Система управления движением корабля

Изобретение относится к области судостроения, в частности к средствам, используемым для управления движением судна. В систему управления введен пульт командира, с которого можно не только наблюдать за динамикой движения корабля в ускоренном времени на специальном командирском дисплее, но и управлять движением корабля лично. Дополнительно введены переключатель пультов, вычислитель, задатчик режимов и переключатель. Выход переключателя подключен к входу рулевого привода, а выходы датчика курса, датчика угловой скорости и датчика положения руля подключены к соответствующим входам вычислителя. Применение данной системы позволяет повысить качество и безопасность судовождения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к системам управления движением судна.

Известны системы динамического позиционирования судна (А.С. СССР 1615678), стабилизирующие положение надводного, либо подводного корабля в пространстве, в том числе система стабилизации судна - «устройство управления движением судна» (патент России RU 22388881 С1), содержащее задатчик угла дифферента, датчик угла дифферента, датчик угловой скорости, датчик положения руля, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя-вычислителя, выход которого соединен с входом рулевого привода.

В качестве прототипа нами принята система автоматического управления судном (патент России RU 2248914 С1), датчик и задатчик курса, датчик угловой скорости, датчик положения рулей, выходы датчиков подключены к первому - четвертому входам суммирующего усилителя (вычислителя), выход которого соединен с входом рулевого привода.

Недостатком существующих систем управления движением, особенно при использовании ее на подводном корабле, является сложность своевременного выявления аварийной ситуации и своевременного эффективного устранения ее. Существенным недостатком является невозможность командира (капитана) принять правильное и своевременное решение, т.к. пульт оператора движением изолирован от командира. Для повышения эффективности и безопасности управления движением корабля информационную часть пульта оператора необходимо расширить как в части подсистемы контроля и диагностики, так и в части подсистемы прогноза будущего фазового состоя корабля. Однако только расширение пульта оператора недостаточно решает основную задачу повышения качества и безопасности функционирования системы. Эту задачу можно высококачественно решить, если создать возможность командиру непосредственно самому участвовать в процессе управления кораблем.

В каюте капитана корабля с незапамятных времен принято размещать репитер гирокомпаса, что позволяет капитану даже во время отдыха контролировать текущий курс корабля. Для повышения эффективности и безопасности управления движением корабля командир должен непрерывно получать:

- полную информацию о динамике движения корабля с прогнозом и состоянии исполнительных средств,

- возможность принять своевременное и правильное решение по управлению кораблем при появлении экстренной (аварийной) ситуации с интегрированного автоматизированного рабочего места командира.

Предлагаемая нами система управления движением корабля позволяет решить эти задачи, если известные системы управления движением корабля дополнить пультом командира:

- с подсистемой прогноза и диагноза исправности всей системы,

- дисплеем с текущей и будущей во времени информацией о фазовом состоянии корабля и исполнительных средств управления.

Целью предлагаемого изобретения является получение более совершенной и безопасной в эксплуатации системы управления движением корабля.

Для технического и эргономического обеспечения функциональных обязанностей командира предлагаемая система позволяет в частности:

- вести непрерывный контроль за действиями оператора движением,

- получать информацию о текущей динамике движения корабля с прогнозом,

- получать информацию о состоянии технических средств корабля.

- при определенных условиях производить эффективное управление движением корабля.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства (см. чертеж).

Система управления движением судна содержит: датчик угла курса 1, задатчик угла 2, датчик угловой скорости 3, датчик положения руля 4, рулевой привод 5, суммирующий усилитель 6, пульт командира 7 (включающий блоки 8-14), дисплей 8, переключатель 9, вычислитель 10 с микроконтроллером-процессором вычислителя 11 и формирователем прогноза видеосигнала вычислителя 12, переключатель пультов 13, задатчик режимов 14, объект управления - корабль 15.

В качестве датчика 1, задатчика угла курса 2 и датчика положения руля 4 могут использоваться серийно выпускаемые измерители угла с точностью не ниже 5% (в целях повышения качества работы датчика 1 может использоваться комплексированный датчик курса, на выходе которого вырабатывается оценка угла курса с переменным коэффициентом передачи). Датчик угловой скорости 3 - типовой ДУС-5 с диапазоном измерения 0.05-1.5 гр./с. Рулевой привод - штатный гидравлический либо электрогидравлический - 5. Суммирующий усилитель-вычислитель 6 может быть реализован на операционном усилителе типа 140 УД-6. Пульт командира может быть смонтирован как рабочее место командира с размещением дисплея 8 и блоков 9-14. Дисплей (монитор на базе МПС-18 с разрешением 1280×1024) 8, переключатель 9 - электромагнитный на два состояния. Вычислитель 10 включает два микроконтроллера:

- процессор 11, решающий системы дифференциальных уравнений в натуральном и ускоренном масштабе времени (выработка электронных моделей движения корабля в натуральном, а также в ускоренном масштабе времени и вычисление операций с логическим регулятором),

- формирователь прогноза видеосигнала 12 для функционирования дисплея 8.

Переключатель пультов 13 - источник напряжения с выключателем - переключает через блок 9 рулевой привод на суммирующий усилитель-вычислитель 6 либо на вычислитель 10. Одновременно с пульта 13 поступает сигнал на процессор 11 при переводе управления движением корабля командиру. Задатчик режимов 14 реализуется аналогично задатчику угла курса 2 либо с использованием клавиатуры (при цифровой реализации). Перечисленные выше блоки системы соединены между собой в соответствии с чертежом, приведенном на фиг.

Описание работы системы.

Система управления движением корабля позволяет командиру, используя интегрированное рабочее место (пульт командира 7):

- следить за работой оператора,

- следить за динамикой движения корабля с прогнозом,

- контролировать исправность источников информации,

- контролировать состояние технических средств корабля,

- позволяет эффективно осуществлять процесс управления движением корабля.

Все необходимые вычисления (текущего фазового состояния корабля и прогнозируемого во времени, состояния измерителей информации и технических средств, работы подсистемы диагноза) вырабатываются в микропроцессоре вычислителя 11, на вход которого поступают сигналы с выходов датчика и задатчика 1, 2, датчика угловой скорости 3, датчика положения руля 4, а также задатчика режимов 14 и переключателя пультов 13.

Дифференциальные уравнения углового движения корабля, решаемые в процессоре 1, могут быть приняты в упрощенном виде:

где

ω - угловая скорость корабля в продольной плоскости,

ϕ - угол курса,

δ - угол перекладки руля относительно балансировочного значения,

K_I - гидродинамические коэффициенты, зависящие от многих переменных, в том числе и от скорости хода корабля, могут адаптивно перестраиваться,

t - текущее время.

Работа прогнозатора описывается также по зависимости (1) только не в натуральном времени «t», а в ускоренном масштабе времени τ=Кt, где К=15 - коэффициент прогноза, кроме того, при прогнозировании должен использоваться закон управления рулевым приводом, но не в натуральном времени t, а в том же ускоренном τ=Кt:

где ϕ_τ - угол курса в ускоренном времени,

ω_τ - угловая скорость в ускоренном времени,

δ_τ - угол перекладки руля в ускоренном времени.

Выходы микропроцессора вычислителя 11 подключены к переключателю 9 и входу формирователя прогноза видеосигнала вычислителя 12. Выход формирователя прогноза видеосигнала изображения вычислителя подключен к входу дисплея 8, обеспечивая тем самым работу дисплея 8.

При появлении отклонений от нормальных режимов эксплуатации командир может принять управление движением корабля на себя с помощью переключателя пультов 13 (переведя его в положение «вкл. пульт командира» при реализации пп.1, 2 формулы изобретения). Сигнальное напряжение с переключателя пультов 13 поступит на вход переключателя - электромагнитного реле 9 и одновременно на вход микроконтроллера-процессора вычислителя 11. Это приведет к переключению входа рулевого привода 5 от выхода суммирующего усилителя 6 к выходу микроконтроллера-процессора вычислителя 11. Используя задатчик режимов 14, командир сможет автономно изменять режимы движения корабля по своему усмотрению (команды по изменению режима поступают с задатчика режимов 14 на вход микроконтроллера-процессора 11, на выходе которого формируется закон управления рулевым приводом вида (3). С выхода микроконтроллера 11 этот сигнал поступает на вход рулевого привода. После выхода на заданный режим рулевой привод установит руль в балансировочное положение.

Выше был рассмотрен режим работы системы при реализации ее в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения. При реализации изобретения только в соответствии с п.1 из состава изобретения исключаются три блока со всеми связями: переключатель 9, переключатель пультов 13, задатчик режимов 14.

При отключении переключателя 9 вход рулевого привода 5 подключится к выходу суммирующего усилителя 6. Для изменения угла курса оператор, задав новое значение угла курса, используя задатчик угла курса 2, отклонит руль с помощью рулевого привода 6 в требуемую сторону в соответствии с зависимостью:

где

ϕ - текущий угол курса,

ϕ_зд. - заданное значение угла курса,

ω - угловая скорость корабля,

δ - угол отклонения руля,

К_i - коэффициенты регулирования.

При достижении кораблем текущего угла ϕ=ϕ_зд. руль вернется в исходное балансировочное состояние (аналогичное управление осуществляется при реализации системы в соответствии с формулой изобретения по п.1 и п.2, если командир переведет управление кораблем на оператора движения). Это достигается снятием питания с реле переключателя 9 путем переключения переключателя пультов 13 в положение «вкл. пульт оператора». При этом выход усилителя-сумматора 6 подключится непосредственно к входу рулевого привода.

Проведенное моделирование на специальном стенде по оценке экспертов подтвердило эффективность использования предложенной системы управления движением корабля.

1. Система управления движением корабля, содержащая датчик угла курса, задатчик угла курса, датчик угловой скорости, датчик положения руля, рулевой привод и суммирующий усилитель, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходом датчика угла курса, задатчика угла курса, датчика угловой скорости и датчика положения руля, а выход связан с рулевым приводом, отличающаяся тем, что содержит пульт командира, включающий вычислитель с микроконтроллером-процессором и формирователем прогноза видеосигнала и дисплей, к первому, второму и третьему входам микроконтроллера-процессора подключены соответственно выходы датчика угла курса, датчика угловой скорости и датчика положения руля, первый выход микроконтроллера-процессора соединен со входом формирователя прогноза видеосигнала, выход которого соединен со входом дисплея.

2. Система управления движением корабля по п.1, отличающаяся тем, что пульт командира дополнительно содержит переключатель, переключатель пультов и задатчик режима, выход которого подключен к четвертому входу микроконтроллера-процессора, пятый вход которого соединен с выходом переключателя пультов и первым входом переключателя, второй вход которого подключен к второму выходу микроконтроллера-процессора, третий вход переключателя пультов соединен с выходом суммирующего усилителя, выход переключателя подключен к входу рулевого привода.