способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля
Классы МПК: | B63H25/04 автоматические, например реагирующие на изменение показаний компаса |
Автор(ы): | Клячко Лев Михайлович (RU), Острецов Генрих Эразмович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-02-08 публикация патента:
27.10.2011 |
Изобретение относится к области судостроения. В способе отказобезопасного автоматического управления движением используются блок диагностики, модули: программный, вычислительный, исполнительных устройств, измерительный, резервные модули: вычислительный - зд.резер., исполнительных устройств - резер., измерительный - резер. и модель исполнительных устройств - модельн. В блоке диагностики формируют: первый сигнал разности сигналов угла курса (из измерительного модуля) и заданного угла курса (из программного модуля) | - зд.|, второй сигнал разности сигналов угла курса (из измерительного модуля) и сигнала резервного угла курса (из резервного измерительного модуля) | - резер.|, третий сигнал разности сигналов зд. (из вычислительного модуля) и сигнала зд.резер. (из резервного вычислительного модуля) | зд.- дз.резер.|, четвертый сигнал разности сигналов (из модуля исполнительных устройств) и сигнала модельн. (из резервного модуля модели исполнительных устройств) | - модельн.|. Сигналы разности сравниваются с сигналами допустимых значений. По результатам сравнений производится автоматическая перестройка архитектуры САУД. Достигается автоматическое управление движением корабля при наличии сбоя в любом из модулей САУД. 4 ил.
Формула изобретения
Способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля, использующий модули: программный, вычислительный, исполнительных устройств и измерительный, в последнем формируется сигнал угла курса - , в программном модуле формируется сигнал заданного угла курса - зд, оба сигнала вводятся в вычислительный модуль, в котором используют также сигнал угловой скорости курса из измерительного модуля для формирования сигнала заданного значения угла перекладки руля - зд, сигнал зд вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе которого формируется сигнал угла перекладки руля - , отличающийся тем, что используют блок диагностики и резервные модули: вычислительный - зд.резер, исполнительных устройств - резер, измерительный - резер и модель исполнительных устройств - модельн, сигналы: , зд, , резер, модельн из соответствующих модулей вводят в блок диагностики, в последнем формируют: первый сигнал разности сигналов угла курса (из измерительного модуля) и заданного угла курса (из программного модуля) | - зд|, второй сигнал разности сигналов угла курса (из измерительного модуля) и сигнала резервного угла курса (из резервного измерительного модуля) | - резер|, третий сигнал разности сигналов зд (из вычислительного модуля) и сигнала зд.резер (из резервного вычислительного модуля) | дз- дз.резер|, четвертый сигнал разности сигналов (из модуля исполнительных устройств) и сигнала модельн (из резервного модуля модели исполнительных устройств) | - модельн|, модуль первого сигнала разности сигналов сравнивают с сигналом допустимого значения, если модуль первого сигнала разности сигналов не превышает сигнал допустимого значения, то через интервалы времени t вновь сравнивают модуль первого сигнала разности сигналов с сигналом допустимого значения, в момент времени n t, когда модуль первого сигнала разности сигналов превысит сигнал допустимого значения, то модуль второго сигнала разности сигналов сравнивают с сигналом допустимого значения, и если модуль второго сигнала разности превышает сигнал допустимого значения, то в вычислительном модуле формируют сигнал заданного значения угла перекладки руля - зд с использованием сигнала заданного угла курса зд (из программного модуля) и сигнала резервного угла курса резер (из резервного измерительного модуля), сигнал заданного значения угла перекладки руля - зд вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе модуля исполнительных устройств формируется угол перекладки руля , модуль второго сигнала разности сигналов меньше допустимого значения, то формируют модуль третьего сигнала разности сигналов и сравнивают с сигналом допустимого значения, если третий сигнал разности сигналов больше допустимого значения, то в резервном вычислительном модуле формируют заданное значение угла перекладки руля - зд.резер с использованием сигнала заданного угла курса - зд (из программного модуля) и сигналов угла курса и угловой скорости (из измерительного модуля), сигнал зд.резер вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе модуля исполнительных устройств формируется сигнал угла перекладки руля - , третий сигнал разности меньше допустимого значения, то формируют модуль четвертого сигнала разности сигналов, если модуль четвертого сигнала превышает сигнал допустимого значения, то в вычислительном модуле формируют заданное значение угла перекладки руля - зд с использованием сигнала заданного угла курса - зд (из программного модуля) и сигнала угла курса (из измерительного модуля), которое вводят на вход резервного модуля исполнительных средств, на входе последнего формируется сигнал угла перекладки руля - резер.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области судостроения - автоматическому управлению движением корабля с диагностированием исправности работы модулей системы автоматического управления движением (САУД) корабля и автоматической перестройкой САУД для сохранения ее работоспособности при наличии сбоя в каком-либо модуле системы
Известен способ управления движением корабля с диагностикой САУД путем оценки сигнала рассогласования текущего угла курса относительно заданного его значения [Острецов Г.Э. Методы построения отказобезопасных систем управления движением корабля. // Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки, информации». Украина, Алушта, 2009 г. Сборник трудов, стр.23].
Известен способ повышения качества измеряемой информации в САУД путем сравнения измеренных сигналов с полученными от электронной модели процесса управления движением корабля [Система восстановления параметров движения корабля. // Сборник трудов междуведомственного Совета по управлению движением судов, выпуск XX, изд. ИЛУ РАН, 1993 г., Москва. Стр.16-18].
Известен также способ управления движением корабля с диагностированием исправности отдельных элементов САУД в процессе работы (патент России № 2155142, принятый нами в качестве прототипа). В этом способе управления движением судна используют сигналы текущего угла курса - , скорости изменения курса - d/dt и сигнал заданного значения угла курса - зд, которые вводят в вычислитель для формирования сигнала заданного угла перекладки руля - зд. На выходе вычислителя формируется закон управления рулевым приводом: зд:
Этот же сигнал зд вводят на вход электронной модели рулевой системы для формирования сигнала модельного угла перекладки руля - модели, который при исправности рулевой системы тождественен сигналу угла перекладки руля с выхода рулевой системы - . Сигналы угла перекладки руля с выхода рулевой системы - и выхода электронной модели рулевой системы - модели вводят на индикатор. При разности сигналов более допустимой величины C1 индикатор в САУД срабатывает, информируя судоводителя о сбое в рулевой системе:
К недостаткам рассмотренного способа автоматического управления движением судна с диагностикой сбоя в рулевой системе следует отнести:
- индикатор сбоя отмечает только расхождение сигналов в рулевой системе относительно сигналов, полученных в модели рулевой системы, а где произошел сбой, в самой рулевой системе или в электронной модели рулевой системы, не выявляется,
- если произошел сбой в рулевой системе, рассмотренный способ диагностирования выдаст только информацию о сбое, при этом аварийная ситуация ждет личного участия судоводителя (судно окажется без автоматического управления),
- выявляется сбой только в одном из узлов САУД.
Предлагаемый способ управления лишен отмеченных недостатков. Целью способа отказобезопасного автоматического управления движением корабля является сохранение автоматического управления движением корабля при любом сбое в системе управления движением.
Способ базируется на формировании сигналов управления в автономных модулях повышенной надежности, т.е. архитектура САУД строится по модульно- структурному принципу и содержит:
- измерительный модуль - ,
- программный модуль - зд,
- вычислительный модуль - зд,
- модуль исполнительных средств - .
Для выявления сигнала сбоя и перестройки закона управления используется блок диагностики с резервными модулями:
- измерительный модуль - рез,
- вычислительный модуль - зд. резервный,
- модуль модели исполнительных средств - модельный,
- модуль резервных исполнительных средств - резерв.
Формирование способа автоматического управления движением корабля базируется на достоверном выявлении факта сбоя в конкретном модуле САУД и изменении архитектуры САУД для обеспечения автоматического управления при появлении сбоя в каком-либо модуле САУД.
Сигналы из измерительного модуля - и программного модуля - зд вводят на вход вычислительного модуля, на выходе которого формируется сигнал управления зд в соответствии с зависимостью (1). Сигнал зд вводят на вход модуля исполнительных средств - .
Одновременно сигналы из измерительного модуля - и программного модуля - зд вводят в блок диагностики для формирования сигнала модуля разности этих двух сигналов.
Модуль разности формируют через интервалы времени t:
Если модуль разности превысит заданное значение:
в блоке диагностики формируют сигнал d/dt зд и если выполняется условие (4):
формируют модули сигналов невязок:
При выполнении условия (5а):
сигнала - из измерительного модуля отключают от входа вычислительного модуля - зд, а сигнал - фрез из резервного измерительного модуля вводят на вход вычислительного модуля - зд для формирования корректированного закона управления.
При выполнении условия (6а)
Сигнал - зд.резервный из резервного вычислительного модуля вводят на вход модуля резервных исполнительных средств, вместо сигнала - зд из вычислительного модуля. При выполнении условия (7а):
сигнала - зд из вычислительного модуля отключают от модуля исполнительных средств - и вводят на вход модуля резервных исполнительных средств сигнал - резер.
Таким образом формируется способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля при выявлении любого ложного сигнала , или зд, или , с автоматической перестройкой архитектуры САУД,
Рассмотрим аппаратурный вариант реализации предложенного способа.
На фиг.1 приведена архитектура построения САУД в модульно-структурном исполнении с системой диагностики.
Собственно система автоматического управления движением может быть реализована в виде четырех автономных модулей повышенной надежности. Для диагностирования сбоя в любом модуле САУД введен блок диагностики с модулями: моделью исполнительных устройств, резервным измерительным модулем, резервным вычислителем и резервными исполнительными средствами.
Рассмотрим детально часть аппаратуры САУД, реализующую предложенный способ управления движением корабля, если выполняются условия (3) и (6а) (см. фиг.2, в этом случае в блоке диагностики используются только резервный модуль - исполнительных средств и модуль - модель исполнительных устройств).
Сигнал заданного значения угла курса - зд, сформированный в программном модуле - 5, вводится в вычислитель - 3, на вход вычислителя также вводится сигнал текущего курса - и угловой скорости - из измерительного модуля - 1. На выходе вычислителя формируется управляющий сигнал - зд, который проходит через переключатель - 7 на вход исполнительного устройства (рулевой системы) - 4:
где зд - заданное значение угла перекладки руля,
Ki - коэффициенты регулирования. Для диагностирования появления сбоя в рулевой системе используют
сигналы с измерительного модуля - 1, модуля - модели исполнительных устройств - 6 и модуля исполнительных устройств - 4:
- текущего курса из измерительного модуля,
зд - заданного значения угла курса из программного модуля,
- угла перекладки руля из модуля исполнительные устройства,
модели - угла перекладки руля из модуля модели исполнительных устройств,
В блоке диагностики - 2 формируют появление сигнала сбоя в модуле исполнительных устройств (рулевой системе), который поступает в переключатель - 7, при выполнении двух условий:
и
где C1, С - постоянные значения, задаваемые судоводителем.
При выполнении условий (3) и (7а) в блоке переключателе сигнал автоматического управления движением судна (1), поступивший из вычислителя, отключается от модуля исполнительных устройств (рулевой системы) - 4 и подключается на вход модуля резервных исполнительных средств - 8.
При реализации рассматриваемой аппаратуры: 1 - измерительный модудь САУД, может быть принят типа «Мининавигация» (разработки ЦНИИ «Электроприбор» С. Петербург); 2 - блок диагностики можно реализовать на типовом микроконтроллере, 3 - вычислитель реализуется на микросхеме 140УД-6, 4 - исполнительные устройства - штатная корабельная рулевая машина; 5 - программный модуль - типовой микроконтроллер, 6 - модуль-модель исполнительных устройств (электронная модель рулевой системы) может быть реализована на двух микросхемах 140 УД-6 и 140 УД-8, 7 - блок переключения реализуется на электромагнитном реле и 8 - резервный модуль дополнительных исполнительных средств управления движением корабля может быть реализован на интерцепторах и (или) виде регуляторов,
управляющих левым и правым гребными винтами (для создания «раздрая» оборотов гребных винтов).
Описание работы СА УД корабля с диагностикой и перестройкой архитектуры при сбое в исполнительных устройствах (см. фиг.2). Заданное значение угла курса - зд, формируемое в программном модуле - 5, поступает в вычислитель - 3. В вычислитель также вводится текущей курс - и сигнал угловой скорости - из измерительного модуля - 1. На выходе вычислителя формируется управляющий сигнал исполнительными средствами (рулевым приводом) - зд в соответствии с зависимостью (1), который поступает через блок переключения - 7 на вход рулевой системы - 4, что приводит к движению корабля по заданному направлению (в нормальных условиях эксплуатации).
При появлении сбоя в блоке диагностики - 2 осуществляется достоверное выявление начала аварии. Это достигается, если удовлетворяются два условия по зависимости (3) и зависимости (7а). Сигнал сбоя из блока диагностики поступает в блок переключения - 7 на срабатывание реле, которое переключает управляющий сигнал из вычислителя - зд от входа модуля исполнительного устройства (рулевой системы) - 4 и подключает к входу модуля резервных исполнительных средств, управляющих движением корабля - 8. Так восстанавливается автоматическое управление корабля в соответствии заданным заданием - зд, при сбое в модуле исполнительных средств.
Для выявления сбоя в измерительном модуле рассмотренную аппаратуру, приведенную на фиг 2, следует дополнить резервным измерительным модулем в соответствии с фиг.1.
На фиг.3 приведена блок-схема части аппаратуры САУД, которая позволит выявить сбой в измерительном модуле и перестроить архитектуру для продолжения эффективного автоматического управлением движением корабля.
Описание работы САУД с диагностикой сбоя в измерительном модуле и перестройкой структуры управления САУД [фиг 3].
Требуемое направление движения корабля формируется в программном модуле - 5 в виде задания направления движения корабля - зд, которое поступает в вычислительный модуль - 3. В вычислительный модуль также вводится текущей курс - и сигнал угловой скорости - из измерительного модуля - 1. На выходе вычислительного модуля формируется управляющий сигнал исполнительными средствами управления движением (рулевым приводом) - зд в соответствии с зависимостью (1).
Управляющий сигнал зд через блок переключения поступает на вход модуля исполнительных средств - 4, что приводит к движению корабля по заданному направлению в нормальных условиях плавания.
Достоверное выявление сбоя в измерительном модуле осуществляется в блоке диагностики - 2. С этой целью к блоку диагностики подключены измерительный модуль - 1, резервный измерительный модуль - 6 и программный модуль - 5. Условия сбоя формируются в блоке диагностики и имеют вид:
и
При удовлетворении условий (3) и (5а) в блоке диагностики формируется сигнал изменения закона управления в модуле вычислителе САУД. На выходе вычислителя формируется сигнал резервного управления - зд.резер:
Этот сигнал из модуля вычислителя поступает на вход модуля исполнительных средств. При этом, несмотря на сбой в измерительном модуле - 1, автоматическое управление кораблем сохраняется в соответствии с заданным значением - зд.
На фиг.4 приведена блок-схема с корректировкой части аппаратуры (добавлен резервный модуль вычислитель в соответствии с фиг.1). Это позволяет выявить сбой в модуле-вычислителе и перестроить архитектуру САУД для продолжения эффективного автоматического управлением движением корабля при наличии сбоя в вычислителе.
Перестройка происходит при удовлетворении двух условий:
В блоке диагностики после выполнения условий (3) и (6а) вырабатывается сигнал, который поступает в блок переключения - 7 при этом на модуль исполнительных устройств вместо сигнала из модуля вычислителя - зд. поступит сигнал от резервного вычислителя - зд.резервный.
Проведенное моделирование с использованием электронных резервных моделей подтвердило эффективность предложенного способа диагностирования САУД с перестройкой архитектуры при сбое в любом модуле.
Класс B63H25/04 автоматические, например реагирующие на изменение показаний компаса