RU174602U1 - Система автоматического управления движением судна с оценкой внешнего возмущения - Google Patents

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области автоматизации судостроения -автоматическому управлению. Система управления движением судна с оценкой внешних возмущений ϕпозволяет эффективно автоматически управлять движением судна по курсу как при спокойном море, так и при сильном морском волнении благодаря введения в закон автоматического управления циклически перестраиваемой оценки внешних возмущений ϕПерестройка закона управления курсом судна производится в блоке перестройки где циклически корректируется оценкой внешних возмущений ϕ:- если разность сигналов текущего курса ϕ и заданного значения курса ϕменьше допустимой величины- если разность сигналов текущего курса ϕ и заданного значения курса ϕбольше допустимой величиныПри удовлетворении условия (1) закон управления остается неизменным в течение последующего функционирования системы управления в интервале времени 2 ΔT.Спустя интервал времени 2 ΔТ в блоке перестройки по сигналам датчика курса и задатчика курса вновь формируется условие (1) или (2). 1 ил.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области автоматизации судостроения - автоматическому управлению движением судна.

Известна система автоматического управления движением судна (SU 468831 А, МПК В63b 39/00), в которой формируется пропорционально-дифференциальный «ПД» закон управления рулевым приводом судна - d/dt δ_зд:

d/dt δ_зд=К₁θ+К₂d/dtθ-К₃δ,

где θ, - сигнал угла крена судна,

δ, δ_зд - текущее и заданное значение угла перекладки руля.

Известна система автоматического управления движением судна, (RU 2292289 С1, 27.01.2007), принятая в качестве прототипа, в которой автоматическое управление движением судна осуществляется с «ПД» законом управления. Система содержит: блок формирования закона управления: сумматор, рулевой привод, блок выработки угловой скорости судна, датчик руля, датчик и задатчик курса.

Известные системы автоматического управления движением судна при спокойном море и безветрии обеспечивают точное движение по заданному направлению, однако при волнении на море с появлением внешних возмущений создаются недопустимые условия эксплуатации т.к. в законе управления не учитываются воздействия от внешних возмущений. Внешние возмущения, воздействующие на судно трудно измеряемы и зависят от многих переменных факторов:

- характера волнения и ветра,

- направления движения судна относительно внешнего возмущения,

- скорости хода судна,

- угла тангажа, и др.

Таким образом, применение «ПД» закона управления (оптимального только для спокойного моря!) при наличии внешних возмущений приводит:

- к появлению смещения направления движения судна относительно заданного генерального курса,

-к появлению ошибки относительно заданного направления движения судна, что при автоматическом управлении снижает качество (точность) управления особенно это важно при прохождении узкостей.

Техническим результатом, предлагаемой системы автоматического управления движением судна с компенсацией внешних возмущений - ϕ_{корр.ср} является:

- восстановление сигнала оценки воздействия текущего внешнего возмущения на процесс движения судна,

- коррекции «ПД» закона путем введения в закон управления сигнала оценки воздействия усредненного внешнего возмущения - ϕ_{корр.ср.}

Технический результат достигается тем, что система автоматического управления движением судна с оценкой внешнего возмущения - ϕ_{корр.ср}, содержит: датчик руля 1, задатчик курса 2., датчик курса 3., измеритель угловой скорости 5., рулевой привод 6. и регулятор 4., выход которого подключен к рулевому приводу 6., к входу регулятора 4. подключены: датчик руля 1., задатчик курса 2., датчик курса 3. и измеритель угловой скорости 5., на выходе регулятора 4. формируется зависимость (1а) которая поступает на вход рулевого привода 6. Система включает блок разности 7., интегратор 9., блок оценки внешнего возмущения ϕ_{корр.ср}, 10 ячейку памяти 11. и. блок перестройки 8., к входу которого подключены задатчик курса 2. и датчик курса 3., в блоке перестройки 8. формируется условие (2.) или (2а.), при удовлетворении условия (2а) система автоматического управления движением продолжает функционировать интервал времени 2ΔТ, спустя проработанное время 2ΔТ в блоке перестройки 8, вновь формируется условие (2) или (2а), при удовлетворении условия (2.) из блока перестройки 8. вводится сигнал в блок разности 7. для формирования разности сигналов (ϕ-ϕ_зд.) которая поступает на вход интегратора 9, через интервал времени ΔT на выходе интегратора 9. формируется зависимость (3)., которая поступает в блок оценки внешнего возмущения ϕ_{корр.ср}, 10, где формируется сигнал ϕ_{корр.ср}, в соответствие с зависимостью (3a)., который поступает из блока 10. в ячейку памяти. 11., выход ячейки памяти подключен к входу регулятора 4,. при этом на выходе регулятора 4. формируется закон автоматического управления движением судна в соответствие с зависимостью (1a),:

где δ - угол перекладки руля,

ϕ, ϕ_зд.., ϕ_{корр.ср} - курс, заданный курс и оценка внешнего возмущения,

ω - угловая скорость судна,

К1, К2, К3, - коэффициенты регулирования,

система управления продолжает функционировать еще интервал времени ΔT,

спустя этот интервал времени ΔT, в блоке перестройки 8. выполнится одно из условий по зависимости (2.) или (2а.), если выполнится условие (2.),

из блока перестройки 8. поступит сигнал в блок разности 7. на подключение с выхода блока разности 7. сигнала (ϕ-ϕ_зд.) к входу интегратора 9., через интервал времени ΔT функционирования системы сигнал зависимости (3.) с выхода интегратора 9. подключается к блоку оценки внешнего возмущения - ϕ_{корр.ср} 10, где формируется оценка внешнего возмущения по зависимости (3а), сигнал ϕ_{корр.ср} с выход блока оценки внешнего возмущения. 10.. подключится через ячейку памяти 11. к входу регулятора 4., при этом в системе управления сформируется закон управления (1), который будет использоваться следующий интервал времени ΔT, спустя который сигналы ϕ с датчика курса 3 и ϕ_зд с задатчика курса 2. поступят в блок перестройки 8. для формирования условия (2.) или (2а.), если удовлетворится условие (2а.) система автоматического управления движением продолжает функционировать интервал времени 2ΔТ, спустя проработанное время 2ΔТ в блоке перестройки 8, вновь формируется условие (2) или (2а),.… циклы перестройки повторяются через интервалы времени 2ΔТ.

Технический результат достигается путем:

- формирования оценки среднего внешнего возмущения К1ϕ_{корр.ср}, и дополнения «ПД» закона управления сигналом оценки среднего значения внешнего возмущения - К_1.ϕ_{корр.ср}.:

где: δ - угол перекладки руля,

ϕ,ϕзд - текущий угол курса, заданный курс,

ϕ_{корр..ср} - оценка среднего значения внешнего возмущения

ω - угловая скорость судна,

К1, К2, К3, - коэффициенты регулирования.

Рассмотрим особенности построения предлагаемого закона управления (1).

1. При отсутствии внешних возмущений (К_1.ϕ_{корр.ср}=0) формируется типовой «ПД» закон управления рулевым приводом судна dδ/dt (1a):

где: δ - угол перекладки руля,

ϕ, ϕ _зд - текущий угол курса и заданный угол курса,

ω - угловая скорость судна.

2. Формирование оценки среднего значения внешних возмущений ϕ_{корр.ср.} (осуществляется циклически в интервалах времени ΔТ).

В момент времени Т₀ (текущее время t=Т₀=0, внешнее возмущение превышает допустимое значение) с задатчика курса ϕ_зд. 2. и датчика курса ϕ3. в блок перестройки 8.,. поступают сигналы ϕ и ϕ_зд.. для формирования условия (2) или (2а).:

а) Если в блоке перестройки 8. выполняется условие (2), то в блоке 8. формируется командный сигнал в блок разности 7. на создание разности сигналов (ϕ-ϕ_зд.) и подключения ее к входу интегратора 9.(на интервал времени ΔТ).

Спустя интервал времени работы системы ΔT. в момент времени: T₁=Т₀+ΔТ с выхода интегратора 9.. поступит сигнал (3).:

где Т₀ момент времени начала работы системы (t_{текущее}=Т₀=0).,

к входу блока оценки внешних возмущений ϕ_{корр.ср}, 10 где сигнал по зависимости (3). преобразуется в сигнал среднего значения оценки внешних возмущений ϕ_{корр.ср}. в интервале времени ΔТ=(Т1-Т₀):

Сигнал среднего значения оценки внешних возмущений - ϕ_{корр.ср.} из блока 10. запоминается в ячейке памяти 11. и поступает с нее на вход регулятора - 4. (где формируется закон управления скоростью движения корабля (1), в закон введен сигнал оценки внешнего возмущения ϕ_{корр.ср}, система с использованием закона управления скоростью движения корабля (1) продолжает функционировать следующий интервал времени ΔT, до момента времени: Т₂=T₁+ΔT.).

б). В момент времени: T₂ на вход блока перестройки 8. поступают сигналы ϕ и ϕ_зд. с датчика курса 3. и задатчика курса 2. Если в блоке перестройки 8. выполняется условие (2). то сигнал разности (ϕ-ϕ_зд) с блока разности 7. поступает на вход интегратора 9. Через интервал времени ΔT., в момент времени Т₃=Т₂+ΔT в интеграторе 9 формируется зависимость (3.1):

которая с выхода интегратора 9. водится на вход блока оценки внешних возмущений 10, где преобразуется в сигнал среднего значения оценки внешних возмущений ϕ_{корр.ср}. (3.1а) в интервале времени ΔТ=(Т₃-Т₂):

Сигнал среднего значения оценки внешних возмущений - ϕ_{корр.ср}. запоминается в ячейке памяти 11., выход которой подключен к входу регулятора - 4. на выходе регулятора 4., при этом сохраняется закон управления скоростью движения корабля (1).

Система управления с законом управления (1). продолжает функционировать интервал времени ΔТ(до момента времени: Т₃=Т₂+ΔТ.).

в) В момент времени: T₃. на вход блока перестройки 8. поступают сигналы ϕ и ϕ_зд. с датчика курса 3. и задатчика курса 2. Если в блоке перестройки 8. выполняется условие (2а)., то через интервал времени 2ΔТ функционирования системы (в момент времени Т₄=Т₃+2ΔТ), на вход блока перестройки 8. поступают сигналы ϕ и ϕ_зд. с датчика курса 3. и задатчика курса 2. Если в блоке перестройки 8. выполняется условие (2а)., то через интервал времени 2ΔТ.(в момент времени Т₅=Т₄+2ΔT), на вход блока перестройки 8. поступают сигналы ϕ и ϕ_зд., которые с выхода блока перестройки 8. вводятся в блок разности 7, где формируется разность сигналов (ϕ-ϕ_зд.), которая с выхода блок разности 7. поступает на вход интегратора 9. На выходе интегратора 9. через интервал времени ΔT, в момент времени Т₆=Т₅+ΔT формируется среднее значение оценки внешних возмущений - ϕ_{корр.ср}, которое поступает через ячейку памяти 11. на вход сумматора 4., где формируется закон управления (1.). с корректированным значением ϕ_{корр.ср} на интервале времени T₆=Т₅+ΔТ.…

Рассмотрим, как функционирует предложенная полезная модель с оценкой ϕ_{корр.ср}. (см. блок схему)

Полезная модель содержит: датчик руля 1, задатчик курса 2., датчик курса 3., регулятор 4., измеритель угловой скорости 5, рулевой привод 6., блок разности 7., блок перестройки 8., интегратор 9., блок оценки внешнего возмущения - ϕ_{корр.ср}. 10. ячейку памяти 11., объект управления - судно 12..

Судоводитель устанавливает заданное направление движения судна ϕ_зд (заданный курс, используя задатчик курса 2), тем самым вводя сигнал заданного значения курса на вход регулятора 4., на входы которого поступают сигналы:

- ϕ, ω - курса и угловой скорости, с выхода датчика курса 3. и измерителя угловой скорости 5,

- δ - угол перекладки руля, с выхода датчика руля 1,

- ϕ_{корр.ср}.. - оценка внешнего возмущения - ϕ_{корр.ср}, с выхода блока оценки внешнего возмущения - ϕ_{корр.ср} 10., через ячейку памяти 11.,

- ϕ_зд. - заданный курс, поступает с задатчика курса - ϕ_зд. 2.

На выходе регулятора 4. формируется закон управления рулевым приводом 6. (1.). Рулевой привод 6. осуществляет при этом автоматическое управление движением судна по заданному направлению ϕ=ϕ_зд., с учетом оценки внешнего возмущения ϕ_{корр.ср}.

Циклически через интервал времени ΔT или 2ΔТ моменты времени T_i - сигналы ϕ и ϕ_зд. с датчика курса 3. и задатчика курса 2. вводятся в блок перестройки 8., где формируются неравенства (2) или (2а).

а) Если формируется неравенство (2) (удовлетворяется в блоке перестройки 8.), то из блока перестройки 8. поступает командный сигнал в блок разности 7., при этом с выхода блока разности 7. сигнал (ϕ-ϕ_зд) поступит на вход интегратора 9. в момент времени T_i-1. На выходе интегратора 9. через интервал времени ΔТ. в момент времени Т_i=T_i-1+ΔТ формируется зависимость:

, которая вводится на вход блока оценки внешнего возмущения 10. где формируется ϕ_{корр.ср} на выходе блока внешнего возмущения 10. сигнал ϕ_корр. (полученный в соответствие с зависимостью (3ai.), поступает на вход регулятора 4.. На выходе регулятора 4. формируется закон управления скоростью хода корабля с компенсацией внешних возмущений (1)).

б) Если удовлетворяется неравенство (2а)) (удовлетворяется в блоке перестройки 8.),то спустя интервал времени 2ΔТ (время последующего функционирования системы управления скоростью движения корабля) сигналы ϕ и ϕ_зд. с датчика курса 3. и задатчика курса 2. вводятся в блок перестройки 8., где формируются неравенство (2) или (2а). …циклы перестройки повторяются в процессе дальнейшего функционирования системы.

Claims (19)

1. Система автоматического управления движением судна с оценкой внешнего возмущения ϕ_{корр.ср}, содержащая датчик руля, задатчик курса, датчик курса, измеритель угловой скорости, рулевой привод и регулятор, выход которого подключен к рулевому приводу, к входу регулятора подключены датчик руля, задатчик курса, датчик курса и измеритель угловой скорости, на выходе регулятора формируется зависимость (1а), которая поступает на вход рулевого привода, отличающаяся тем, что включает блок разности, интегратор, блок оценки внешнего возмущения ϕ_{корр.ср}, ячейку памяти и блок перестройки, к входу которого подключены задатчик курса и датчик курса, в блоке перестройки формируется условие:
2. 
3. или
4. 

   ,
5. при удовлетворении условия (2а) система автоматического управления движением продолжает функционировать интервал времени 2ΔТ, спустя проработанное время 2ΔТ в блоке перестройки вновь формируется условие (2) или (2а), при удовлетворении условия (2) из блока перестройки вводится сигнал в блок разности для формирования разности сигналов (ϕ-ϕ_зд), которая поступает на вход интегратора через интервал времени ΔТ, на выходе интегратора формируется зависимость:
6. 
7. которая поступает в блок оценки внешнего возмущения ϕ_{корр.ср}, где формируется сигнал ϕ_{корр⋅ср} в соответствии с зависимостью:
8. 
9. который поступает из блока в ячейку памяти, выход ячейки памяти подключен к входу регулятора, при этом на выходе регулятора формируется закон автоматического управления движением судна в соответствии с зависимостью:
10. 

    ,
11. где δ - угол перекладки руля,
12. ϕ, ϕ_зд, ϕ_{корр.ср} - курс, заданный курс и оценка внешнего возмущения,
13. ω - угловая скорость судна,
14. К1, К2, К3 - коэффициенты регулирования,
15. система управления продолжает функционировать еще интервал времени ΔТ, спустя этот интервал времени ΔТ в блоке перестройки выполнится одно из условий по зависимости (2) или (2а), если выполнится условие (2), из блока перестройки поступит сигнал в блок разности на подключение с выхода блока разности сигнала (ϕ-ϕ_зд) к входу интегратора, через интервал времени ΔТ функционирования системы сигнал зависимости с выхода интегратора подключается к блоку оценки внешнего возмущения - ϕ_{корр.ср}, где формируется оценка внешнего возмущения по зависимости (3а), сигнал ϕ_{корр.ср} с выхода блока оценки внешнего возмущения подключится через ячейку памяти к входу регулятора, при этом в системе управления сформируется закон управления:
16. 
17. где θ - сигнал угла крена судна,
18. δ, δ_зд - текущее и заданное значение угла перекладки руля,
19. который будет использоваться следующий интервал времени ΔТ, спустя который сигналы ϕ с датчика курса и ϕ_зд с задатчика курса поступят в блок перестройки для формирования условия (2) или (2а), если удовлетворится условие (2а), система автоматического управления движением продолжает функционировать интервал времени 2ΔТ, спустя проработанное время 2ΔТ в блоке перестройки вновь формируется условие (2) или (2а),… циклы перестройки повторяются через интервалы времени 2ΔТ.

Images