Система управления движением судна

 

И. А. Карпович, В. Е. Кудряшов, Г. Д. Леонтьев, В. А. Нечаев и И. P. Фрейдзон (72) Авторы изобретения

Ленинградский ордена Ленина алектротехнический институт имени В. И. Ульянова (Ленина) (7! ) Заявитель (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА

Изобретение относится к устройствам точного управления движением научноисследовательских судов на шельфе и в

Мировом океане для проведения специальных геолого-геофизических работ и, главным образом, при управлении судами, когда необходимо обеспечивать маневрирование как курсом, так и скоростью в соответствии с заданной программой геолого-геофизических работ, т.е. обеспечивать точное маневрирование судна по заданной траектории с заданной скорос тью, когда проявляются существенные нелинейные свойства судна как управля емого объекта, в частности при движении иа малых скоростях хода судна, когда снижается аффективность действия руля и ухудшается управляемость судна.

Основным критерием качества функционирования таких систем является достижение необходимой точности движения по заданной траектории с заданной czoростью, обусловленной спецификой геоло» го-геофизических работ.

Известно устройство для стабилизации: судна на гиперболической траектории, являющейся геометрическим местом точек, имеющих одинаковую разность фаз между колебаниями двух синфазных передатчиков фазовой радионавигационной системы, содержащее приемник фазовой радионавигационной системы (датчик разности фаз), датчик курса, блок управления рулевой машиной fl)

Недостатком данного устройства является невозможность управления судном по какой-либо траектории, отличной от гиперболической траектории и невозможность автоматического управления скоростью движения.

Известны также устройства, обеспечивающие. движение объектов .по заданной траектории, в которых используется прин» цип управления с моделью объекта в контуре управления P2) .

Эти устройства предназначены для решения задач стабилизации курса и траектории, но не обеспечивают управле3 ., 7177 ния по траектории, когда необходимо йе только обеспечивать минимальное отклонение от задайной линии, но и осуществлять автоматическое управление скоростью в режиме маневрирования по прог5 рамме.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемой являются системы управления с прогнозирующими под-! страиваемыми; моделями, работающие по принципу упреждающей коррекции. Такие автоматические системы управления имеют следующую обобщенную структуру.

Система датчиков, характеризующая состояния управляемого объекта, подключена к экстраполятору динамических характеристик объекта, к другим входам которого подключены задатчик начальных условий и датчик внешних возмущений, а выход экстраполятора подключен либо к блоку сравнения, к другому входу которой подключен датчик заданных характеристик процесса управления, либо непосредственно. к вычислителю критерия качества, последовательно соединенного с оптимизатором 25 и коммутатором, один из двух выходов которого подключен к экстраполятору, чем организована обратная связь для поиска оптимальных управляющих воздействий, другой - к исполнительному зр устройству управляемого объекта g3j .

Применение таких систем весьма эфктивно для управления сложными процессами, когда решение задачи оптимальмого управления классическими методами Ф затруднено (существенно нелинейные объек-, ты, неквадратичные критерии качества . и пр.), что. как раз имеет место "при управлении судном по траектории в режиме маневрирования курсом и скоростью по 40 заданной програ мме геолого-геофизических работ. Однако указанные системы не могут быть применены для точного управле ния судном в режиме маневрирования по заданной траектории с заданной скоростью,д поскольку в известных системах осуществляется либо непосредственное сравнение экстраполируемых характеристик управляемого процесса с заданными желаемыми характеристиками, либо критерий качества о вычисляется как функция управляющих воздействий в результате экстраполяции процесса управления, что не позволяет в задаче управления судном при маневрировании курсом и скоростью по заданной сложной траектории обеспечить сходимость и устойчивость управления, т.е. не позволяет обеспечить принципиальное ре30 4 шение задачи, так как для процесса ойтимизации при таком построении системы невозможно задать ни начальных условий, ни определить направления поиска оптимального управления. Кроме того, в таких системах не предусмотрена возможность вхождения в заданную траекторию в любой точке маршрута, возможность прерывания и возобновления процесса управления при необходимости решения другиХ задач маневрирования, не предусмотренных программой геолого -геофизических работ, а также обеспечивать работоспособность системы при возможных сбоях входной информации.

Целью изобретения является повышение точности и надежности системы, а именно, создание системы точного управ ления движением судна при маневрировании по заданной траектории с заданной скоростью и обеспечение при этом возмож ности вхождения в заданную траекторию в любой точке маршрута,. прерывания и возобновления процесса управления при необходимости решения других задач маневрирования, а также обеспечение работо-. способности системы при возможных сбо» ях в канале информации о местоположении судна.

Поставленная цель достигается тем, что система содержит последовательно ( соединенные первый блок памяти, синхронизатор, вычислительный блок, IIpoP» раммный блок и формирователь программной траектории, а также второй блок памяти, выход которого подключен к другому входу оптимизатора, выходы датчиков курса и скорости соединены со вторыми входами программного блока, третьи входы которого связаны со вторы ми выходами синхронизатора, а выходыс третьими входами экстраполятора, причем выходы датчика координат судна соединены со вторыми входами синхронизатора и вычислительного блока, а выходы формирователя программной траектории подключены к другим входам блока сравнения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы, на фиг. 2 - геометрическая интерпретация процесса управления судном по заданной траектории.

Система (см. фиг. 1) включает дат» чик 1 координат (у,, q ) судна в прямоугольной системе координат (7QY ), неподвижной относительно земли, датчик 2 курса 9 ссууддннаа, датчик 3 скорости V судна, первый-блок памяти 4, 5 * 717730

6 хРаннщий масс в кооРдинат (Х, Ч ) времени, обусловленных программой гео1 2t заданной траектории лого-геофизических работ что по воля т

ыходы ХД и /, блока памяти 4 задавать также необходимую скорость соединены со входами синхронизатора 5 движения судна по заданной траектории. к другим входам которого, а также ко 5 Таким образом в блоке памяти 4 формивходам вычислительного"блока 6 подклю- руется необходимая траектория 18 мачены выходы Х и g датчика 1 коор- . неврирования с заданными изменениями динат местоположения судна. Выходы Хq курса и скорости во времени 1 и в и /„cинхронизатоpa 5, характеризующие пространстве координат X ч . В координаты ближайшей точки на заданной 10 синхронизаторе 5, для данной зафикси- траектории, соединены с программным рованной позиции, т.е. На основании данблоком 7, к другим входам которого ных о местоположении судна в момент подключены выходы датчика 2 курса Ф времени относительно заданных координат судна, датчика 3 скорости g судна, 1 1 У „-(1 =1, 2 ... и ), на кажа также выходы (0 и Y cj синхро дом шагу управления вычисляется блиниэатора 5, характеризующие. массив жайшая на заданной траектории точка А синхронизированных координат заданной с координатами:Х1; Ч„, и относительтраектории. Выходы 7д (Т) и Фд(Т) прог» но этой точкй А формируется массив раммного блока 7 соединены с формиро- : синхронизированных координат Х вателем 8 программной траектории и с 20 q - (> 1, 2 ... Т) заданной траекэкстраполятором 9, к другим двум вхо- торин от точки А с координатами Х Ч

1 4 дам которого подключены задатчик 10 до точки с координмами Я- . За время 7, начальных условий и датчик 11 внешних где Т-отрезок времени, меньший отрезка возмущений. Выход Х,0 экстраполятора 9 времени движения ро, Hñåé заданной траеки выход X„> формирователя 8, а также 5 торин. На фиг. 2 показан участок 19 выход $y экстраполятора 9 и выход траектории, сипхрониэированный относиформирователя 8 подключены к блоку тельно точки А. Процесс синхронизации сравнения 12. Выходы Х .. и ) блока позволяет, во-первых, входить в задансравнения 12 подключены к оптимизатору. ную траекторию d любой точке маршрута

30 и

13, к другому входу которого подключен во-вторых, избегать непредвиденных выход 3, оп, второго блока памяти 14. сбоев в канале информации о местополо

Выходй 5,9, и выход 0Ч оптимизатора женин судна, и, в-третьих, прерывать про13 подключены к коммутатору,15. Ilep-, цесс управления по заданной траектории вые выходы коммутатора 15 подключены для решения других задач, не предусмо к экстраполятору 9, вторые выходы ЬЧ, 55;ренных программой работ и возобновлять и gQ коммутатора 3 5 подключены к жни- его.. Координаты )(1 (точки А. подаются нительному блоку 16 судна 17. в вычислительный блок 6, на другие вхо-! ° ды которого от датчика 1 координат местоСистема работает следующим образом. положения вводятся координаты М Ч

П ри управлении судном в режиме маневри» В вычислительном блоке 6 определяются

40ы 1 4 рования по заданной траектории с задан- отклонения 6 X д: координат Х ной скоростью на каждом шагу решения q от координат Х 1 зад нн и заданно задачи управления с помощью датчика 1 траектории. Эти отклонения вводятся в определяются координаты Х, g место» программный блок 7, на другие входы положения судна в прямоугольной системе которого вводятся значения курса

45 координат (X03 ), неподвижной отно от датчика 2, значения скорости V от сительно земли и связанной с траектори датчика 3, а также поступает массив ей движения. Кроме того, с помощью дат синхронизированных координат ($Q, $0

0 чика 2 курса и датчика 3 скорости, опре от синхронизатора 5. Программный блок ! ,деляются текущие значения курса Ф и в зависимости от величин и .знаков от

50 .скорости Ч . Значения координат X клонений ЬХ и A>4, а также в с датчика 1 вводятся в синхронизатор зависимости от величины Ф и Ч

5, на другие входы которого из блока формирует программные значения курса памяти 4 подается массив координат П P) и скорости 9q (Т) на время Т

Х,,;,; (q =3., 2 ... 5 ) заданной для выведения судна на заданную траек55 траектории (см. фиг. 2). Причем коорди торию или для движения по заданной наты этого массива задаются для опре- траектории. Программные значения Ч п(Т) деленных равных между собой моментов и % (Т) вводятся в экстраполятор 9 и в

7 717730 8 раммной траекто зйачения критерия больше допустимого с массйвом коор-, З оп, то в оптимизаторе 13 в

j =1, 2 ... Т) для зависимости от величины и знака траекторию. осуществляется поиск новых значений олятор 9, представ-, 5 управляющих сигналов по курсу и скоросную адекватную ти, которые йосредством коммутатора моде$$ь судна, 15 подаются в экстраполятор 9, где

1О .начальные ус вновь, уже для этих новых значений упе гидроаэродина- равляюших сигналов, осуществляется тики конкретного IO eKcTpalioJIIQIHQ новой траектории движека 11 внешйие . ния. Таким образом цикл экстраполяции изуюшие скорость в ускоренном масштабе времени повтоскорость и направле- ряется. Если следующее значение крипод кй$,ем, волн терйя качества 3, вычисленное в опти зом иайденнь$е зна,15 мизаторе 13, удовлетворяет условию являются конкрет-,)С, „, то найденные таким обра."-юм авляющими воздейст Управлнюшиe сигналы по кУРсУ тОРа, 9 котор,цй скорости V+ являются Оптимальными ловий* Чи из "- и ПМредством ко .у р 15 подя ающих воздействий,. 20 на исполнительный блок, 16. который У амических харак» осуществляет регулировку курса и скорос» динамических сил TH B cooTIIeTCTJIHH c Уп1равлЯюшими СНР вырабать$вает налами » и М$ .. В следУюшей зафиксудну экстра„, - *сированной позиции весь цикл управления рию 21 с коорди 25 0®EIToP$IeTc$I

Т) Применение предлагаемой автоматираполированной ческой системы управления движением т в блоке сравне- судна позволяет добиться-высокой точносэ и )(Rj программной ти и устойчивости управленйя судном по ты $ экстрапо- З0 заданной траектории с заданной скороссравниваются в тью за счет организации управления одное координатами Ч nj временно по двум контурам (скорости ии. Причем сравнение H курса) в единой системе управления. формирователь 8, прог рии 20 (см. фиг. 2) динат Xnj „ 1II> ( выведения на заданиуюКроме того, в экстрап ляюший собой нелиней самонастраивающуюся подаются с задатчика ловия, хара ктеризующи мические xapazTepHC типа судна,. и с датчи возмущения, õарактер и направление ветра, ние течения, глубину ние моря. Таким обра чения Ч п(1 )" и Vq(T) ными начальйыми ущ) виями для экстраполя для этих начальных ус ных значениях возмущ с учетом гидроаэродин тержтик судна и гидро . действующих на руль, адекватную реальному полированную траекто натами Хв ; з (Координаты /. aq экст траектории сравниваю ния 12 с координатам траектории, а координа лированно и траектории блоке сравнения 12 с программной траектор осуществляется только на участке 22 заданной траектории„на котором заканчи- З5 вается переходный . процесс прогнозируе мого движения (см. фиг. 2), что позволяет, во- первых, исключить из рассмотрения вспомогательный участок прот раммной . траектории, обеспечивающий выход на 40

" " заданйую траекторию илй корректирую- щий движение, и, во -вторь$х, организовать целенаправленность поисха оптймальных управляющих воздействий в оптияизаторе 13, в который вводятся результаты 45 сравнения ЬЧ и Ь,Я . Кроме того, в оптимизатор 13 блоком памяти 14 вво» дится максимально допустимая мера ошибки, т.е. Максимально допустимая величина 1, критерия качества

3 ггип так ((ьХ$) + (а ) 1

И 3 где ) = 1, 2 ... Т номер точки на траектории; K - номер экстраполиро 55

, ванной траектории для данной позиции.

В оптимизаторе 13 вычисляются значения критерия качества .3 . Если

Формула изо бретения

Система управления движением судна, содержащая датчики курса, скорости и координат судна, экстраполятор, первые входы которого связаны с выходами датчика "внешйих возмущений и задатчика начальныХ условий, а выходы - с одними входами блока сравнения, выходы, кото рого через оптимизатор соединены с ком; мутатором, первые выходы которого подключейы ко вторым входам экстраполятора, а вторые выходы - к исполнительному блоку, о т л и ч а .ю ш a $I с я тем, что, с целью повышения точности и надежности системы, она содержит последовательно соединенные первый блок памяти, синхронизатор, вычислительный блок, программный блок и формирователь программной траеКтории, а также второй блок памяти, выход которого подключен к другому входу;оптимизатора, выходы датчиков курса и скорости соеди9 717730 10 иены со вторыми входами программного 1. Патент США Ж 3670227, блока, третьи входы которого связаны со кл. Я 05 Ъ 1/00, олублик. 1972. вторыми выходами синхронизатора, а вы- 2. Красовский А. А. Системы автоходы - с третьими входами акстраполятора, матического управления полетом и их причем выходы датчика координат судна. аналитическое конструирование. М., соединены са вторыми вкодами синхро- Наука, 1973. низатора и вычислительного блока, а вы ходы формирователя программной тра- 3. Александровский Н. М., Егоров С. В., ектории подключены к другим входам Кузин P. Е. Адаптивные системы автоблока сравнения. 10 матичесного управления cJIQKHb3hcjt техно»

Источники информации, логическими процессами. М., Энергия, принятые во внимание при экспертизе 1973.

Ь

0НИИПИ Заказ 9846/6 5 Тираж 986 Подписное

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4