SU758902A1 - Способ управлени курсом речного судна - Google Patents

Description

Изобретение относится к области управления движением подвижными объектами, в частности, управления угловым движением речного судна.

Существующие способы ручного управления угловым движением судна с использованием сигнала угла курса получили широкое распространение в настоящее время (1].

При управлении крупнотоннажными судами рулевой перекладывает руль в нужном направлении и, не доходя до заданного направления движения судна, производит обратную перекладку руля.

Недостатком такого способа управления является трудность определения момента обратной перекладки руля.

В авторулевых типа АБР в режиме * ручного управления для повьяпения качества ручного управления момент начала одерживания формируется по сумме двух сигналов 2 тек* ^кос ' И) где К_{о с} - коэффициент обратной связи , перестраиваемой в зависимости от скорости хода судна; ’

Ч’тек текущий курс судна; (У - угол перекладки руля. Зависимость (1) образования будуще- го (предсказанного) углового положения судна справедлива только для фиксированной скорости хода и конкретной величины перехода судна по курсу.

а С целью устранения этого недостатка был предложен способ управления курсом морского судна, в котором принята следующая стратегия управления при переходе на новый курс:

- перекладывают руль с максималь5 ной скоростью в сторону заданного поворота судна;

- в момент, когда алгебраическая сумма сигналов текущего курса угловой скорости судна (с переменным весовым коэффициентом) и угла перекладки руля (также с переменным весовым коэффициентом) достигает величины требуемого (будущего) угла курса, перекладывают руль в обратную сторону с максимальной скоростью ;

- затем формируют сигнал для определения второго момента времени, когда нужно изменить знак скорости перекладки руля, когда алгебраичес кая сумма сигналов, образующих предсказанное значение курса, начнет убывать и станет меньше заданного (будущего) значения курса [2].

Рассмотренный способ ручного управления весьма эффективен при управлении морскими судами и оказы- ’ вается совершенно неприемлемым при управлении поворотом ручного судна.

Способ ручного управления, принятый нами в качестве прототипа, невозможно использовать без коррекции приведенной выше стратегии управления при управлении речным судном. Это объясняется тем, что начало поворота речного судна обычно задают произвольным, но небольшим углом отклонения руля от нулевого положения, а 'одерживание (выход) на новое направление движения судна осуществляют также путем обратной перекладки руля на какое-то постоянное значение, а не. перекладкой руля с максимальной скоростью. При таком управлении формирование моментов переключения рулевого привода должно быть доопределено, что представляет значительные трудности.

Иная стратегия управления речным судном объясняется существенным отличием динамических характеристик углового движения речного судне! по сравнению с морским судном.

Неустойчивость углового движения присуща всем плоскодонным судам. В случае же управления речным судном наличие этого явления усугубляется еще и тем,- что рулевое управление речного судна обычно оборудовано не следящим рулевым приводом, как это сделано на большинстве морских судов, а интегрирующими приводами , т . е . ..угол отклонения рукоятки рулевого интервала пропорционален скорости перекладки руля, а не углу перекладки руля.

Для рабочих диапазонов изменения угловой скорости процесс набора угловой скорости речного судна можно представить в динамике интегрирующим звеном первого порядка:

где ψ - текущий угол поворота судна;

О - угол перекладки руля;

К - коэффициенты, зависящие от ^1,1 скорости хода судна, глубины под килем, осадки судна, угла дифферента;

- производная по времени.

Тогда процесс поворота речного судна на заданный угол можно представить для подавляющего числа возможных ре жимов эксплуатации в виде трех последовательно включенных интегразоров:

гру ~ ~ ИД (5) где К, - коэффициент, зависящий * от скорости хода судна, осадки судна, глубины под килем;

,, dj

U = “ скорость перекладки руля (угол отклонения штурвала).

Как известно, управление даже двумя последовательно включенными интеграторами представляет определенную трудность, тем более сложно управление направлением движения речного судна, т.к. необходимо управлять тремя последовательно включенными интеграторами (3). Судоводитель отклоняет рулевой штурвал и задает тем самым скорость перекладки руля. Угол отклонения руля пропорционален интегралу от угла отклонения рулевого штурвала по времени, а угловая скорость судна пропорциональна двойному интегрированию угла отклонения рулевого штурвала по времени, а угол поворота судна - тройному интегралу угла отклонения рулевого штурвала по времени.

В то же время процесс перехода морского судна на новый курс при отклонении рулевого штурвала обычно может быть описан как произведение инерционного звена на одно интегрирующее, т.е. при разработке стратегии управления угловым движением речного судна необходимо учесть это существенное отличие.

Целью изобретения является повышение точности и.безопасности управления.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления курсом речного судна путем осуществления в первый момент времени перекладки · руля на угол, определяемый скоростью судна и заданным углом поворота, осуществления во второй момент времени обратной перекладки руля, а в третий момент времени сведения угла перекладки к нулю додолнительно определяют угловую скорость судна и соответствующее ей прогнозируемое приращение угла поворота судна и осуществляют обратную перекладку руля в момент,когда сумма текущего угла поворота, и прогнозируемого приращения угла поворота судна равна заданному углу поворота, причем величину угла обратной перекладки руля определяют согласно зависимости ^ОБрперекА-^^’ где К - весовой коэффициент; W - угловая скорость судна;

V- л и; > (.·и на я скорость судна, после чего угол поворота обратной перекладки руля уменьшают до нуля при достижении угловой скоростью нулевого значения. $

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором представлен в качестве примера процесс перехода речного судна на новое направление движения - переход с курса Ψρ на _4П Ъа<Э· ¹⁰

На фиг. 1 приведена зависимость угла перекладки руля cf = f (t)’ (угол перекладки руля задает судоводитель). На фиг. 2 приведена зависимость изменения угловой скорости судна во вре- 15 мени су ~с?Ч7с1Ьи углового поворота судна во времени Ψ в функции угла перекладки руля.

Рассмотрим процесс управления с использованием предложенного способа 20 (на примере процесса перехода речного судна по курсу, приведенного на фиг. 1,2).

В случае необходимости изменения направления движения судна с курса 25 % до курса -Ч преЭск перекладывают руль в требуемом направлении (в нашем случае руль переложен (У = +5°С) и остается переложенным до момента времени tj, который является вторым моментом’ времени пере- ^ли ключения.

В интервале времени Ο-t^ угловая скорость судна растет пропорционально углу перекладки руля (который постоянен) и времени (на фиг. 2 угловая скорость обозначена пунктирной линией).

Для определения второго момента вре мени переключения угла перекладки руля (в нашем случае ). формируют сиг- 40 нал, пропорциональный предсказанному' значению будущего угла поворота судна, если в момент времени t начать процесс одерживания судна;

рость судна уменьшается пропорцио нально времени и в момент времени tj достигает нулевого значения.

Возвращение руля в нулевое поло жение производят в момент, когда уг :: эвая скорость

О (в нашем слу_.d t чае это соответствует времени t = t_?Ϊ .

В момент времени t >/ судно вышло на новое направление движения

Использование предложенного способа позволит сэкономить расход топлива на 2-3%, сократить время перехода на новое направление движения без перерегулирования, т.е. без дополнительной потери времени и скорости хода судна, сократить процесс обучения судоводителей и повысить безопасность плавания.

Claims (2)

1. Изобретение относитс  к области управлени  движением подвижными об ектами, в частности, управлени  уг ловым движением речного судна. Существующие способы ручного уп равлени  угловым движением судна с использованием сигнала угла курса получили широкое распространение в насто щее врем  При управлении крупнотоннажными судами рулевой переклсщывает руль в нужном направлении и, не доход  до заданного направлени  движени  судна, производит обратную перекла ку рул . Недостатком такого способа управлени   вл етс  трудность опреде лени  момента обратной перекладки рул . В авторулевых типа АБР в режим ручного управлени  дл  повь иенн  качества ручного управлени  момент начала сдерживани  формируетс  по сумме двух сигналов 1 t К f тек о.с - коэффициент обратной св  о.с. зи , перестраиваемой в зависимости от скорости да судна ; тек текущий курс судна; (f - угол перекладки рул . Зависимость (1) образовани  будущего (предсказанного) углового положени  судна справедлива только дл  фиксированной скорости хода и конкретной величины перехода судна по курсу. С целью устранени  этого недостатка был предложен способ управлени  курсом морского судна, в котором прин та следующа  стратеги  управлени  при переходе на новый курс: -перекладывают руль с максимальной скоростью в сторону заданного поворота судна; -Б момент, когда а;:гебраическа  сумма сигналов текущего курса угловой скорости судна (с переменным весовым коэффициентом) и угла перекладки рул  (также с переменным весовым коэффициентом) достигает величины требуемого (будущего) угла курса, перекладывают руль в обратную сторону с максимальной скоростью; -затем формируют сигнал дл  определени  второго момента времени, когда нужно нз 1енить знак скорости перекладки рул , когда алгебраическа  сумма сигналор, образующих предсказанное значение курса, начнет убывать и станет меньше заданного (будущего) значени  курса 2. Рассмотренный способ ручного управлени  весьма эффективен при управлении морскими судами и оказываетс  совершенно неприемлемым при управлении поворотом ручного судна. Способ ручного управлени , прин тый нами в качестве прототипа,, невозможно использовать без коррекции приведенной выше стратегии управлени  при управлении речным судном . Это объ сн етс  тем, что начало поворота речного судна обычно задают произвольным, но небольшим углом отклонени  рул  от нулевого положени аодерживание (выход) на новое направление движени  судна осуществл  ют также путем обратной перекладки рул  на какое-то посто нное значени а нг. перекладкой рул  с максимально скоростью. При таком управлении фор мирование моментов переключени  рул вого привода должно быть доопределе но, что представл ет значительные трудности. Ина  стратеги  управлени  речным судном объ сн етс  существенным отличием динамических характеристик углового движени  речного судна по сравнению с морским судном. Неустойчивость углового движени  присуща всем плоскодонным судам. В случае же управлени  речным судном наличие этого  влени  усугубл етс  еще и тем,- что рулевое управление речного судна обычно оборудовано не след щим рулевым приводом, как это сделано на большинстве морских судо а интегрирующими приводами ,т .е . ...уго отклонени  руко тки рулевого интерв ла пропорционален скорости переклад ки рул , а не углу перекладки рул  Дл  рабочих диапазонов изменени  угловой скорости процесс набора угловой скорости речного судна мож но представить в динамике интегрируюа1им звеном первого пор дка: . м) текущий угол поворота суд на ; угол перекладки рул ; коэффициенты, завис щие скорости хода судна, глу бины под килем, осадки с на, угла дифферента; -- - производна  по времени. Тогда процесс поворота речного суд на на заданный угол можно представ дл  подавл ющего числа возможных р  мов эксплуатации в виде трех поседовательно включенных интег ра- ороп : , где К коэффициент, завис щий от скорости хода судна, осадки судна, глубины под килем; скорость перекладки рул  (угол отклонени  штурвала). Как известно, управление даже двум  последовательно включенными интеграторами представл ет определенную трудность, тем более сложно управление направлением движени  речного судна, т.к. необходимо управл ть трем  последовательно включенными интеграторами (3). Судоводитель отклон ет рулевой штурвал и задает тем самым скорость перекладки рул . Угол отклонени  рул  пропорционален интегралу от угла отклонени  рулевого штурвала по времени, а углова  скорость судна пропорциональна двойному интегрированию угла отклонени  рулевого штурвала по времени , а угол поворота судна - тройному интегралу угла отклонени  рулевого штурвала по времени. В то же врем  процесс перехода морского судна на новый курс при отклонении рулевого штурвала обычно может быть описан как произведение инерционного звена на одно интегрирующее , т.е. при разработке стратегии управлени  угловым движением речного судна необходимо учесть это существенное отличие. Целью изобретени   вл етс  повышение точности и.безопасности управлени . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе управлени  курсом речного судна путем осуществлени  в первый момент времени перекладки рул  на угол, определ емый скоростью судна и заданным yrj.oM поворота , осуществлени  во второй момент времени обратной переклад рул , а в третий момент времени сведени  угла перекладки к нулю дополнительно определ ют угловую скорость судна и соответствукадее ей прогнозируемое приращение угла поворота судна и осу1цествл ют обратную перекладку рул  в момент,когда сумма текущего угла поворота, и прогнозируемого приращени  угла поворота судна равна заданному углу поворота, причем величину угла обратной перекладки рул  определ ют согласно зависимости ОБр.перекл/ где К - весовой коэффициент; Ш - углова  скорость судна; V- .ii;:i.;:iiri i (-..Kripcicii. судна, пчеле ) yrtj.T поворота ofjpuTHOi перекладки рул  ./меиьшакт до нул  при достижении угловой скоростью нулевого значени . Предлагае№11й способ по сн етс  чертежом, на котором представлен в качестве примера процесс перехода речного судна на новое направление движени  - переход с курса fo на ад. На фиг. 1 приведена зависимость угла перекладки рул  сУ f(t) (уго перекладки рул  задает судоводитель На фиг. 2 приведена зависимость изм нени  угловой скорости судна во вре мени ( и углового поворота сулн во времени Ч в функции угла перекл ки рул . Рассмотрим процесс управлени  с использованием предложенного способ ( на примере процесса перехода речно судна по курсу, приведенного на фиг. 1,2). В случае необходимости изменени  направлени  судна с курса Д° курса tf 30(5 ЧпрвЭск перекладывают руль в требуемом направле нии (в нашем случае руль переложен rf +5°С) и остаетс  переложенным до момента времени t , который  вл  етс  вторым моментом времени переключени . В интервале времени 0-t углова  скорость судна растет пропорциональ но углу перекладки рул  (который посто нен) и времени (на фиг. 2 угл ва  скорость обозначена пунктирной линией). Дл  определени  второго момента вр мени переключени  угла перекладки рул (в нашем случае t, ), формируют сигнал , пропорциональный предсказанном значению будущего угла поворота суд на, если в момент времени t начать процесс одерживани  судна: (. гдеЧ(,-Ь/1) - курс судна в момент времени t ; . ц, (, ..(JdSi)| (5) .cK ibSdt i dt I приращение курса в момент времени t Величину обратной перекладки рул  определ ют по совпадению сигнала угла перекладки рул  с сигналом пропорциональным (5): перекл Ч1г 1 1 с момента времени t , когда выпо нено условие (6), руль остаетс  в отклоненном положении, углова  окорость судна уменьшаетс  пропорционально времени и в момент времени t, достигает нулевого значени . Возвращение рул  Б нулевое положение производ т в момент, когда уг;;эва  скорость --- О (в нашем случае это соответствует времени . В момент времени t / t, судно вышло на новое направление движени  . Использование предложенного способа позволит сзкономить расход топлива на 2-3%, сократить врем  перехода на новое направление движени  без перерегулировани , т.е. без дополнительной потери времени и скорости хода судна, сократить процесс обучени  судоводителей и повысить безопасность плавани . Формула изобретени  Способ управлени  курсом речного судна путем осуществлени  в первый момент времени перекладки рул  на угол, определ емый скоростью судна и заданным углом поворота, осуществлени  во второй момент времени обратной перекладки рул , а в третий момент времени сведени  угла i;epeкладки рул  к нулю, отличающийс  тем, что с целью повышени  точности и безопасности управлени , определ ют угловую скорость судна и соответствующее ей прогнозируемое приращение угла поворота судна и осуществл ют обратную перекладку рул  в момент, когда сумма текущего угла поворота и прогнозируемого приращени  угла поворота судна равна заданному углу поворота, причем величину угла обратной перекладки рул  определ ют согласно зависимости .перекл- де К - весовой коэффициент; CD - углова  скорость судна; V - линейна  скорость судна, осле чего угол поворота обратной ерекладки рул  уменьшают до нул  ри достижении угловой скоростью улевого значени . Источники информации, рин тые во внимание при экспертизе 1.Савченко B.C., Анненков Н.П. ортова  система управлени  БСУ-ЗП, ./Транспорт Г 1974, с. 64.
2. 2.Шлейер Г.Э. Прогнозирование урса судна7 Судостроение № 12, 976 , с. 27-29 (прототип).

   IS ю

   5

   -5 -Ю -t5

   .т

   t, t.