводом оборотов гребного вала по закону (2) (подруливающее устройство отключается).

Через интервал времени Δt в блоке сравнения вновь формируется сигнал $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|$$ и сравнивается с постоянной C₁.

Если $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|>C_1$$ , то через следующий интервал времени Δt вновь формируется сигнал $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|$$ и сравнивается с постоянной C₁… (остается штатное управление).

Если $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ , то формируются сигналы для формирования точных законов управления, т.е. возвращаемся к разделу, см. выше: «Б. Формирование точного закона управления)…».

Система автоматического управления движением судна по заданной траектории (см. фиг.)

Рассмотрим систему автоматического управления движением судна по заданной траектории, структура которой разработана с использованием предлагаемого способа управления движением судна по заданной траектории. К штатному режиму управления движением, при котором в качестве основной информации используются сигналы путевого угла - ПУ и скорости хода V, добавлен режим точного управления с использованием в качестве основной навигационной информации текущей и заданной широты - Ф, Ф_зд и долготы - γ, γ_зд судна).

Система содержит: приемник спутниковой навигационной системы (СНС) - 1, задатчик маршрута - 2, регулятор рулевого привода δ_зд - 3, рулевой привод - 4, регулятор привода оборотов гребного вала n_зд - 5, привод оборотов гребного вала - 6, регулятор оборотов подруливающего устройства n_подр - 7, подруливающее устройство - 8, блок сравнения - 9, блок разностей - 10, блок коррекции сигналов управления - 11, блок 4-х секторов путевого угла - 12, судно - 13 (объект управления). Все связи между блоками системы приведены на фиг. Реализация предлагаемой системы может быть осуществлена с использованием микросхем типа 140-УД 6 и 140 УД-8:

- сумматоры: блоки: 2, 3, 5, 7, 9, 10, 11,

- интегратор 12.

Задатчик маршрута - 2 - программный блок формирования сигналов: заданного значения угла курса и скорости хода, а также заданных широт и долгот для движения по заданной траектории от точки Д к точке Б…

Штатные судовые системы:

- приемник СНС-1 (с возможностью выработки угловой скорости - ω с точностью не ниже 0,05 гр/с, сигнал dϕ/df может формироваться также в регуляторе рулевого привода δ_зд - 3).

- рулевой привод - 4,

- привод оборотов гребного вала - 6,

- подруливающее устройство - 8.

Система автоматически обеспечивает движение корабля по заданной траектории в двух режимах: как при штатном режиме управления, так и при законе точного управления.

1а. Штатный режим управления реализуется по путевому углу - ПУ=ϕ_{зд з}

В регулятор рулевого привода 0-3 вводятся сигналы:

- ПУ - текущего путевого угла (с приемника CHC-1),

- ϕ_зд - заданного (программного) угла курса (с задатчика маршрута - 2),

- ω - угловой скорости судна (которая формируется в регуляторе рулевого привода δ - 3).

Таким образом, формируется закон управления рулевым приводом - 4:

$${\delta }_{зд}=K_1\left(ПУ-{\phi }_{зд}\right)+K_2\omega \left(1\right)$$ ;

где: δ_зд - заданный угол перекладки руля,

ПУ, ϕ_зд(t) - путевой угол и заданный (программный) угол курса, G) - угловая скорость судна,

K₁ K₂ - коэффициенты регулирования;

Сигнал δ_зд в зависимости (1) (с выхода регулятора рулевого привода - 3) вводится на вход рулевого привода - 4, это обеспечивает вывод судна на путевой угол - ПУ, равный заданному (программному) углу курса - ϕ_зд.

1б. Типовое (штатное) управление скоростью хода судна - V=V_зд.

Для управления скоростью хода судна используют сигналы заданной скорости хода - V_зд (из задатчика маршрута - 2) и текущей скорости хода - V (из приемника СНС - 1), которые вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - 5 (на выходе регулятора - 5 формируется закон управления приводом оборотов гребного вала - 6):

n_зд=K₁(V-V_зд)+ƒ(n,V), где:

n_зд - заданные обороты гребного вала,

ƒ(n, V) - штатный закон управления приводом гребного вала - 6,

(V-V_зд) - сигнал рассогласования по скорости хода судна.

Штатный закон управления (1) и (2) формируется в системе только при величине модуля рассогласования - путевого угла - ПУ (из приемника СНС-1) и заданного угла курса - ϕ_зд (из задатчика маршрута - 2) больше С₁: $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|>C_1$$ . Эта зависимость формируется в блоке сравнения - 9 и только при выполнении этого условия формируется штатный закон управления (1), (2) в регуляторе рулевого привода - 3 и регуляторе привода оборотов гребного вала - 5.

Формирование и использование закона точного управления движением судна производится при удовлетворении зависимости: $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|\le C_1$$ , которая может вырабатываться в блоке сравнения - 9 вместо зависимости $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|>C_1$$ . При этом в блок разностей - 10 из приемника СНС - 1 поступит текущая широта - Ф и долгота - 7, а из задатчика маршрута - 2 - заданная широта - Ф_зд и заданная долгота - γ_зд Для формирования сигналов: (Ф-Ф_зд), (γ-γ_зд) и сигналов, производных от сигналов широты - dФ/dt и долготы - dγ /dt, которые вводятся в блок коррекции законов управления - 11, в блок коррекции законов управления - 11 также вводится сигнал одного из четырех секторов, в котором находится вектор путевого угла а), или б), или в), или г) (из блока 4-х секторов путевого угла - 12). Для формирования в блоке - 12 сигнала одного из четырех секторов, в котором находится вектор путевого угла., сигнал путевого угла - ПУ (из приемника СНС) вводится в блок - 12. В блоке коррекции сигналов управления - 11 по сигналу сектора: а), или б) или в) или г) (из блока 12), а также сигналам разностей (Ф-Ф_зд) и (γ-γ_зд) и сигналам производных от сигналов широты - dФ/dt и долготы - dγ/dt из блока разностей 10 формируют законы точного управления в регуляторах:

1. рулевого привода - δ - 3 - Δδ_кор, которые вводятся в регулятор - 3, а сигналы K₁(ПУ-ϕ_зд)+K₂ω отключают (раннее подключенные к входу регулятора - 3 при штатном управлении),

2. оборотов подруливающего устройства - n_подр - 7. сигнал - n_{подр.зд} - формируется в регуляторе - 7.

3. оборотов гребного вала n_зд - 5 сигнал - Δn_зд - формируется в регуляторе - 5.

(Формирование сигналов Δδ_кор, n_{подр.зд}, Δn_зд - подробно рассмотрено в описании изобретения.)

При выработке в блоке сравнения - 9 неравенства $$\left|ПУ-{\phi }_{зд}\right|>C_1$$ :

- сигналы корректировки трех законов точного управления из блоке - 11. отключают от регуляторов: - 3, 5 и 7,

- в блоке 3 сигнал из приемника СНС-1 - ПУ и сигнал из задатчика маршрута - 2 - ϕ_зд подключают к входу регулятора рулевого привода - 4,

- формируют в блоке 3 сигнал ω, который вводят на вход регулятора - 4, возвращаясь тем самым к закону штатного управления (1),

- отключают привод подруливающего устройства - 8.

Моделирование рассмотренного выше способа автоматического управления движением судна подтвердило его работоспособность, а следовательно, и высокую эффективность использования предложенного способа управления движением судна по заданной траектории.

Способ управления движением судна по широте и долготе позволяет управлять движением судна по заданной траектории с корректировкой скорости движения по времени. Корректировка по времени обеспечивает нахождение судна в заданной точке в заданное время. Использование в качестве навигационной информации широт и долгот повышает точность управления движением как в пространстве, так и во времени. Точное управление с использованием текущих и заданных во времени широт и долгот судна реализуется с учетом текущего нахождения путевого угла в одном из четырех секторов в диапазоне от 0° до 360°. При больших угловых изменениях заданной траектории движения обеспечивается автоматический переход на штатное управления движением по заданному путевому углу и заданной скорости хода судна. Достигается минимизация отклонения судна от заданной траектории, повышение экономичности и безопасности управления движением, прохождение судна в узкостях и управление перехода на типовое (штатное) движение судна. 1 ил.

Способ управления движением судна по широте и долготе, основанный на использовании: приемника спутниковой навигационной системы (СНС), задатчика маршрута, регулятора рулевого привода - δ, рулевого привода, регулятора привода оборотов гребного вала - n, привода оборотов гребного вала; сигналы путевого угла - ПУ (из в приемника СНС) вводят на вход регулятора рулевого привода - δ, сигнал скорости хода судна - V (из приемника СНС) вводят на вход регулятора привода оборотов гребного вала - n, сигнал заданного угла курса - φ_зд (из задатчика маршрута) вводят на входы регулятора рулевого привод - δ, сигнал заданной скорости хода - V_зд (из задатчика маршрута) вводят на вход регулятора привода оборотов гребного вала - n, сигнал заданного угла перекладки руля - δ_зд (из регулятора рулевого привода - δ) вводят на вход рулевого привода, сигнал заданных оборотов гребного вала - n_зд (из регулятора привода оборотов гребного вала - n) вводят на вход привода оборотов гребного вала, отличающийся тем, что используют блок 4^х секторов путевого угла, регулятор оборотов привода подруливающего устройства - n_подр, подруливающее устройство, блок сравнения, блок разностей и блок коррекции сигналов управления; сигнал - ПУ (из приемника СНС) и сигнал - φ_зд (из задатчика маршрута) вводят на вход блока сравнения, в котором формируют модуль разности сигналов |ПУ-φ_зд| и сравнивают с постоянной С₁, если |ПУ-φ_зд|>C₁, то сигналы ПУ и φ_зд отключают от входа блока сравнения, через интервал времени Δt сигналы: ПУ и φ_зд вводят в блок сравнения, формируют модуль разности сигналов |ПУ-φ_зд| и сравнивают с постоянной C₁, если |ПУ-φ_зд|>C₁, то вновь через интервалы времени Δt в блоке сравнения повторяют операцию сравнения,
если |ПУ-φ_зд|≤C₁, то производится формирование точного управления: в блоке разностей из сигналов текущей широты судна - Ф (из приемника СНС) и заданной широты судна - Ф_зд (из задатчика маршрута), текущей долготы судна - γ (из приемника СНС) и заданной долготы - γ_зд (из задатчика маршрута) формируют сигналы разности (Ф-Ф_зд), (γ-γ_зд) и сигналы производных от сигналов широты - dФ/dt и долготы - dγ/dt. Сформированные сигналы: (Ф-Ф_зд), (γ-γ_зд), dФ/dt и dγ/dt вводят в блок коррекции сигналов управления; в блок 4^х секторов путевого угла вводят сигнал - ПУ (из приемника СНС) и по сигналам углов граничных значений четырех секторов (введенных в блок 4^х секторов путевого угла), в котором находится - ПУ:
а) (-π/4)=+7π/4 <ПУ<+π/4,
б) или +π/4 <ПУ<+3π/4,
в) или +3π/4 <ПУ<+5π/4,
г) или +5π/4 <ПУ<+7π/4=(-π/4);
формируют сигнал одного из четырех секторов: а), или б), или в), или г), в котором находится ПУ; в блок коррекции сигналов управления вводят сигнал этого сектора, формируют сигналы законов точного управления: рулевым приводом, приводом подруливающего устройства, приводом гребного вала, когда путевой угол - ПУ находится в секторе: а), или б), или в), или г):
- сигнал закона управления рулевым приводом - Δδ_кор (при нахождении путевого угла ПУ в секторе а) или в), используя сигналы: (γ-γ_зд), dγ/dt из блока разностей):
при наличии сигнала сектора а) Δδ_кор=-К₁(γ-γ_зд)-К₂ dγ/dt,
или при наличии сигнала сектора в) Δδ_кор=+К₁(γ-γ_зд)+К₂ dγ/dt,
сигнал Δδ_кор вводится на вход регулятора рулевого привода - δ, а сигналы К₁ (ПУ-φ_зд)+К₂ ω_зд, подключенные к входу регулятора рулевого привода - δ (из приемника СНС и задатчика маршрута), отключают (сигнал на выходе регулятора управления рулевым приводом принимает вид: δ_зд=Δδ_кор, этот сигнал вводится на вход рулевого привода - δ),
- сигнал оборотов привода подруливающего устройства - n_{подр.зд} (при нахождении путевого угла ПУ в секторе а) или в), используя сигнал - (γ-γ_зд) из блока разностей:
при наличии сигнала сектора а) n_{подр.зд}=-К₃(γ-γ_зд),
или при наличии сигнала сектора в) n_{подр.зд}=+К₃(γ-γ_зд),
сигнал - n_{подр.зд} формируется в регуляторе оборотов привода подруливающего устройства - n_подр, сигнал управления приводом оборотов подруливающего устройства при этом принимает вид: n_подр=n_{подр.зд}, который вводится на вход приводом оборотов подруливающего устройства;
- сигнал коррекции оборотов гребного вала - Δn_зд (при нахождении путевого угла ПУ в секторе а) или в), используя сигнал - (Ф-Ф_зд) из блока разностей):
при наличии сигнала сектора a) Δn_зд=-К₄(Ф-Ф_зд),
или при наличии сигнала сектора в) Δn_зд=+К₄(Ф-Ф_зд),
сигнал - Δn_зд вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - n, сигнал закона управления оборотами гребного вала принимает вид:
n_зд=Δn_зд+К₁(V-V_зд)+f(n, V),
сформированный в регуляторе оборотов гребного вала - n, сигнал - n_зд вводится на вход привода оборотов гребного вала;
- сигнал управления рулевым приводом вида - Δδ_кор (при нахождении путевого угла ПУ в секторе б) или г), используя сигнал - (Ф-Ф_зд), dФ/dt из блока разностей):
при наличии сигнала сектора б) Δδ_кор=+К₃(Ф-Ф_зд)+К₆ dФ/dt
или при наличии сигнала сектора г) Δδ_кор=-К₅(Ф-Ф_зд)К₆ dФ/dt, сигнал - Δδ_кор вводится на вход регулятора рулевого привода - δ, а сигналы: К₁(ПУ-φ_зд)+К₂ ω, подключенные к входу регулятора рулевого привода (из приемника СНС и задатчика маршрута), отключают, управление рулевым приводом принимает вид: δ_зд=Δδ_кор, этот сигнал вводится на вход рулевого привода - δ;
- сигнал оборотов привода подруливающего устройства (при нахождении путевого угла ПУ в секторе б) или г), используя сигнал - (Ф-Ф_зд) из блока разностей):
при наличии сигнала - сектора б) n_{подр.зд}=-К₅(Ф-Ф_зд),
или при наличии сигнала - сектора г) n_{подр зд}=+К₅(Ф-Ф_зд),
сигнал - n_{подр.зд} вводится на вход регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n_подр, который затем вводится на вход подруливающего устройства;
- сигнал коррекции оборотов гребного вала - Δn_зд (при нахождении путевого угла ПУ в секторе б) или г), используя сигнал - (γ-γ_зд) из блока разностей):
при наличии сигнала сектора б) Δn_зд=-К₄(γ-γ_зд),
или при наличии сигнала сектора г) Δn_зд=+К₄(γ-γ_зд),
сигнал - Δn_зд вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - n (управление оборотами гребного вала - n принимает вид:
n_зд=Δn_зд+К₁(V-V_зд)+f(n, V), сформированный в регуляторе оборотов гребного вала - n сигнал - n_зд вводится на вход привода оборотов гребного вала;
через интервал времени Δt сигнал путевого угла - ПУ (из приемника СНС) и сигнал заданного угла курса - φ_зд (из задатчика маршрута) вводят в блок сравнения, в котором формируют сигнал модуля разности |ПУ-φ_зд| и сравнивают с постоянной С₁, если модуль разности |ПУ-φ_зд|≤C₁, то через интервал времени Δt сигналы: ПУ и φ_зд вновь вводят в блок сравнения, формируют модуль разности сигналов - |ПУ-φ_зд| и сравнивают с постоянной C₁, … в момент времени mΔt формируют модуль разности сигналов - |ПУ-φ_зд| и сравнивают с постоянной C₁ и если |ПУ-φ_зд|>С₁, то формируют штатное управление движением судна:
- сигналы - ПУ и φ_зд (из приемника СНС и задатчика маршрута) подключают к входу регулятора рулевого привода - δ,
- сигналы - V и V_зд (из приемника СНС и задатчика маршрута) подключают к входу регулятора оборотов гребного вала - n,
- сигнал угловой скорости - ω формируют в регуляторе рулевого привода - δ и подключают к его входу,
- сигналы с выхода блока коррекции сигналов управления, подключенные к входу регуляторов: рулевого привода - δ, оборотов гребного вала - n и оборотов подруливающего устройства - n_подр, отключают (таким образом формируется управление рулевым приводом по закону (1) и приводом оборотов гребного вала по закону (2)) через интервал времени Δt в блоке сравнения вновь формируют сигнал |ПУ-φ_зд|, сравнивают с постоянной C₁ и если |ПУ-φ_зд|>С₁, то через интервал времени Δt вновь формируется сигнал модуля |ПУ-φ_зд|… (остается штатное управление), в момент времени nΔt при выполнении условия |ПУ-φ_зд|≤С₁ формируют точное управление:
в блоке разностей из сигналов текущей широты судна - Ф (из приемника СНС) и заданной широты судна - Ф_зд (из задатчика маршрута), текущей долготы судна - γ (из приемника СНС) и заданной долготы - γ_зд (из задатчика маршрута) формируют сигналы разности (Ф-Ф_зд), (γ-γ_зд) и сигналы производных от сигналов широты - dФ/dt и долготы - dγ/dt. Сформированные сигналы: (Ф-Ф_зд), (γ-γ_зд), dФ/dt и dγ/dt вводим в блок коррекции сигналов управления; в блок 4^х секторов путевого угла вводят сигнал - ПУ (из приемника СНС) и по сигналам углов граничных значений четырех секторов (введенных в блок 4^х секторов путевого угла), в котором находится - ПУ:
а) (-π/4)=+7π/4 <ПУ<+π/4,
б) или +π/4 <ПУ<+3π/4,
в) или +3π/4 <ПУ<+5π/4,
г) или +5π/4 <ПУ<+7π/4=(-π/4);
формируют сигнал одного из четырех секторов: а), или б), или в), или г), в котором находится ПУ; в блок коррекции сигналов управления вводят сигнал этого сектора, формируют сигналы законов точного управления: рулевым приводом, приводом подруливающего устройства, приводом гребного вала, когда путевой угол - ПУ находится в секторе: а), или б), или в), или г):
- сигнал закона управления рулевым приводом - Δδ_кор (при нахождении путевого угла ПУ в секторе а) или в), используя сигналы: (γ-γ_зд), dγ/dt из блока разностей):
при наличии сигнала сектора а) Δδ_кор=-К₁(γ-γ_зд)-К₂ dγ/dt,
или при наличии сигнала сектора в) Δδ_кор=+К₁(γ-γ_зд)+К₂ dγ/dt,
сигнал Δδ_кор вводится на вход регулятора рулевого привода - δ, а сигналы К₁(ПУ-φ_зд)+К₂ ω_зд, подключенные к входу регулятора рулевого привода - δ (из приемника СНС и задатчика маршрута), отключают (сигнал на выходе регулятора управления рулевым приводом принимает вид: δ_зд=Δδ_кор, этот сигнал вводится на вход рулевого привода - δ),
- сигнал оборотов привода подруливающего устройства - n_{подр.зд} (при нахождении путевого угла ПУ в секторе а) или в), используя сигнал - (γ-γ_зд) из блока разностей):
при наличии сигнала сектора а) n_{подр.зд}=-К₃(γ-γ_зд),
или при наличии сигнала сектора в) n_{подр.зд}=+К₃(γ-γ_зд),
сигнал - n_{подр.зд} формируется в регуляторе оборотов привода подруливающего устройства - n_подр, сигнал управления приводом оборотов подруливающего устройства при этом принимает вид: n_пoдp=n_{подр.зд}, который вводится на вход приводом оборотов подруливающего устройства;
- сигнал коррекции оборотов гребного вала - Δn_зд (при нахождении путевого угла ПУ в секторе а) или в), используя сигнал - (Ф-Ф_зд) из блока разностей):
при наличии сигнала сектора а) Δn_зд=-К₄(Ф-Ф_зд),
или при наличии сигнала сектора в) Δn_зд=+К₄(Ф-Ф_зд),
сигнал - Δn_зд вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - n, сигнал закона управления оборотами гребного вала принимает вид:
n_зд=Δn_зд+К₁(V-V_зд)+f(n, V),
сформированный в регуляторе оборотов гребного вала - n, сигнал - n_зд вводится на вход привода оборотов гребного вала;
- сигнал управления рулевым приводом вида - Δδ_кор (при нахождении путевого угла ПУ в секторе б) или г), используя сигнал - (Ф-Ф_зд), dФ/dt из блока разностей);
при наличии сигнала сектора б) Δδ_кор=+К₅(Ф-Ф_зд)+К₆ dФ/dt
или при наличии сигнала сектора г) Δδ_кор=-К₅(Ф-Ф_зд)-К₆ dФ/dt,
сигнал - Δδ_кор вводится на вход регулятора рулевого привода - δ, а сигналы: К₁(ПУ-φ_зд)+К₂ ω, подключенные к входу регулятора рулевого привода (из приемника СНС и задатчика маршрута), отключают, управление рулевым приводом принимает вид: δ_зд=Δδ_кор, этот сигнал вводится на вход рулевого привода - δ;
- сигнал оборотов привода подруливающего устройства (при нахождении путевого угла ПУ в секторе б) или г), используя сигнал - (Ф-Ф_зд) из блока разностей):
при наличии сигнала сектора б) n_{подр.зд}=-К₅(Ф-Ф_зд),
или при наличии сигнала сектора г) n_{подр.зд}=+К₅(Ф-Ф_зд),
сигнал - n_{подр.зд} вводится на вход регулятора привода оборотов подруливающего устройства - n_подр, который затем вводится на вход подруливающего устройства;
- сигнал коррекции оборотов гребного вала - Δn_зд (при нахождении путевого угла ПУ в секторе б) или г), используя сигнал - (γ-γ_зд) из блока разностей):
при наличии сигнала сектора б) Δn_зд=-К₄(γ-γ_зд),
или при наличии сигнала сектора г) Δn_зд=+К₄(γ-γ_зд),
сигнал - Δn_зд вводят на вход регулятора оборотов гребного вала - n (управление оборотами гребного вала - n принимает вид:
n_зд=Δn_зд+К₁(V-V_зд)/+f(n, V), сформированный в регуляторе оборотов гребного вала - n сигнал - n_зд вводится на вход привода оборотов, через интервал времени Δt сигналы: ПУ и φ_зд вводят в блок сравнения, формируют модуль разности сигналов |ПУ-φ_зд| и сравнивают с постоянной С₁.