аппаратура автоматического управления движением судна
Классы МПК: | B63H25/04 автоматические, например реагирующие на изменение показаний компаса |
Автор(ы): | Клячко Л.М., Острецов Г.Э., Памухин С.Г. |
Патентообладатель(и): | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-05-13 публикация патента:
20.01.2004 |
Изобретение относится к судовождению, в частности к автоматическому управлению движением широкого класса морских и речных судов. Аппаратура автоматического управления движением судна содержит задатчик путевого угла, датчик угла перекладки руля, вычислитель, рулевой привод, опорную и вспомогательную антенну, приемник СНС, сумматор, два интегратора и дифференциатор. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности стабилизации судна и запаса устойчивости замкнутой системы управления. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Аппаратура автоматического управления движения судна, содержащая задатчик путевого угла, датчик угла перекладки руля, опорную антенну, приемник спутниковой навигационной системы и вычислитель, содержащий сумматор, первый и второй интеграторы и дифференциатор, причем выходы задатчика путевого угла и датчика угла перекладки руля подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя, опорная антенна подключена к первому входу приемника спутниковой навигационной системы, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьему и четвертому входам вычислителя, выход которого подсоединен к входу рулевого привода, при этом первый вход вычислителя соединен с первым входом сумматора, второй вход вычислителя подсоединен к второму входу сумматора и первому входу первого интегратора, третий и четвертый входы вычислителя соединены соответственно с третьим и четвертым входами сумматора, выход первого интегратора соединен с вторым входом этого же интегратора и пятым входом сумматора, выход которого подключен к выходу вычислителя, отличающаяся тем, что дополнительно содержит вспомогательную антенну, выход которой соединен со вторым входом приемника спутниковой навигационной системы, третий выход которого подключен к пятому входу вычислителя, пятый вход вычислителя через дифференциатор соединен с третьим входом первого интегратора и непосредственно подключен к первому входу второго интегратора, второй вход которого соединен с вторым входом вычислителя, третий вход второго интегратора подключен к третьему входу вычислителя, а выход второго интегратора соединен с четвертым входом этого же интегратора и шестым входом сумматора.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к судостроению и предназначено для реализации автоматического управления движением морского судна. Известно устройство (авт. св. СССР 460535), обеспечивающее автоматическое удержание судна на заданном курсе. Стабилизация курса осуществляется по данным гирокомпаса, который является основным источником информации о направлении движения судна. Сигнал текущего курса и его производная поступают на вход вычислителя (суммирующего устройства), на вход которого поступает также сигнал с датчика угла перекладки руля. Рассматриваемый авторулевой обладает следующими недостатками:- перегружает рулевой привод при развитом морском волнении;
- сигнал угла курса, вырабатываемый гирокомпасом, зашумлен и при дифференцировании не удается получить сигнал производной курса с требуемыми динамическими качествами, что исключает применение его на неустойчивых на курсе судах;
- нет сигнала угла дрейфа, что приводит к параллельному уходу судна с заданного направления движения при боковом ветре или течении. Известна также "Аппаратура автоматического управления движением судна" (патент России 2144884, кл. В 63 Н 25/04), принятая нами в качестве прототипа, содержащая задатчик направления движения, датчик угла перекладки руля, выходы которых подключены к вычислителю (суммирующему усилителю). К вычислителю также подключены:
- сигналы с выхода приемника спутниковой навигационной системы (СНС), путевой угол (ПУ) и боковое отклонение (У);
- сигнал угла перекладки руля (
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221071/948.gif)
- сигнал угловой скорости (производной путевого угла
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
- производная путевого угла (
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
- угол дрейфа вырабатывается также сильно зашумленным и, что особенно плохо, с временным запаздыванием;
- восстановление оценок основных фазовых координат состояния судна осуществляется также с сильными шумами;
- из-за низкочастотных помех наблюдается перегрузка рулевого привода. В предложенной нами аппаратуре автоматического управления движением судна отмеченные выше недостатки устранены. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание аппаратуры для автоматического управления движением судна, обеспечивающей повышенную точность стабилизации судна и требуемый запас устойчивости замкнутой системы управления ("Аппаратура. .." эффективно работает как на устойчивых на курсе судах, так и на неустойчивых на курсе морских и речных судах). Поставленная задача достигается тем, что в аппаратуру, содержащую задатчик путевого угла, датчик угла перекладки руля, рулевой привод, опорную антенну, подключенную к первому входу приемника спутниковой навигационной системы (СНС), вычислитель (состоящий из: суммирующего усилителя, двух интеграторов и дифференциатора), дополнительно введена вспомогательная антенна, подключенная к второму входу приемника СНС и, что весьма важно, существенно изменены связи с дифференциатором и другими блоками аппаратуры в соответствии с приведенной ниже функциональной схемой. Существенной новизной предлагаемого изобретения является:
- выработка текущей угловой скорости не путем дифференцирования сигнала путевого угла, а путем дифференцирования курсового угла;
- курсовой угол (
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
- высококачественная выработка скорости бокового сноса - угла дрейфа
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
где путевой угол ПУ и угол курса
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
- использование рассмотренной выше дополнительной и более высококачественной информации обеспечивает астатическое управление движением судна по заданному направлению с повышенной точностью;
- выработка близких к оптимальным оценок основных фазовых координат производится с использованием полной модели движения судна (последнее стало возможным благодаря введению второго интегратора в схему электронной модели движения судна и наличию высококачественного сигнала угла дрейфа). Функциональная схема предлагаемого изобретения приведена на чертеже. Аппаратура автоматического управления движением судна содержит задатчик путевого угла 1, датчик угла перекладки руля 2, вычислитель 3, рулевой привод 4, опорную антенну 5, приемник спутниковой навигационной системы (СНС) 6, сумматор 7, первый интегратор 8, дифференциатор 9, второй интегратор 10 и вспомогательную антенну 11. В качестве задатчика 1 и датчика угла перекладки руля 2 может быть использован любой аналоговый (цифровой) серийно выпускаемый преобразователь угла поворота с точностью не ниже 0,5%. В аналоговом варианте реализации аппаратуры в качестве вычислителя 3 (включающий в себя сумматор 7, два интегратора 8, 10 и дифференциатор 9) можно использовать набор интегральных микросхем типа 140-УД-6 и 140-УД-8, соединенных между собой в соответствии с чертежом. Опорная антенна 5 комплектуется вместе с приемником СНС 6 типа "Волонтер" (в нашей аппаратуре приемник дополнен вторым входом для подключения вспомогательной антенны. Приемник СНС-6 может также использоваться из аппаратуры Японской фирмы Furuno Elektric Co. LTD. "Model SC-120"). Сумматор 7 - интегральная микросхема типа 140-УД-6. Интегратор 8 - интегральная микросхема 140-УД-8. Дифференциатор 9 - интегральная микросхема типа 140-УД-6 с подключенным на вход конденсатором с малыми утечками. Вспомогательная антенна 11 может быть использована из угломерной аппаратуры типа МРК - 11 для спутниковых навигационных систем ГЛОНАС и GPS, разработки НИИ радиотехники Красноярского государственного технического университета. Возможен также вариант цифровой реализации вычислителя 3 на серийном микроконтроллере. Аппаратура работает следующим образом. Требуемое направление движения судна задается задатчиком путевого угла 1. Если это направление движения судна не совпадает с текущим направлением, то на выходе вычислителя 3 появится сигнал, приводящий к отклонению пера руля судна рулевым приводом 4, после чего начинается поворот судна к заданному направлению движения. При достижении судном заданного направления движения перо руля вернется в балансировочное положение. Рассмотрим, как формируется закон управления рулевым приводом 4. Сигнал, пропорциональный текущему направлению движения судна ПУ, вырабатывается на первом выходе приемника СНС 6 и поступает через третий вход вычислителя 3 на третий вход сумматора 7, на первый вход которого поступает сигнал с задатчика 1 - заданное направление движения судна ПУ зад. На выходе сумматора 7 при этом будет формироваться сигнал отклонения судна от заданного направления движения:
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/916.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221071/948.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221728/2221728-2t.gif)
Высокую точность измерения угла поворота судна можно достичь при добавлении второй антенны - вспомогательной, размещенной также на судне с жестко фиксированным расстоянием межу двумя антеннами. Это позволит определять угол курса -
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221728/2221728-3t.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/916.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
Сигнал оценки угловой скорости судна
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
ПУ-
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/916.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
d/dt
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221071/948.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/916.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221071/948.gif)
где d/dt
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221071/948.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221071/948.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/916.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
У - боковое отклонение судна,
К1-К5 - коэффициенты регулирования. Рассмотрим процесс выработки оптимальных (близких к оптимальным) оценки сигнала угловой скорости
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/916.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/981.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/916.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221728/2221728-4t.gif)
Для вычисления оценок
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221728/2221728-5t.gif)
В "аппаратуре. . . " реализация зависимости (3) осуществляется на двух интеграторах 8, 10. Сигнал угла перекладки руля поступает с датчика угла перекладки руля 2 через второй вход вычислителя 3 на первый и второй входы соответственно первого и второго интеграторов. Сигналы (K11
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221055/946.gif)
![аппаратура автоматического управления движением судна, патент № 2221728](/images/patents/247/2221176/969.gif)
Класс B63H25/04 автоматические, например реагирующие на изменение показаний компаса