система восстановления параметров движения корабля
Классы МПК: | G05D1/00 Управление или регулирование величин, определяющих местоположение, курс, высоту или положение в пространстве наземных, водных, воздушных или космических транспортных средств, например с помощью автопилотов |
Автор(ы): | Острецов Г.Э., Мрыкин В.О. |
Патентообладатель(и): | Институт проблем управления РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-07-27 публикация патента:
27.12.1996 |
Изобретение относится к области управления подвижными объектами, в частности управления движением кораблей. Цель изобретения - повышение качества и достоверности вырабатываемой системой информации о динамике движения корабля. Сущность изобретения состоит в том, что в систему восстановления параметров движения корабля введены блок деления 9, пять сумматоров 16-20 и пять реле 21-25. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Система восстановления параметров движения корабля, содержащая датчик глубины, датчик дифферента, датчик угла атаки, датчик угловой скорости, датчик угла перекладки руля и датчик скорости хода, выход которого через множитель подключен к первым входам первого и второго интеграторов, второй вход множителя соединен с выходом датчика угла перекладки руля, выход первого интегратора подключен к вторым входам первого и второго интеграторов и первому входу первого сумматора, к второму входу которого подключен выход датчика угла атаки, выход второго интегратора подключен через второй сумматор к третьему входу второго интегратора и через третий интегратор к первому входу третьего сумматора, к второму входу которого подключен выход датчика дифферента, соединенный также с входом первого блока дифференцирования, вход второго блока дифференцирования соединен с выходом датчика глубины, а выход третьего сумматора соединен с вторым входом третьего интегратора, отличающаяся тем, что введены блок деления, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой сумматоры и пять реле, причем выход первого сумматора подключен к обмотке управления первого реле, второй вход сумматора соединен с третьим входом первого интегратора, четвертым входом второго интегратора и первым выходом системы, выход третьего сумматора с обмоткой управления второго реле, выход первого блока дифференцирования через четвертый сумматор подключен к обмотке управления третьего реле, второй вход четвертого сумматора соединен с выходом датчика угловой скорости и через нормально замкнутые контакты третьего реле с первым выходом системы, выход второго блока дифференцирования через блок деления, второй вход которого подключен к выходу датчика скорости хода, и последовательно соединенные пятый и шестой сумматоры соединен с обмоткой управления четвертого реле, вторые входы пятого и шестого сумматоров соединены соответственно с выходом датчика дифферента и выходом датчика угла атаки, выход пятого сумматора через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты четвертого и первого реле соединен с вторым выходом системы, к которому через нормально замкнутые контакты четвертого реле также подсоединен выход датчика угла атаки, выход датчика угловой скорости через седьмой сумматор соединен с обмоткой управления пятого реле, второй вход седьмого сумматора подключен к выходу второго интегратора и через нормально замкнутые контакты пятого реле, параллельно которым подсоединены последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты третьего и пятого реле, соединен с третьим выходом системы, к которому через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты пятого реле и нормально замкнутые контакты третьего реле также подсоединен выход датчика угловой скорости, а выход первого интегратора через восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, и последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты первого и четвертого реле соединен с четвертым входом первого интегратора, а через нормально замкнутые контакты первого реле с четвертым выходом системы, к которому через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты первого и четвертого реле также подсоединен выход первого интегратора, а через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты первого реле и нормально замкнутые контакты четвертого реле выход датчика угла атаки, выход первого сумматора через нормально замкнутые контакты четвертого реле соединен с четвертым входом первого интегратора, выход датчика дифферента через нормально замкнутые контакты второго реле, параллельно которым подсоединены последовательно соединенные нормально замкнутые контакты третьего реле и нормально разомкнутые контакты второго реле, соединен с пятым выходом системы, к которому через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты второго и третьего реле также подсоединен выход третьего интегратора, к первому выходу системы через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты пятого и третьего реле подсоединен выход первого блока дифференцирования, а через последовательно соединенные нормально разомкнутые контакты пятого реле и нормально замкнутые контакты третьего реле выход датчика угловой скорости.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области управления подвижными объектами, в частности к области управления движением кораблей. Известны системы, в которых для повышения качества управления в виде основной информации используются не измеренные фазовые координаты состояния корабля, а их оценки (авт. св. СССР N 528546, кл. G 05 D 1/00, Б.И. N 34, 1976). В этих системах не предусматривается использование избыточной информации, и поэтому достоверность и качество последней существенно повысить нельзя. Устройство для управления курсом судна (авт. св. СССР N 1227546, Б.И. N 16, 1986), принятое нами в качестве прототипа, содержит измерители: угла курса, угловой скорости и угла перекладки руля; три сумматора, множитель, три интегратора (бл. модели движения корабля), электромагнитное реле. Устройство формирует сигналы, необходимые для управления движением корабля. Недостатком этом системы является отсутствие диагностики неисправного элемента и выработки этих же сигналов, используя другую, в том числе и косвенную, "избыточную" информацию. Целью изобретения является выработка достоверной и высококачественной информации о динамике движения корабля. Цель достигается тем, что в систему восстановления параметров движения корабля, содержащую датчик глубины, датчик дифферента, датчик угла атаки, датчик угловой скорости, датчик угла перекладки руля и датчик скорости хода, выход которого через множитель подключен к первым входам первого и второго интеграторов, второй вход множителя соединен с выходом датчика угла перекладки руля, выход первого интегратора подключен к вторым входам первого и второго интеграторов и к первому входу первого сумматора, к второму входу которого подключен выход датчика угла атаки, выход второго интегратора подключен через второй сумматор к третьему входу второго интегратора и через третий интегратор к первому входу третьего сумматора, к второму входу которого подключен выход датчика дифферента, соединенный также с входом первого блока дифференцирования, вход второго блока дифференцирования соединен с выходом датчика глубины, а выход третьего сумматора соединен со вторым входом третьего интегратора, введены блок деления, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой сумматоры и пять реле, причем выход первого сумматора подключен к обмотке управления первого реле, второй вход второго сумматора соединен с третьим входом первого интегратора, четвертым входом второго интегратора и первым выходом системы, выход третьего сумматора соединен с обмоткой управления второго реле, выход первого блока дифференцирования через четвертый сумматор подключен к обмотке управления третьего реле, второй вход четвертого сумматора соединен с выходом датчика угловой скорости и через нормально-замкнутые контакты третьего реле с первым выходом системы, выход второго блока дифференцирования через блок деления, второй вход которого подключен к выходу датчика скорости хода, и последовательно соединенные пятый и шестой сумматоры соединен с обмоткой управления четвертого реле, вторые входы пятого и шестого сумматоров соединены соответственно с выходом датчика дифферента и выходом датчика угла атаки, выход пятого сумматора через последовательно соединенные нормально-разомкнутые контакты четвертого и первого реле соединен с вторым выходом системы, к которому через нормально-замкнутые контакты четвертого реле также подсоединен выход датчика угла атаки, выход датчика угловой скорости через седьмой сумматор соединен с обмоткой управления пятого реле, второй вход седьмого сумматора подключен к выходу второго интегратора, и через нормально-замкнутые контакты пятого реле, параллельно которым подсоединены последовательно соединенные нормально-разомкнутые контакты третьего и пятого реле, соединен с третьим выходом системы, к которому через последовательно соединенные нормально-разомкнутые контакты пятого реле и нормально-разомкнутые контакты третьего реле также подсоединен выход датчика угловой скорости, выход первого интегратора через восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, и последовательно соединенные нормально-разомкнутые контакты первого и четвертого реле соединен с четвертым входом первого интегратора, а через нормально-замкнутые контакты первого реле с четвертым выходом системы, к которому через последовательно соединенные нормально-разомкнутые контакты первого и четвертого реле также подсоединен выход первого интегратора, а через последовательно соединенные нормально-разомкнутые контакты первого реле и нормально-замкнутые контакты четвертого реле выход датчика угла атаки, выход первого сумматора через нормально-замкнутые контакты четвертого реле соединен с четвертым входом первого интегратора, выход датчика дифферента через нормально-замкнутые контакты второго реле, параллельно которым подсоединены последовательно соединенные нормально-замкнутые контакты третьего реле и нормально-разомкнутые контакты второго реле, соединен с пятым выходом системы, к которому через последовательно соединенные контакты второго и третьего реле подсоединен выход третьего интегратора. Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются введение избыточных источников информации и средств диагностирования неисправного (сильно зашумленного) канала информации и исключения его из системы оценивания фазовых координат состояния корабля: пять реле, блок деления, пять сумматоров, соединенные в соответствии со схемой, приведенной на чертеже. Указанные выше отличительные признаки в своей совокупности обеспечивают появление в заявляемой системе ряда новых свойств:выработки высококачественной и достоверной информации об угловой скорости и угле атаки корабля двух видов: первый вид более пригоден для задач управления, а второй для последующей обработки при решении задач идентификации. На чертеже приведена блок-схема системы восстановления параметров движения судна. Предлагаемая система содержит шесть датчиков: глубины 1, дифферента 2, угла атаки 3, угловой скорости 4, угла перекладки руля 5 и скорости хода 6, два блока дифференцирования 7, 8, блок деления 9, три интегратора 10-12, восемь сумматоров 13-20, четыре электромагнитных реле 21-25, множитель 26. Принцип работы системы. Данная система предназначена для выработки высококачественных фазовых координат состояния корабля в вертикальной плоскости с целью использования последних:
при мореходных испытаниях для восстановления (уточнения) гидродинамических характеристик математической модели движения корабля;
при управлении движением корабля в вертикальной плоскости. Работа системы основана на наличии избыточных измерителей и непрерывного измерения невязки фазовых координат, выработанных с использованием разных физических принципов. При обнаружении недопустимых расхождений в измерениях одного и того же параметра (величина невязки более допустима на основании перебора разработанных логических условий) выбираются измерения, оптимальные в данный момент времени. На выходе системы вырабатывается следующая информация (чертеж):
для задач идентификации угловая скорость
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
для задач управления угловая скорость
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071066/936.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-2t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071066/936.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
а) непосредственным измерением угла атаки (датчик типа "флюгарка");
б) по измерениям скорости хода корабля, скорости изменения глубины и угла дифферента восстанавливается угол атаки (в соответствии с кинематической зависимостью):
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-3t.gif)
где
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071066/936.gif)
v скорость хода корабля;
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-4t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-5t.gif)
где
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071025/948.gif)
k1, k2, k3 коэффициенты, зависящие от скорости хода корабля;
f1 логическая функция от невязки двух углов атаки:
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-6t.gif)
где
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-7t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-8t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-9t.gif)
где
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-10t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-11t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-12t.gif)
Б. Выработка сигнала угловой скорости корабля
В системе используются три сигнала угловой скорости:
а)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
б)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-13t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-14t.gif)
где
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071066/936.gif)
в)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-15t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-16t.gif)
где
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-17t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071025/948.gif)
w1 сигнал для задач, связанных с исследованием гидродинамики корабля:
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-18t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-19t.gif)
В. Выработка сигнала угла дифферента. В системе используются два сигнала угла дифферента:
а)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071066/936.gif)
б) jк восстановлением сигнала по кинематическим зависимостям:
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-20t.gif)
На выходе системы вырабатывается сигнал угла дифферента в соответствии с зависимостью:
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-21t.gif)
Работа системы в динамике. Рассмотрим работу системы для восстановления параметров движения корабля в динамике. С датчиков 1-6 на вход системы поступает информация о фазовых координатах состояния корабля в вертикальной плоскости. Для повышения качества и достоверности информация дополняется сигналами с электронной модели движения корабля в вертикальной плоскости. Электронная модель движения корабля содержит три интегратора 10-12, где реализуются зависимости (2), (8), (11). Далее с использованием приведенных выше условий (1) (12) информация сжимается до минимальной необходимой и максимальной достоверной. На выходе системы вырабатываются сигналы для использования:
а) в блоках формирования закона управления:
угол дифферента
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-22t.gif)
угловая скорость корабля (
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
угол атаки (
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
б) в блоках восстановления гидродинамических коэффициентов математической модели движения корабля:
угловая скорость (
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
угол атаки (
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
угол дифферента с датчика 2 проходит на выход V
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-23t.gif)
угловая скорость с датчика угловой скорости 4 проходит на выход 1 (
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
угол атаки с датчика 3 проходит на выход II (
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
оценка угловой скорости
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-24t.gif)
оценка угла атаки
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-25t.gif)
угол атаки
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-26t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-27t.gif)
в) При сбое в датчике угловой скорости 4 (
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071023/969.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-28t.gif)
Сигнал
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071066/936.gif)
1) отказ интегратора 12 приводит к срабатыванию только реле 22 и включится табло "Сбой" интегратора 12" (на чертеже эта индикационная связь не приведена). В этом случае в канале
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071066/936.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071066/936.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-29t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-30t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071109/2071109-31t.gif)
![система восстановления параметров движения корабля, патент № 2071109](/images/patents/401/2071006/945.gif)
Класс G05D1/00 Управление или регулирование величин, определяющих местоположение, курс, высоту или положение в пространстве наземных, водных, воздушных или космических транспортных средств, например с помощью автопилотов