Система управления движением судна с дублированием каналов курса и резервным управлением по курсу Российский патент 2018 года по МПК B63H25/04 

Система управления движением (СУД) судна с дублированием каналов курса и системой резервного управления движением относится к области судостроения. Рассматриваемая СУД. является отказоустойчивой системой, т.к. дополнена трехканальным дублированием линий курса и резервным управлением рулевым приводом судна.

В существующих СУД обычно применяют «ПД» закон управления движением судна, что приводит при появлении внешних возмущений, воздействующих на судно (это морское волнение, ветровые нагрузки), к весьма отрицательным явлениям. Сейчас начали появляться СУД, в которых «ПД» закон управления дополняется сигналом оценки внешнего возмущающего момента - М_возм. (1.1):

где

δ угол перекладки руля,

ϕ, ϕ_зд - текущий курс судна ϕ и заданный угол курса ϕ_зд„

ω - угловая скорость судна,

κ_I=Кl.К2.К3 - коэффициенты регулирования,

М_ВОЗМ. - внешний возмущающий момент.

Известна полезная модель «Система автоматического управления движением судна по заданной траектории» (RU 151140 U1, 20.03.2015). Автоматическое управление движением судна основано на использовании информации от приемника навигационной системы текущего курса ϕ, датчика угловой скорости ω, задатчика угла курса ϕ_зд.., датчика руля - δ и сумматора, в котором по сигналам: текущего курса, заданного курса, угловой скорости судна и угла перекладки руля формируется «ПД» закон управления рулевым приводом судна.

Известна «Система автоматического управления движением судна» (RU 2240953 С1, 27.11.2004). Автоматическое управление движением судна основано на использовании информации от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, блока заданного значения путевого угла (угла курса) и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла, угловой скорости судна формируется «ПД» закон управления рулевым приводом судна.

Система по патенту (RU 157389 U1, 27.11.2015) решает близкую задачу управления движением судна с использованием «ПД» закона управления, который дополнен сигналом оценки внешнего возмущающего момента на судно от морского волнения - М_возм, (патент RU 157389 принят нами в качестве прототипа), см. зависимость (1.1). Прототип содержит информацию от приемника спутниковой навигационной системы (текущего путевого угла - ПУ. или. угла курса ϕ), датчика угловой скорости судна ω, задатчика путевого угла ПУ_зд. (или заданного угла курса ϕ_зд), датчика руля - δ, оценки внешнего возмущающего момента - М_возм и сумматора, в котором перечисленные сигналы суммируют и вводят на вход рулевого привода. Так формируется автоматическое управление по заданному курсу ϕ_зд.

Однако существующие СУД, которые при спокойном море и безветрии обеспечивают точное управление движением по заданному направлению, при появлении волнения на море создают недопустимые условия работы рулевого привода и снижают скорость хода судна, поэтому дополнение «ПД» закона управления сигналом оценки внешнего возмущения необходимо, что позволит существенно повысить качество управления (важно, при этом, сформировать высококачественный сигнал оценки внешнего возмущения, что усложняет СУД, снижает надежность и требует построения отказоустойчивой СУД!).

Таким образом, применение известных СУД, которые дополнены блоком внешнего возмущения, допустимо только при переводе их в отказобезопасные СУД.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:

- введение тройного резервирования каналов заданного угла курса и текущего курс судна, формирования среднего заданного угла курса ϕ_{зд ср}. и среднего курса судна ϕ_ср.,

- дополнение СУД резервным каналом автоматического управления движением судна по заданному курсу.

Технический результат достигается тем, что система правления движением судна с дублированием каналов курса и резервным управлением движения содержит датчик руля δ, 1, датчик дифференцирования ω. 2., блок логики 3., три задатчика угла курса ϕ_зд. 1а., 2а., 3а, первый сумматор 4., блок среднего заданного угла курса 4а, блок оценки возмущающего момента М_возм. 5., дифференциатор 6., три датчика курса судна ϕ 5а., 6а, 7а., второй сумматор 7., рулевой привод 8., объект управления - судно 9., блок среднего курса судна ϕ_ср. 8а., к входу которого подключены три датчика курса судна ϕ 5а, 6а и 7а, к входу первого сумматора 4. подключены:

- датчик руля δ, 1*

- датчик дифференцирования ω. 2,

- блок среднего заданного угла курса ϕ_зд.._ср., 4а,

- блок среднего курса судна ϕ_ср. 8а.,

- блок оценки возмущающего момента М_возм. 5.,

выход первого сумматора 4. подключен к входу блока логики 3,

к входу второго сумматора 7. подключены:

- блок среднего заданного угла курса ϕ_зд.._ср., 4а.,

- дифференциатор 6., вход которого соединен с выходом блока среднего курса судна ϕ_сρ 8а,

- блок среднего курса судна ϕ_ср., 8а., выход второго сумматора 7. подключен к входу блока логики 3.. выход блока логики 3. подключен к входу рулевого привода 8., в блоке логики 3. формируется модуль от неравенства (3).

где ϕ_ср.. - средний курс судна с блока среднего курса судна ϕ_ср. 8а.,

ϕ_зд.._ср. - средний заданный угол курса с блока ϕ_зд.._ср. 4а,

Δ_уст.=const.,

если неравенство (3 ) удовлетворяется, выход первого сумматора 4. через блок логики 3. подключается к входу рулевого привода 8., формируя типовое управление движением судна (1)., если неравенство (3) не удовлетворяется, выход второго сумматора 7. через блок логики 3. подключает к входу рулевого привода 8., сигнал с законом резервного управления .(2.)., вместо зависимости. (1.).

* только для крупных судов с инерционным рулевым приводом.

Технический результат достигается благодаря дополнения СУД:

- тремя задатчиками угла курса ϕ_зд. 1а., 2а., 3а. и блоком среднего заданного угла курса ϕ_зд._ср,, 4а,

- тремя датчиками курса судна ϕ 5а, 6а., 7а. и блоком среднего курса судна ϕ_ср. 8а.,

- блоком логики 3. (для диагноза сбоя и переключения основного типового закона управления движением судна, сформированного в соответствии с зависимостью (1):

где δ угол перекладки руля,

ϕ_ср., ϕ_зд.._ср. - средний курс судна ϕ_ср. и средний заданный угол курса ϕ_зд,_ср..,

ω - угловая скорость судна,

К_i - К1.К2. коэффициенты регулирования,

М_ВОЗМ. - внешний возмущающий момент,

- автоматическим переходом на резервный закон автоматического управления, который сформирован по зависимости (2).:

где: δ - угол заданной перекладки руля,

ϕ_ср., ϕ_зд.._ср. - средний курс судна ϕ_ср. и средний заданный угол курса ϕ_зд.._ср.,

ω - угловая скорость судна, формируется в дифференциаторе 6.,. вход которого подключен к выходу блока среднего курса судна 8а.,

К_ι - К1.,К2. коэффициенты регулирования,

dδ/dt - заданная угловая скорость руля (для ряда рулевых приводов 8. заменяется заданным углом перекладки руля - δ_зд.).

Таким образом, при появлении сбоя в СУД управление движением судна с использованием типового закона управления (1) переводится на резервный закон управления (2).

На чертеже представлена блок-схема СУД судна.

Предлагаемая СУД судна с дублированием каналов курса и резервным управлением движением судна содержит датчик руля δ, 1, датчик дифференцирования ω. 2., блок логики 3., три задатчика угла курса ϕ_зд. 1а., 2а., 3а, первый сумматор 4., блок среднего заданного угла курса. 4а, блок оценки возмущающего момента М_возм. 5., дифференциатор 6., три датчика курса судна ϕ 5а., 6а, 7а., второй сумматор 7., рулевой привод 8. объект управления - судно 9., блок среднего курса судна ϕ_ср. 8а., к входу которого подключены три датчика курса судна ϕ 5а, 6а и 7а. В блоке 8а с использованием неравенств (8аа) или (8ааа) или (8аааа) или (8ааааа), формируют один сигнал ϕ_ср.), выход блока 8а соединяют с входом первого сумматора 4.

К входу первого сумматора 4. подключены:

- датчик руля δ, 1,

- датчик дифференцирования ω. 2,

- блок среднего заданного угла курса ϕ_зд.._ср., 4а,

- блок среднего курса судна ϕ_ср. 8а.,

- блок оценки возмущающего момента М_возм. 5.,

выход первого сумматора 4. подключен к входу блока логики 3., (на выходе первого сумматора 4. формируется типовой закон управления движением судна (1).

К входу второго сумматора 7. подключены:

- блок среднего заданного угла курса ϕ_зд.._ср., 4а.,

- дифференциатор 6.,

- блок среднего курса судна ϕ_ср. 8а.

на выходе второго сумматора 7. формируется закон резервного управления движением судна (2).

Выход второго сумматора 7. подключен к входу блока логики 3. выход блока логики 3. подключен к входу рулевого привода 8., в блоке логики 3. формируется модуль от неравенства (3).

где ϕ_ср.. - средний курс судна, с блока среднего курса судна ϕ_ср. 8а.,

ϕ_зд.._ср. - средний заданный угол курса, с блока ϕ_зд.._ср. 4а,

Δ_уст.=const.

Если неравенство (3.) удовлетворяется, переключатель каналов управления в блоке логики 3., подключает выход первого сумматора 4., к входу рулевого привода 8., формируя тем самым в СУД судна типовое управление движением судна (1.):

где δ - угол перекладки руля,

ϕ_ср., ϕ_зд.._ср. - средний курс судна ϕ_ср. и средний заданный угол курса ϕ_зд,_ср,

ω - угловая скорость судна,

К_i - К1.К2. коэффициенты регулирования,

М_ВОЗМ.. - внешний возмущающий момент.

Если неравенство (3). не удовлетворяется, переключателем каналов управления в блоке логики 3., подключается второй сумматор 7.. к входу рулевого привода 8., формируя тем самым в СУД судна резервное управление .(2.).;

Формирование основных узлов СУД

1. Особенности вычисления сигнала ϕ_зд.._ср., в блоке 4а и сигнала ϕ_ср. в блоке 8а.

Для построения отказоустойчивой СУД введено:

- тройное дублирование канала заданного угла курса ϕ_зд.,

- тройное дублирование каналов курса судна ϕ.

- диагностирование СУД,

(при обнаружении сбоя в СУД осуществляется автоматический переход на отказоустойчивое резервное управление движением судна).

Формирование сигнала среднего заданного угла курса ϕ_зд.._ср., в блоке 4а.

Для вычисления среднего заданного угла курса ϕ_{зд ср.}, в блоке 4а. формируют три модуля от неравенств (1а) и (2а) и (3а):

где ϕ_зд._1а, ϕ_зд.2а, ϕ_зд.3а.- выходные сигналы трех задатчиков угла курса 1а, 2а, 3а.

Если удовлетворяются все три зависимости (1а) и (2а) и (3а), то в блоке среднего заданного угла курса ϕ_{зд. ср}. 4а. вычисляют значение среднего заданного угла курса ϕ_зд.ср. в соответствии с зависимостью (4аа) и вводят в блок 4а:

(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ_зд.._ср. по п. 1). полностью выполненным).

Если удовлетворяется только одна зависимость из трех: (1а) или (2а) или (3а), пусть это будут:

- неравенство (1а), то в блоке среднего заданного угла курса ϕ_{зд. ср}. 4а. формируют сигнал ϕ_зд.ср. в соответствии с зависимостью (4ааа) и вводят в блок 4а:

(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ_зд.._ср по п. 1.) выполненным),

- или неравенство (2а), то в блоке среднего заданного угла курса ϕ_зд.._ср. 4а. формируют сигнал ϕ_зд.ср. в соответствии с зависимостью (4аааа). и вводят в блок 4а:

(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ_зд.._ср по п. 1.). выполненным).

- или неравенство (3а), то в блоке среднего заданного угла курса ϕ_зд.._ср. 4а. формируют сигнал ϕ_зд.ср. в соответствии с зависимостью (4ааааа) и вводят в блок 4а:

(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ_зд.._ср по п. 1.). выполненным).

Вычисление сигнала среднего курса судна ϕ_ср., в блоке 5а.

Для вычисления среднего курса судна ϕ_ср., в блоке 8а. формируют три модуля от неравенств (5а) и (6а) и (7а):

где

ϕ._5а, ϕ_6а, ϕ_7а. - выходные сигналы трех датчиков курса судна: 5а, 6а, 7а.

Если удовлетворяются все три зависимости (5а) и (6а) и (7а), то в блоке среднего курса судна ϕ_ср. 8а. вычисляют значение среднего курса судна ϕ_ср. в соответствии с зависимостью (8аа) и вводят в блок 8а:

(Затем продолжают процесс проектирования СУД, считая формирование ϕ_ср по п. 1. выполненным).

Если удовлетворяются только одна зависимость из трех (пусть это будут зависимости (5а), то в блоке среднего курса судна ϕ_ср. 8а. формируют сигнал ϕ_ср. в соответствии с зависимостью (8 ааа):

Сигнал ϕ_ср. по зависимости (8.ааа) вводят в блок 8.а. и переходят к следующему пункту построения системы управления движением судна.

Если удовлетворяются другие две зависимости (пусть это будут зависимости (6а) или (7а), которые фиксируют сбой во втором датчике курса судна (6а) или в третьем (7а)„ то в блоке среднего курса судна ϕ_ср. 8.а. формируют сигнал ϕ_ср. в соответствии с зависимостью (8. Аааа):

или если сбой в третьем датчике курса судна, то в соответствии с зависимостью (8.ааааа):

образом при вычислении ϕ_зд.ср. если СУД полностью исправна используют зависимость (4аа), или если в одном из трех задатчиков 1а или 2а или За произошел сбой, то используют зависимости (4ааа) или (4аааа) или (4ааааа).

Сигнал ϕ_ср. формируют аналогично с ϕ_зд.ср. используя зависимости по (8.аа…) или (8.ааааа), вводят в блок 8.а и переходят к следующему пункту построения системы управления движением судна.

Одной из особенностей функционирования, рассматриваемого предложения является использование в процессе плавания переменного объема информации, перестройки структуры узлов и блоков.

2. Законы управления движением судна

а) Формирование типового закона управления движением судна(1) в первом сумматоре 4.

В рассматриваемой полезной модели используется «модернизированный ПД» закон управления в соответствии с зависимостью (1)., который формируется в первом сумматоре 4., учитывающий внешние воздействия на судно при волнении на море,

б). Формирование закона резервного управления (2).

Во втором сумматоре 7. формируется закона резервного управления (2),

где ω - поступает с дифференциатора 6. на пассивных элементах,

ϕ_зд._ср., - поступает с выхода блока среднего заданного угла курса 4а.,

ϕ_ср. - поступает с выхода блока среднего курса судна 8а.,

К₁, К₂ -коэффициенты регулирования.

Отказоустойчивое управления в нем повышено за счет тройного резервирования.

в) Формирование факта сбоя в СУД и переключение на резервное управление при сбое и при изменении ϕ_{зд ср},>C₂.

В блоке логики 3. формируется неравенство (3), состояние которого диагностирует СУД, а при появлении сбоя переключает закон управления с (1) на (2).

Система управления движением судна (СУД) с дублированием каналов курса и резервным управлением движения содержит датчик руля, датчик дифференцирования, блок логики, три задатчика угла курса и три датчика угла курса, два сумматора, блок среднего заданного угла курса, блок оценки возмущающего момента, дифференциатор, соединенный определенным образом с возможностью подключения к входу рулевого привода объекта управления. Обеспечивается повышение надежности и отказоустойчивости СУД. 1 ил.

Система управления движением судна с дублированием каналов курса и резервным управлением движения, характеризующаяся тем, что содержит датчик руля δ, 1, датчик дифференцирования ω. 2., блок логики 3., три задатчика угла курса ϕ_зд. 1а., 2а., 3а, первый сумматор 4., блок среднего заданного угла курса 4а, блок оценки возмущающего момента М_возм.5., дифференциатор 6., три датчика курса судна ϕ 5а., 6а, 7а., второй сумматор 7., рулевой привод 8., объект управления - судно 9., блок среднего курса судна ϕ_ср. 8а., к входу которого подключены три датчика курса судна ϕ 5а, 6а и 7а, к входу первого сумматора 4. подключены:

- датчик руля δ, 1,

- датчик дифференцирования ω. 2,

- блок среднего заданного угла курса ϕ_{зд. ср.}, 4а,

- блок среднего курса судна ϕ_ср. 8а.,

- блок оценки возмущающего момента М_возм.5.,

выход первого сумматора 4. подключен к входу блока логики 3,

ко входу второго сумматора 7. подключены:

- блок среднего заданного угла курса ϕ_{зд. ср.}, 4а.,

- дифференциатор 6., вход которого соединен с выходом блока среднего курса судна ϕ_ср 8а,

- блок среднего курса судна ϕ_ср. 8а., выход второго сумматора 7. подключен к входу блока логики 3. выход блока логики 3. подключен к входу рулевого привода 8., в блоке логики 3. формируется модуль от неравенства (3).

где ϕ_ср.. - средний курс судна с блока среднего курса судна ϕ_ср. 8а.,

ϕ _{зд. ср.} - средний заданный угол курса с блока ϕ _{зд. ср.} 4а,

Δ_уст.=const.,

если неравенство (3) удовлетворяется, выход первого сумматора 4. через блок логики 3. подключается к входу рулевого привода 8., формируя типовое управление движением судна (1).

где

δ - угол перекладки руля,

ϕ_сp., ϕ_{зд. ср.} - средний курс судна ϕ_ср и средний заданный угол курса ϕ _зд,ср..

ω - угловая скорость судна,

Ki-K1.K2. - коэффициенты регулирования,

М_ВОЗМ. - внешний возмущающий момент,

если неравенство (3) не удовлетворяется, выход второго сумматора 7. через блок логики 3. подключает к входу рулевого привода 8., сигнал с законом резервного управления.(2.,).,

где δ - угол заданной перекладки руля,

ϕ_сp, ϕ_{зд. ср.} - средний курс судна ϕ_сp и средний заданный угол курса ϕ_зд.ср.,

ω - угловая скорость судна, формируется в дифференциаторе 6.,. вход которого подключен к выходу блока среднего курса судна 8а.,

K_i-К1.,К2. коэффициенты регулирования,

dδ/dt - заданная угловая скорость руля (для ряда рулевых приводов 8. заменяется заданным углом перекладки руля - δ_зд.),

вместо зависимости (1).