способ швартовки судна

Формула изобретения

Способ швартовки судна с использованием приемника спутниковой навигационной системы, блока программного управления и вычислителя, на вход которого вводят сигналы текущей широты и долготы положения судна с приемника спутниковой навигационной системы и сигналы координат заданной конечной точки швартовки для формирования сигнала заданного вектора путевого угла, который вводят в блок программного управления, где формируют сигналы программного управления движением судна по углу курса и скорости хода судна и сигнал заданного путевого угла, последний вводят в вычислитель для формирования сигнала управления движением судна по путевому углу, отличающийся тем, что формируют прогнозируемые значения сигналов вектора путевого угла, курса и скорости хода вблизи конечной точки швартовки, используют блок ускоренного программного управления, ускоренный вычислитель, блок ускоренных исполнительных органов, блок сравнения и электронную модель движения судна, на вход которой вводят сигналы текущей широты и долготы положения судна, скорости хода с приемника спутниковой навигационной системы и сигналы состояния исполнительных средств из блока ускоренных исполнительных органов, в ускоренном вычислителе формируют сигналы управления блоком ускоренных исполнительных средств, используя сигналы ускоренного заданного вектора путевого угла и программного ускоренного управления по курсу и скорости хода судна из блока ускоренного программного управления, сигналы программных значений вблизи конечной точки швартовки - вектора путевого угла, курса и скорости хода из блока программного управления, а также прогнозируемого курса, прогнозируемой скорости хода судна из электронной модели движения судна, вводят в блок сравнения для формирования сигнала сбоя.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области судовождения - управлению движением судна по заданной траектории с швартовкой к пирсу и непрерывной выдачей судоводителю прогноза о фазовом состоянии судна в будущий момент окончания процесса швартовки.

Известен "Способ экспериментального определения параметров математической модели движения судна" (патент России №2151713). В рассматриваемом способе благодаря использованию информации о состоянии судна от приемника спутниковой навигационной системы удается идентифицировать все коэффициенты полной математической модели движения судна, чтобы обеспечить автоматическое управление движением судна и режим швартовки

Известен также способ управления движением судна в процессе швартовки (патент России №33448914), в котором для автоматизации режима швартовки используют блок программного управления по выдаче допустимого значения угла дрейфа в функции от расстояния суда до пирса и программного значения угла курса.

В качестве прототипа принят патент России №2292289 «Способ автоматического управления движением судна», основанный на использовании рулевого привода, сигналов точек поворота маршрута из программного блока, сигналов текущей широты и долготы судна из приемника спутниковой навигационной системы (СНС) и вычислителя-сумматора, на вход которого подают: сигнал угловой скорости судна, сигнал угла перекладки руля, сигнал текущего путевого угла и сигнал заданного путевого угла (вектор заданного путевого угла), который вырабатывают, используя сигналы широты и долготы судна в текущий момент времени плавания t₀ и сигналы значений широты и долготы точки A₀ - желаемого (будущего) поворота судна для обеспечения дальнейшего движения судна по заданной траектории. На выходе вычислителя формируют управляющий сигнал, который подают на вход рулевого привода.

В процессе движения судна к точке A₀ формируются сигналы управления исполнительными средствами для обеспечения движения судна с путевым углом, максимально приближенным к заданному путевому углу. Через интервал времени t цикл вычислений повторяют (с корректировкой величины заданного путевого угла).

Через m интервалов времени т.е. в момент времени t_m=t₀ +m t, когда длина вектора заданного путевого угла станет меньше C₁, процесс выхода судна в точку A ₀ заканчивается и формируется новое значение вектора заданного путевого угла по текущим значениям широты и долготы судна в момент времени t_m и заданным значениям широты и долготы следующей (второй) точки поворота судна (значение вектора заданного путевого угла корректируется, если судно уходит с заданной траектории, при каждом повторном вычислении через интервал времени t).

Недостатком рассмотренных способов управления движением судна при швартовке является отсутствие непрерывного контроля за исправной работой всех исполнительных средств и соответствия будущего фазового состояния судна в момент окончания процесса швартовки заданным программным значениям.

В предлагаемом способе отмеченный недостаток устраняют благодаря формированию в процессе режима швартовки судна от точки А₀ до конечной точки швартовки судна А_конеч будущей длины вектора заданного путевого угла и фазовых координат будущего состояния судна. Эти сигналы вырабатывают в блоке ускоренного программного управления с использованием электронной модели движения судна, работающей в ускоренном масштабе времени. Через интервал времени t прогноз повторяют. Прогнозируемые сигналы конечной точки швартовки судна А_конеч. сравнивают с программными значениями в точке А_конеч. и при недопустимом отклонении выдают информацию судоводителю.

Целью предлагаемого способа швартовки судна с прогнозом является повышение безопасности и живучести системы автоматического управления движением судна в процессе режима швартовки.

Рассмотрим, как реализуется предложенный способ.

Способ швартовки судна используется после выхода судна в заданную точку А₀ маршрута. Дальнейшее управление движением судна осуществляется в соответствии с заданной параметрической программой до выхода судна в точку А_конеч. - окончания швартовки судна к пирсу.

Описание способа швартовки судна (последовательность операций)

Операция швартовки начинается в момент времени t₀, когда судно достигнет заданной штурманом на карте точки А₀, и заканчивается в момент времени t_m, когда судно достигнет конечной точки швартовки А_конеч.

А. Формирование программных сигналов управления судном

1. Формирование сигнала длины вектора заданного путевого угла L _i=0,1,..m.

1) В вычислитель в момент времени t ₀ вводят сигналы широты и долготы судна в точке А ₀: Фi=Ф₀, _i= ₀ из приемника СНС и сигналы координат т. А_конеч. (Ф_конеч. , _конеч.) из блока программного управления, по которым формируют сигнал L_i=0 - расстояния между точкой А₀ (Ф_i =Ф₀, _i= ₀) и точкой А_конеч. (Ф_конеч., _конеч.). Сигнал длины L _i=0 подают в блок программного управления.

2) Через интервал времени t в момент времени t₁=t ₀+ t формируют сигнал L_i=1. В вычислитель вводят сигналы широты и долготы судна в момент времени t ₁ (точка A₁) из приемника СНС: Фi=Ф ₁, _i= ₁ и сигналы координат т. А _конеч (Ф_конеч., _конеч.) из блока программного управления. Сигнал длины вектора L_i=1 подают в блок программного управления.

3) Через второй интервал времени 2 t в момент времени t₂=t ₀+2 t формируют сигнал L_i=2 и аналогично L_i=3,4...m до момента времени t _m=t₀+m t, соответствующий величине сигнала L_i=m <C₁.

2. Формирование в вычислителе сигнала заданного путевого угла

COG _{зд i=0,1,2...m.}

1) В момент времени t ₀, соответствующий нахождению судна в точке А ₀, используют сигналы широты и долготы положения судна Ф_i=0=Ф₀, _i=0= ₀ из приемника СНС и сигналы координат конечной точки швартовки А_конеч. (Ф _конеч., _конеч.) - из блока программного управления, по которым формируют в вычислителе сигнал заданного путевого угла:

Сигнал заданного путевого угла COG _зд.i=0 вводят в блок программного управления.

2) Через интервал времени t в момент времени t₁=t ₀+ t, соответствующий приходу судна в точку A ₁, формируют сигнал заданного путевого угла COG _зд.i=1 с использованием сигналов широты и долготы точки A₁ (Ф_i=Ф _i=1, _i= _i=1) из приемника СНС и сигналов координат конечной точки швартовки А_конеч (Ф_конеч., _конеч) из блока программного управления.

3) Аналогично формируют сигнал заданного путевого угла в момент времени t₂=t₀+2 t, t₃... Циклы повторяют до момента времени t_m=t₀+m t (приход судна в точку А_i=А _конеч., когда сигнал длины вектора заданного путевого угла будет: L_i=m<C₁ ).

3. В блоке программного управления формируют с момента времени t₀ программные сигналы курса - _{прогр.i=0} и скорости хода судна V _{прогр.i=0} с использованием сигнала L_i из блока программного управления. Повторяют циклы вычислений с интервалом времени t до момента времени t_m=t ₀+m t, когда сигнал длины вектора заданного путевого угла будет в окрестностях точки А_конеч. т.е. L _i=m<C₁:

( _прогр.i=f₁ (L_i), V_прогр.i=f ₂ (L_i)).

4. Формирование в вычислителе сигналов программного управления, начиная с момента времени t₀, до момента времени t _m=t₀+m t, когда сигнал длины вектора заданного путевого угла будет в окрестности точки А_конеч., т.е. L _i=m<C₁:

- сигналов фазовых координат судна,

- сигналов состояния исполнительных средств.

Циклы формирований повторяют через интервалы времени t.

1) Из блока программного управления вводят сигналы программного управления:

а) курса судна _прогр.i=f₁ (L_i),

б) скорости хода судна V _{прогр.,i.}=f₂(L_i ),

2) Из приемника СНС вводят сигналы:

а) текущего путевого угла COG_i,

б) текущих координат судна Ф_i, _i,

в) текущей скорости хода судна V_i.

3) Из блока исполнительных средств вводят сигналы:

а) датчика руля - сигнал текущего угла перекладки руля _i.

б) датчика курса и угловой скорости - сигналы текущего курса _i и угловой скорости судна _i,

в) датчика оборотов гребного винта - сигнал текущих оборотов гребного винта n _i,

г) датчика тяги - сигнал текущей тяги Т _i - носового подруливающего устройства.

5. Формирование в вычислителе сигналов управления блоком исполнительных органов с момента времени t₀ (с повторением через интервал времени t) до момента времени t_m=t ₀+m t (когда сигнал длины вектора заданного путевого угла будет.L _i=m<C_1,):

- управления рулевым приводом d/dt _зд.i,

- управления носовым подруливающим устройством d/dt Т_i,

- управления регулятором оборотов гребного винта d/dt n _i.

1) Управление рулевым приводом для поддержания текущего угла курса _i близким к программному значению _прогр.i

где

d/dt _i - скорость перекладки руля,

( _i- _прогр.i) - сигнал рассогласования по курсу,

_i, _зд.i - текущий и заданный углы перекладки руля,

К_1,2 - коэффициенты регулирования.

2) Управление носовым подруливающим устройством для поддержания текущего путевого угла близким к заданному значению:

где: Т_i, d/dt Т _i - сигналы текущей тяги подруливающего устройства и скорости ее изменения,

COG_i, COG _зд.i - сигналы текущего и заданного путевого угла,

(COG_i-COG_зд.i )dt - сигнал интеграла от угла рассогласования путевого угла,

К_1,2,...4 - коэффициенты регулирования.

3) Управление регулятором оборотов гребного винта для поддержания скорости хода судна близкой к заданной программной:

где:

d/dt n_i, d/dt V_i - сигналы производных от текущих оборотов гребного винта и текущей скорости хода судна,

К _1,2 - коэффициенты регулирования,

(V _i-V_прогр.i) - сигнал рассогласования текущей скорости хода судна относительно текущего программного значения.

Сигналы d/dt _i, d/dt Т_i и d/dt n_i из вычислителя подают на входы блока исполнительных органов:

- рулевого привода,

- носового подруливающего устройства,

- регулятора оборотов гребного винта.

Б. Формирование сигналов прогнозируемых значений фазового состояния судна вблизи точки А _конеч. в процессе швартовки.

Сигналы формируют в ускоренном масштабе времени =kt, k>>1 с использованием: электронной модели движения судна, ускоренного вычислителя, блока ускоренного программного управления и блока ускоренных исполнительных органов. Обработка производится с момента времени ₀=0 (когда судно достигнет заданной штурманом на карте точки А₀ в момент времени t₀) и заканчивается в момент ускоренного времени _n - время выхода электронной модели движения судна в точку А_конеч.. (Это происходит, когда длина ускоренного вектора заданного путевого угла L _{ускор.i=n}<C₁.)

Через интервал натурального времени t вновь производится выработка прогнозируемых фазовых координат судна. Затем через 2 t, 3 t... m t повторяется выработка прогнозируемых фазовых координат судна до момента натурального времени: t_m =t₀+m t. (t_m соответствует времени, когда длина вектора заданного путевого угла L_зд..i=m <C₁.)

1. Формирование сигнала длины ускоренного вектора заданного путевого угла L _{ускор.i=0,1,2,...n}.

1) В ускоренный вычислитель вводят сигналы широты и долготы точки A₀ (Фi=Ф ₀, _i= ₀) из приемника СНС и сигналы координат точки А_конеч (Ф_конеч. , _конеч) из ускоренного программного блока, по которым формируют начиная с момента времени ₀ сигнал L_{ускорен.i=0} (расстояние между точкой A₀ (Ф _i=Ф₀, _i= ₀) и точкой А_конеч. (Ф_конеч., _конеч.)). Сигнал длины L _{ускор.i=0} вводят в блок ускоренного программного управления,

2) Через интервал времени в момент времени ₁= ₀+ формируют сигнал L_{ускор i=1} в ускоренном вычислителе. С этой целью из электронной модели движения судна вводят прогнозируемые сигналы широты и долготы судна в т. A _{1 ускор} (в момент времени ₁): Ф_{ускор.i=1} , _{ускор.i=1} и сигналы координат т. А_конеч из ускоренного программного блока Ф_конеч., _конеч. Формируют сигнал длины L _{ускор.i=1}, который вводят в блок ускоренного программного управления.

3) Через интервал времени 2 в момент времени ₂= ₀+2 формируют сигнал L_{ускор.i=2} аналогично пункту.2). Затем формируют L_{ускор.i=3,4...n} и вводят их в блок ускоренного программного управления (момент времени _n= ₀+n соответствует вхождению электронной модели движения судна в область конечной точки швартовки А_конеч , когда величина сигнала L_{ускор.i=n}<C ₁).

Через интервал натурального времени t после начала ускоренного моделирования t ₀, т.е. в момент прихода судна в точку A ₁ в момент времени t₀+ t осуществляется вновь формирование сигнала длины ускоренного вектора заданного путевого угла в ускоренном времени L _{ускор.ia=0,1,2,...na}

1a) В ускоренный вычислитель вводят сигналы широты и долготы точки А₁ (Ф_iа=0=Ф₁, _ia=0= ₁) из приемника СНС и сигналы координат т. А_конеч (Ф_конеч. , _конеч.) из ускоренного программного блока, по которым формируют в момент времени t ₀+ t (который соответствует началу ускоренного времени _0a=0) для формирования сигнала L _{ускорен.ia=0} (расстояние между точкой А ₁(Ф_ia=0=Ф₁, _ia=0= ₁) и точкой А_конеч. (Ф_конеч., _конеч.)). Сигнал длины L _{ускор.ia=0} вводят в блок ускоренного программного управления.

2а) Через интервал времени в момент ускоренного времени ₁= _0a+ формируют сигнал L_{ускор ia=1}. В ускоренный вычислитель вводят сигналы широты и долготы с электронной модели движения судна в момент времени ₁: Ф_{ускор.iа=1} , _{ускор.iа=1}, и сигналы координат точки А_конеч. (Ф_конеч., _конеч. из ускоренного программного блока. Формируют сигнал длины L_{ускор.ia=1} , который подают в блок ускоренного программного управления.

3а) Через интервал времени 2 в момент времени ₂= ₀+2 формируют сигнал L_{ускор.iа=2} (подобно L_{ускор ia=1}). Сигнал длины L у _{скор.iа.} подают в блок ускоренного программного управления. Аналогично формируют L_{ускор.iа=2,3,4...nа} до момента времени _na= _0a+n_a , когда электронная модель движения судна окажется в области точки А_конеч (сигнал длины ускоренного вектора заданного путевого угла в момент времени _na: L_{ускор.ia=n} <С₁).

Через интервал натурального времени 2 t после начала моделирования t₀, т.е. в момент прихода судна в точку A₂ в момент времени t₀+2 t осуществляется вновь формирование сигнала длины ускоренного вектора заданного путевого угла в ускоренном времени L _{ускор.iб.в,...=0,1,2,...n} аналогично рассмотренному выше. Затем осуществляют формирование сигнала L_{ускор.i=0,1,2,...} после вхождения судна в точки А₃...А _n-1, (А_n=А_конеч. ).

2. Формирование сигнала ускоренного заданного путевого угла в ускоренном масштабе времени COG_{ускор.зд.i=0,1,2,.n.} в ускоренном вычислителе с момента времени ₀=0, повторяя формирование через интервалы времени до момента времени _n= ₀+n , когда величина сигнала длины вектора ускоренного заданного путевого угла: L_{ускор.i=n}<C ₁.

1) Формирование сигнала ускоренного заданного путевого угла COG_{ускор зд.i=0} в момент времени ₀ (соответствующий нахождению судна в точке A₀ в момент текущего времени t ₀). Используют сигналы широты и долготы точки A ₀ (Ф_ускор.i=Ф₀ , _ускор.i= ₀) из приемника СНС и сигналы конечной точки швартовки А_конеч. (Ф _конеч., _конеч) из блока ускоренного программного управления:

Сигнал заданного ускоренного путевого угла COG _{ускор.зд.i=0} вводят в блок ускоренного программного управления.

2) Через интервал времени в момент времени ₁= ₀+ формируют в ускоренном вычислителе сигнал ускоренного заданного путевого угла COG_{ускор.зд.i=1} с использованием сигналов широт и долгот будущего местонахождения судна в точке А_ускор.1(Ф _ускор.i=Ф₁, _ускор.i= ₁) из электронной модели движения судна и сигналов координат конечной точки швартовки А _конеч (Ф_конеч., _конеч.) - из блока ускоренного программного управления, по которым формируют в ускоренном вычислителе:

Tg COG _зд.i=(Ф_{ускор.i=1} -Ф_конеч.)/( _{ускор.i=1}- _конеч.)

COG _{ускор.зд.i=1}=ArctgCOG_зд.i

Сигнал ускоренного заданного путевого угла COG_{ускор.зд.i=1} вводят в блок ускоренного программного управления.

3) Аналогично пункту 2) формируют сигнал ускоренного заданного путевого угла в моменты времени ₂= ₀+2 , ₃...,. Процесс формирования сигнала ускоренного заданного путевого угла COG_{ускор.зд.i=2,3..n} повторяют до момента времени _n= ₀+n , соответствующего приходу электронной модели движения судна в точку A_ускор.i=А _конеч., когда сигнал длины вектора ускоренного заданного путевого угла из блока ускоренного программного управления будет: L_{ускор.i=n}<C₁).

Через интервал натурального времени t после начала ускоренного моделирования t ₀, т.е. в момент прихода судна в точку A ₁, осуществляется вновь формирование сигнала заданного ускоренного путевого угла COG_{ускор.зд.ia=0,1,2,...na} .

1a) Формирование сигнала ускоренного заданного путевого угла COG_{ускор зд.ia=0} в момент времени _0a (соответствующий нахождению судна в точке A₁ в момент текущего времени t ₀+ t)

Используют сигналы широты и долготы точки A ₁ (Ф_{ускор.i0a}=Ф₁ , _{ускор.i0a.}= ₁) из приемника СНС и сигналы точки швартовки А_конеч (Ф_конеч. , _конеч.) из блока ускоренного программного управления:

Сигнал заданного ускоренного путевого угла COG _{ускор.зд.ia 0} вводят в блок ускоренного программного управления.

2а) Через интервал времени в момент времени _1a= _0a+ прихода электронной модели движения судна в точку А _ускор.1 формируют в ускоренном вычислителе сигнал ускоренного заданного путевого угла COG_{ускор.зд.i,а,1} с использованием сигналов широт и долгот будущего местонахождения судна в точке А_ускор.1 (Ф _ускор.1, _ускор.1) из электронной модели движения судна и сигналов координат точки швартовки А_конеч (Ф_конеч., _конеч.) из блока ускоренного программного управления:

Tg COG _зд.ia=(Ф _{ускор.ia.1}-Ф_конеч.)/( _{ускор.ia.,1}- _конеч.)

COG _{ускор.зд.ia,a,1.}=ArctgCOG_зд.ia

Сигнал ускоренного заданного путевого угла COG _{ускор.зд.i,a,1} вводят в блок ускоренного программного управления.

Аналогично пункту 2а) формируют сигнал ускоренного заданного путевого угла в моменты времени _2a= _0a+2 , ₃... Формирование повторяют до момента времени _na= ₀+n_a - приход электронной модели движения судна в точку А _{ускор.i,а,na.}=А_конеч. (когда сигнал длины вектора ускоренного заданного путевого угла из блока ускоренного программного управления будет: L_{ускор.i=na} <C₁).

Через интервал натурального времени 2 t (после начала моделирования t₀, т.е. в момент прихода судна в точку А₃) осуществляется вновь формирование сигнала ускоренного заданного путевого угла COG_{ускор.зд.i,б} в ускоренном времени аналогично рассмотренному в п.2). Затем при приходе судна в точки А₃...А_n·1 , (А_n=А_конеч.) формирование сигнала ускоренного заданного путевого угла повторяют.

3. В блоке ускоренного программного управления формируют с момента натурального времени t₀ (повторяя с интервалом времени до момента времени _n= ₀+n , когда сигнал длины ускоренного вектора заданного путевого угла будет в окрестностях точки А_конеч. , т.е. L_{ускорен.i=n}<C ₁) ускоренные программные сигналы курса _{ускор.прогр.i} и скорости хода судна V_{ускор.прогр.i}:

( _{ускор.прогр,i}=f₁ (L_ускор.i), V_{ускор.прогр.i} =f₂ (L_ускор.i)),

где - L_ускор.i - сигнал длины ускоренного вектора путевого угла.

Через интервал времени t в момент натурального времени t₀ + t и ускоренного времени _0а=0 (что соответствует началу нового ускоренного цикла вычислений) в блоке ускоренного программного управления формируют, повторяя с интервалом времени до момента времени _na= ₀+n_a (соответствующего нахождению сигнала длины ускоренного вектора заданного путевого угла в окрестности точки А _конеч., т.е. L_{ускорен.i=na}<C ₁) ускоренные программные сигналы курса _{ускор.прогр.ia} и скорость хода судна V_{ускор.прогр.ia}.

Через следующий интервал времени 2 t в момент натурального времени t₀ +2 t= _0б ( _0б - в ускоренном времени это соответствует началу нового ускоренного цикла вычислений ускоренного процесса) формируют аналогично сигналы курса _{ускор.прогр.iб} и скорости хода судна V_{ускор.прогр.iб}, ... до интервала времени n_i t, когда длина вектора заданного путевого угла войдет в область точки А_конеч.: L _i=n<С₁.

4. Формирование в электронной модели движения судна прогнозируемых сигналов фазовых координат судна:

- путевого угла COG_{ускор.i.} ,

- широты и долготы (Ф_ускор.i, _ускор.i),

- скорости хода судна V_{ускор.i.},

- угла курса и угловой скорости _ускор. , _ускор

При формировании сигналов фазовых координат судна используют типовые нелинейные дифференциальные и кинематические зависимости динамики движения судна. Цикл ускоренных вычислений составляет время , который начинается с момента времени ₀=0 (когда судно достигнет заданной штурманом на карте точки А₀) и заканчивается в момент времени _n - время ускоренного выхода электронной модели движения судна в конечную точку А_конеч. (когда длина ускоренного вектора заданного путевого угла L _{ускор.i=n}<C₁).

Используются следующие сигналы:

1) из блока ускоренного программного управления:

а) курса судна _{прогр.ускор.i}=f₁ (L_ускор.i),

б) скорости хода судна V_{прогр.ускор.i.}=f₂ (L_ускор.i).

2) Из блока ускоренных исполнительных органов:

а) угол перекладки руля _ускор.i,

б) скорость оборотов гребного винта n_ускор.i,

в) тяги подруливающих устройств - Т_ускор.i.

3) Из приемника СНС - сигналы, используемые в качестве начальных условий:

а) путевого угла судна COG_i

б) широты и долготы судна (Ф_i, _i),

в) скорости хода судна V_i,

Через интервал времени t с момента натурального времени t₀ + t= ₀ в электронной модели движения судна формируют сигналы:

а) путевого угла судна COG _{ускор.iа}

б) широты и долготы судна (Ф _{ускор.iа}, _{,ускор.iа}),

в) скорости хода судна V_{ускор.iа.}.

( _0a - в ускоренном времени соответствует началу нового ускоренного цикла вычислений, процесс повторяется с интервалом времени до момента времени _ni= ₀+n_a , _na, соответствующего времени вхождения электронной модели судна в область конечной точки А _конеч.). Последний цикл будет при L_ускор.i <С

5. Формирование в ускоренном вычислителе сигналов управления блоком ускоренных исполнительных органов при переходе электронной модели судна из точки A₀ в точку А_конеч.:

- ускоренным рулевым приводом _{зд ускор.i},

- ускоренным подруливающим устройством d/dtT_ускор.i,

- ускоренным регулятором оборотов гребных винтов d/dt n_ускор.i .

Цикл ускоренных вычислений составляет время , который начинается с момента времени ₀=0 (когда судно достигнет заданной штурманом на карте точки А₀) и заканчивается в момент времени _n - время ускоренного выхода электронной модели движения судна в точку А_конеч. (когда длина ускоренного вектора заданного путевого угла L _{ускор.i=n}<C₁).

Через интервал времени t в момент натурального времени t₀ + t, _0а=0 (в ускоренном времени это соответствует началу нового ускоренного цикла вычислений процесса) в ускоренном вычислителе формируют сигналы: _{зд ускор.iа}, d/dt T _{ускор.ia}, d/dt n._{ускор.iа}, повторяя с интервалом времени до момента времени _na= ₀+n_a (соответствующего L_{ускорен.i=na}<C ₁).

Через следующий интервал времени 2 t в момент натурального времени t₀ +2 t, ₀=0 формируют аналогично сигналы: _{зд ускор.iб}, d/dt T _{ускор.i,б}, d/dt n_{ускор.i,б},... до интервала времени n_б t, когда: L_i=n<С ₁.

1) Управление ускоренным рулевым приводом (для поддержания ускоренного угла курса _ускор.i близким к программному ускоренному значению _{прог ускор i}).

где:

d/dt _ускор.i - скорость перекладки руля,

( _ускор.i- _{прогр.ускор.i}) - сигнал рассогласования ускоренного курса судна,

_ускор.i, _{зд.ускор.i} - текущий и заданный ускоренный угол перекладки руля,

K₁ - коэффициент регулирования.

2) Управление ускоренным подруливающим устройством (для поддержания ускоренного путевого угла близким к заданному ускоренному значению):

где:

Т_ускор.i, d/dt Т_ускор.i - сигналы ускоренной тяги подруливающего устройства и скорости ее изменения,

COG _ускор.i COG_{зд ускор.i} - сигналы текущего и заданного путевого угла,

- сигнал интеграла от угла рассогласования ускоренного путевого угла,

К₁ - коэффициенты регулирования.

3) Управление ускоренным регулятором оборотов гребного винта (для поддержания ускоренной скорости хода судна близкой к ускоренной программной):

где:

d/dt n_ускор.i , d/dt V_ускор.i - сигналы ускоренных производных от оборотов гребного винта и скорости хода судна,

К _1,2 - коэффициенты регулирования,

(V _ускор.i-V_{прогр.ускор.i}) - сигнал рассогласования ускоренной скорости хода судна относительно ускоренного программного значения.

Сигналы d/dt _ускор.i, d/dt Т_ускор.i и d/dt n_ускор.i из ускоренного вычислителя подают с момента времени ₀=t₀ до _m через интервалы времени соответственно на вход блока ускоренных исполнительных органов:

- ускоренного рулевого привода,

- ускоренного подруливающего устройства.

- ускоренного регулятора оборотов гребного винта.

6. Формирование сигнала отклонения прогнозируемого состояния судна от программных значений в области конечной точки швартовки А_конеч..

1) Сигналы длины вектора ускоренного заданного путевого угла в области точки А _конеч. из блока ускоренного программного управления и сигналы длины вектора заданного путевого угла в области конечной точки А_конеч. из блока программного управления алгебраически суммируют, формируя отклонение:

L=(L_{прогноза А конеч.}-L _{прогр. А конеч.}).

2) Сигнал программного угла курса в области конечной точки А_конеч. из программного блока и сигнал программного ускоренного угла курса в области точки А_конеч. из электронной модели движения судна алгебраически суммируют, формируя отклонение:

=( _{прогноза А конеч.}- _{прогр. А конеч.}).

3) Сигналы программной скорости хода в области точки А_конеч. из программного блока и ускоренной скорости хода в области точки А_конеч. из электронной модели движения судна алгебраически суммируют, формируя отклонение:

V=(V_{прогноза А конеч.}-V _{прогр. А конеч.}).

Сигналы L, , V сравнивают с уставками, если отклонения превышают допуск, то вырабатывается сигнал сбоя.

Описание устройства швартовки судна.

Рассмотрим возможный вариант реализации предложенного выше способа. На чертеже приведена блок-схема устройства швартовки судна содержащего:

Вычислитель 1. Блок программного управления 2. Приемник спутниковой навигационной системы (СНС) 3. Блок исполнительных органов 4. Электронная модель движения судна 5. Блок ускоренного программного управления 6. Ускоренный вычислитель 7. Блок ускоренных исполнительных органов 8. Блок сравнения 9. Судно 10.

Связи между блоками приведены на чертеже.

Реализация всех блоков предложенного устройства, кроме приемника СНС 3 и блока исполнительных органов 4, являющихся штатными корабельными системами, может быть осуществлена на современном микроконтроллере либо персональном компьютере.

Основными особенностями предложенного устройства являются:

- непрерывный контроль за процессом швартовки судна к пирсу путем выдачи информации судоводителю о будущем состоянии судна вблизи конечной точки швартовки,

- астатическое управление движением судна по программе, формируемой в функции от расстояния судна до конечной точки швартовки.

Устройство швартовки подключается в момент времени t₀ , когда судно достигнет заданной штурманом на карте точки А ₀ (начало режима швартовки)

Для решения двух отмеченных выше задач в устройстве вырабатывается с непрерывной коррекцией вектор заданного путевого угла и перестраиваемые параметрические программы, которые используются для астатического управления движением судна и формирования непрерывного прогноза будущего фазового состояния судна вблизи конечной точки швартовки в процессе швартовки судна из точки А₀ в конечную точку швартовки А_конеч..

1. Выработка сигнала заданного путевого угла COG_зд.i. вектора движения судна из точки А₀ в конечную точку швартовки А_конеч. с использованием сигналов широт и долгот текущего положения судна Ф _i, _i (с момента времени t ₀, когда судно в точке А₀).

Угол COG_зд.i вырабатывается в вычислителе 1 с использованием сигналов текущих значений широты и долготы Ф_i, _i (место нахождения судна, которые поступают, из приемника СНС 3), и точки А_конеч. (Ф_конеч., _конеч.) швартовки судна у пирса - поступает из блока программного управления 2. Заданное значение путевого угла вырабатывается в вычислителе 1 в соответствии с зависимостью (1).

2. Формирование длины вектора заданного путевого угла L_i

В вычислитель 1 из приемника СНС 3 поступает текущая широта и долгота судна: (Фi=Ф₀, _i= ₀), а из блока программного управления 2 координаты конечной точки швартовки А_конеч. Сигнал длины L_i вырабатывают постоянно с момента времени t₀ в вычислителе 1 через интервалы времени t, и он поступает в блок программного управления 2.

3. В функциональных преобразователях блока программного управления 2 формируются программные сигналы курса _прогр. и скорости хода судна V _прогр в функции от длины вектора заданного путевого угла L_i.:

( _прогр.=f₁ (L _i), V_прогр.=f₂ (L_i).

4. В вычислитель 1 поступают исходные данные для выработки законов управления блоком исполнительных органов 4:

1) из блока программного управления 2:

а) координаты конечной точки швартовки А_конеч. ,

б) курса судна _прогр.=f₁ (L _i),

в) скорости хода судна V_прогр. =f₂ (L_i).

2) Из приемника СНС 3 поступают сигналы:

а) текущего путевого угла COG,

б) текущих координат судна Ф_i , _i,

в) текущей скорости хода судна V_i.

На выходе вычислителя 1 формируются законы управления блоком исполнительных органов 4:

1) рулевым приводом - (см. зависимость (2)).

2) носовым подруливающим устройством - (см. зависимость (3)).

3) регулятором оборотов гребного винта - (см. зависимость (4)).

Сигналы d/dt _i, d/dt T_i и d/dt n_i из вычислителя 1 соответственно поступают на входы рулевого привода, носового подруливающего устройства, регулятора оборотов гребного винта, которые используют также сигналы от штатных датчиков для осуществления процесса швартовки судна к пирсу в соответствии с заданной программой.

Рассмотрим процесс выработки прогнозируемых значений фазовых координат судна от момента нахождения судна в точке A ₀ до вхождения в область конечной точки швартовки А _конеч. (вычислительные операции в рассматриваемых блоках описаны выше в разделе Б).

В ускоренном вычислителе 7 вырабатывается длина ускоренного вектора заданного путевого угла L _{прогноза А конеч.} с использованием данных о текущей широте и долготе судна, поступающих из приемника спутниковой навигационной системы 3, прогнозируемых значений широт и долгот судна, вырабатываемых электронной моделью движения судна 5 и координат конечной точки швартовки А_конеч., поступающих из блока ускоренного программного управления 6.

Величина L _{прогноза А конеч.} после окончания ускоренного цикла вычислений в момент ускоренного времени _n= ₀+n поступает в блок сравнения 9. Через интервалы натурального времени t ускоренный цикл вычислений L_{прогноза А конеч.} многократно повторяется до окончания швартовки.

В ускоренном вычислителе 7 вырабатывается также ускоренный заданный путевой угол COG_{ускор.зд.} с использованием данных текущей широты и долготы судна, поступающих из приемника спутниковой навигационной системы 3, прогнозируемых значений широт и долгот судна, вырабатываемых электронной моделью движения судна 5 и координат конечной точки швартовки А _конеч, поступающих из блока ускоренного программного управления 6. Величина COG_{ускор.зд.} после окончания ускоренного цикла вычислений в момент ускоренного времени _n= ₀+n поступает в блок сравнения 9. Через интервалы натурального времени t ускоренные циклы вычислений COG_{ускор.зд.} многократно повторяются до окончания процесса швартовки.

Выработка прогнозируемых значения _{прогноз. А конеч.}, V _{прогноз. А конеч.} осуществляется в электронной модели движения судна 5, которые поступают в ускоренный вычислитель 7 и блок сравнения 9.

С этой целью на вход электронной модели движения судна 5 подают сигналы:

- с приемника спутниковой навигационной системы 3:

COG_i, Ф _i, _i, V_i,

- с блока ускоренного программного управления 6:

_{прог.прогноз.i.}=f ₁ (L_{i прогноз.}), -

V _{прог прогноз.i.}=f₂ (L _{i прогноз.}),

- с блока ускоренных исполнительных органов:

n_{ускор i}, _ускор.i, T_ускор.i .

Выработка сбоя работы устройства осуществляется в блоке сравнения 9, на первый вход которого с выхода электронной модели движения судна 5 поступают сигналы: _{прогноз. А конеч.}, V _{прогноз. А конеч.}, на второй вход с ускоренного вычислителя 7 L_{прогноз. A конеч.} и третий вход блока 9 с блока программного управления 2 _{прогр. А конеч.}, V _{прогр. А конеч.}, L_{прогр A конеч.}.

Проведенное моделирование устройства швартовки судна с прогнозом подтвердило работоспособность и эффективность управления с использованием предложенного способа швартовки судна.