Устройство управления угловым движением судна

 

Изобретение относится к автоматизации управления подвижными объектами, в частности управления движением морских судов. Целью изобретения является повышение надежности функционирования устройства путем снижения уровня шумов в тракте управления рулевым приводом судна. Поставленная задача решается путем введения в устройство блока восстановления угловой скорости, датчика скорости хода и дополнительного сумматора. 1 ил.

Изобретение относится к области автоматического управления подвижными объектами, в частности движением морских судов.

Известно устройство для управления движением судна [1], в котором формируется ПИД-закон управления, сигнал производной получается путем дифференцирования сигнала угла рассогласования по курсу.

Недостатком устройства является сильная зашумленность сигнала угловой скорости судна, что приводит к снижению запаса устойчивости рассматриваемой системы регулирования и слишком большим нагрузкам на рулевой привод при развитом морском волнении.

Устройство [2] отличается от устройства [1] более совершенным переходом с режима маневра на режим стабилизации курса судна, для чего используется блок упрощенной модели судна, с помощью которой удается вырабатывать заданное значение курса, равное будущему "предсказанному" значению по окончании переходного процесса. Устройству [2] присущи недостатки устройства [1].

Известна также система стабилизации курса судна [3], принятая в качестве прототипа, содержащая датчики курса и угла перекладки руля, датчик углового ускорения, выполненный в виде двух разнесенных по судну линейных акселерометров, интеграторов и сумматоров для выработки сигнала угловой скорости судна, и суммирующий усилитель для управления рулевым приводом.

Недостатком системы является корректировка восстановленного сигнала угловой скорости по невязке восстановленного угла рыскания и измеренного приращения угла курса.

Цель изобретения - повышение надежности функционирования устройства путем снижения уровня шумов в тракте управления рулевым приводом.

Для этого в устройство, содержащее датчик перекладки руля и задатчик угловой скорости, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам сумматора-усилителя, выход которого подключен к рулевому приводу, датчик углового ускорения, выход которого подключен к третьему входу сумматора-усилителя и через первый интегратор соединен с четвертым входом сумматора-усилителя, введены первый сумматор, датчик скорости хода и блок восстановления угловой скорости, содержащий второй, третий и четвертый интеграторы, пять множителей и второй сумматор.

Указанные выше отличительные признаки в совокупности обеспечивают появление в заявляемом объекте ряда новых свойств, заключающихся в существенном повышении надежности и качества автоматического управления морским судном. Повышение надежности и качества достигается восстановлением угловой скорости путем интегрирования сигнала углового ускорения и исключения смещения в восстановленном сигнале благодаря введению на вход интегратора невязки восстановленной угловой скорости с блока восстановления и угловой скорости с выхода интегратора.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства управления угловым движением судна.

Устройство содержит датчик 1 углового ускорения, датчик 2 скорости хода, датчик 3 перекладки руля, задатчик 4 угловой скорости, сумматор-усилитель 5, рулевой привод 6, четыре интегратора 7-10, пять блоков 11-15 перемножения, два сумматора 16, 17 и блок 18 восстановления угловой скорости, входы которого соединены с датчиками перекладки руля и скорости хода, а выходы - с входами усилителя-сумматора 5. Датчик 1 углового ускорения подключен через интегратор 7 и сумматор-усилитель 5 к входу регулятора рулевого привода 6. Второй выход блока 18 восстановления угловой скорости через первый сумматор 16 соединен с вторым входом интегратора 7, а второй вход сумматора 17 соединен с выходом интегратора 7.

В процессе движения судна по заданному направлению руль должен находиться в баллансировочном положении. Среднее значение угла перекладки, соответствующее положению, при котором среднее значение внешнего возмущающего момента компенсируется средним управляющим моментом, создаваемым рулем M= M M = Kδ_ср δ_ср= (1) Среднее значение угла перекладки руля δ_ср вычисляется на интеграторе 8, охваченном слабой отрицательной обработкой связью. На выходе сумматора 17 вырабатывается текущий угол перекладки руля относительно балансировочного положения δʹ=δ-δ_ср (2) На интеграторах 9 и 10 совместно с блоками 11-15 перемножения формируется оценка угловой скорости судна = C V + C + C₃V²δʹ (на входе интегратора 9); = C + CV + C₆V²δ (на входе интегратора 10), где C_i- постоянные коэффициенты; δ- угол перекладки руля;
δʹ- угол перекладки руля, смещенный на величину δ_ср .

Сигнал текущей скорости хода с датчика 2 поступает на два входа блока 12 перемножения, на выходе которого вырабатывается сигнал квадрата скорости хода, который поступает на первые входы блоков 11 и 13 перемножения. На вторые входы блоков 11 и 13 поступает сигнал δʹ и δ , таким образом формируются сигналы C₃V²δ^, и C₆V² δ . Сигналы C Vи C₅V_yV вырабатываются на выходах блоков 14 и 15 перемножения и поступают соответственно на входы интеграторов 9 и 10. Выходной сигнал оценки угловой скорости судна с интегратора 9 поступает на первый вход сумматора 16, на второй (инверсный) вход которого поступает с выхода интегратора 7 сигнал угловой скорости, а на выходе сумматора 16 формируется невязка вида
ω - (3)
Невязка (3) и выход с датчика 1 углового ускорения поступают на вход интегратора 7. Таким образом формируется несмещенный сигнал угловой скорости путем интегрирования сигнала углового ускорения:
= + K(ω - ) где - сигнал углового ускорения, снимаемый с датчика 1;
- сигнал на входе интегратора 7.

Таким образом, наличие блока 18 восстановления угловой скорости позволяет устранять дрейф в сигнале после интегрирования углового ускорения с датчика 1.

Для формирования закона управления рулевым приводом на вход сумматора-усилителя 5 поступает сумма сигналов , которая поступает на вход рулевого привода 6:
= K₁δ + K + ( - ) - K_зV²δ где К₁˙δ - вырабатывается на выходе датчика 3;
- сигнал задания скорости циркуляции судна с задатчика 4;
K - сигнал углового ускорения судна, снимаемый с датчика 1;
- сигнал несмещенной угловой скорости, вырабатываемый интегратором 7.

Сигнал V² δ поступает на вход сумматора-усилителя 5 с выхода блока 11 перемножения. Этот сигнал позволяет перестраивать закон управления при изменении скорости хода судна, т.е. адаптироваться к изменению динамических характеристик судна.

Устройство может использоваться не только на морских судах, но и на речных. На существующих речных судах в подавляющих случаях нельзя использовать существующие авторулевые, так как эти суда не оборудованы гирокомпасами, которые необходимы для авторулевых. Достоинствами устройства являются также простота конструкции, дешевизна и безотказность благодаря использованию современных угловых акселерометров. Кроме того, достоинством являются высококачественные сигналы (в смысле динамических характеристик), что позволяет эффективно использовать устройство и на судах, не устойчивых по курсу.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА, содержащее датчик перекладки руля и задатчик угловой скорости, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам сумматора-усилителя, к выходу которого подключен вход рулевого привода, датчик углового ускорения, выходом подключенный к третьему входу сумматора-усилителя непосредственно и через первый интегратор к его четвертому входу, отличающееся тем, что в него введены первый сумматор, датчик скорости хода и блок восстановления угловой скорости, содержащий второй - четвертый интеграторы, первый - пятый блоки перемножения и второй сумматор, при этом выход датчика перекладки руля подключен к первому входу блока восстановления угловой скорости, выход датчика скорости хода - к второму входу блока восстановления угловой скорости, первый выход которого соединен с пятым входом сумматора-усилителя, а второй выход - с первым входом первого сумматора, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу и второму входу первого интегратора, причем выход второго интегратора, первый вход которого является первым входом блока восстановления угловой скорости, подключен к своему второму входу и через второй сумматор соединен с первым входом первого блока перемножения, выход которого является первым выходом блока восстановления угловой скорости и подключен к первому входу третьего интегратора, выход второго блока перемножения, входы которого объединены и являются вторым входом блока восстановления угловой скорости, подключен к второму входу первого и первому входу третьего блоков перемножения, второй вход третьего блока перемножения соединен с первым входом второго интегратора и вторым входом второго сумматора, выход третьего интегратора является вторым выходом блока восстановления угловой скорости и соединен с первыми входами четвертого интегратора и четвертого блока перемножения, выход которого подключен к второму входу третьего интегратора, третий вход которого соединен с первым входом пятого блока перемножения и с выходом четвертого интегратора, второй вход которого подключен к выходу третьего блока перемножения, а третий вход - к выходу пятого блока перемножения, входы второго блока перемножения соединены с вторыми входами четвертого и пятого блоков перемножения.

РИСУНКИ

Рисунок 1