система восстановления параметров движения корабля

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 ₁, угол атаки ₁;

для задач управления угловая скорость _м, угол атаки _м и угол дифферента .

Рассмотрим вид логических условий по выработке наименее зашумленной информации по углу атаки и угловой скорости корабля.

А. Выработка сигнала угла атаки корабля.

Используются измерения: а) угла атаки a, б) скорости изменения глубины , скорости движения корабля v, угла дифферента (), оценки угла атаки _м (последняя, вырабатываемая электронной моделью движения корабля).

С целью исключения зашумленной информации либо сбоев в выработке параметров движения корабля используется три сигнала угла атаки:

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):



где угол дифферента;

v скорость хода корабля;

скорость изменения глубины.

в) используя динамическую (электронную) модель движения корабля, получаем на выходе ее угол атаки (модельный):



где ₁ измеренная угловая скорость корабля;

угол перекладки руля;

k₁, k₂, k₃ коэффициенты, зависящие от скорости хода корабля;

f₁ логическая функция от невязки двух углов атаки:



где разность измеренного угла атаки и модельного;

разность восстановленного по косвенным измерениям угла атаки и модельного.

Сигнал ₁ вырабатывается в соответствии с условием:



где разность измеренной угловой скорости и полученной дифференцированием сигнала угла дифферента.

Как отмечалось выше, на выходе системы вырабатывается два сигнала угла атаки:

₁ угол атаки для исследования гидродинамики



_{м u} угол атаки для использования в системе управления движением корабля:



Б. Выработка сигнала угловой скорости корабля

В системе используются три сигнала угловой скорости:

а) с датчика угловой скорости,

б) сигнал производной угла дифферента вырабатывается в блоке дифференцирования



где угол дифферента,

в) восстановленная угловая скорость корабля:



где ₁ сигнал угловой скорости с выхода системы;

сигнал угла атаки с выхода электронной модели;

угол перекладки руля.

На выходе системы вырабатывается два сигнала угловой скорости:

w₁ сигнал для задач, связанных с исследованием гидродинамики корабля:



_м сигнал оценки угловой скорости для задач управления движением корабля:



В. Выработка сигнала угла дифферента.

В системе используются два сигнала угла дифферента:

а) сигнал, вырабатываемый датчиком угла дифферента,

б) j_к восстановлением сигнала по кинематическим зависимостям:



На выходе системы вырабатывается сигнал угла дифферента в соответствии с зависимостью:



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 ,

угловая скорость корабля (_м),

угол атаки (_м);

б) в блоках восстановления гидродинамических коэффициентов математической модели движения корабля:

угловая скорость (₁),

угол атаки (₁)..

Отличие ₁ от _м и ₁ от _м в том, что _м от _м восстановленные и более сглаженные сигналы, которые эффективнее использовать при формировании закона управления исполнительным органом.

Рассмотрим различные варианты выработки фазовых координат движения корабля в зависимости от зашумления или сбоев в работе каких-либо измерителей.

а) Все измерители и электронная модель движения корабля исправлены и не зашумлены. Тогда все реле (21-25) обесточены и контактные группы их находятся в положении, показанном на чертеже:

угол дифферента с датчика 2 проходит на выход V ,

угловая скорость с датчика угловой скорости 4 проходит на выход 1 (₁),

угол атаки с датчика 3 проходит на выход II (₁),

оценка угловой скорости вырабатывается на выходе интегратора 11 в соответствии с зависимостью (8),

оценка угла атаки вырабатывается на выходе интегратора 10 в соответствии с зависимостью (1). Функция f₁ вырабатывается на сумматоре 13 или 18; при выполнении первого логического условия зависимости (3) не срабатывания реле 24 или при выполнении второго условия зависимости (3) - срабатывают реле 22 и реле 24.

б) При сбое датчика угла атаки 3 срабатывают реле 21 и реле 24;

угол атаки ₁=_м формируется на выходе сумматора 17 или ₁ 0 при срабатывании только реле 24 в соответствии с зависимостью (5). Остальные сигналы вырабатываются как ранее по п. а).

При этом на вход интегратора 10 поступает вместо невязки невязка ;

в) При сбое в датчике угловой скорости 4 () срабатывает реле 23, т.к. на выходе сумматора 16 вырабатывается напряжение, большее напряжения срабатывания реле 23 и реле 25 (условие (7), на выходе сумматора 19 напряжение также превышает напряжение срабатывания реле 25.

угловая скорость на выходе системы w₁ формируется в соответствии с зависимостью (7). Остальные выходные параметры формируются как в п. а).

в) сбой в датчике угла дифферента 2 (зависимость (12) условие II). Срабатывает реле 22, 23, при этом на V выходе системы



Сигнал _м поступает с выхода интегратора 12 через нормально-разомкнутые контакты реле 22 и 23 вместо сигнала с датчика 2. Остальные сигналы вырабатываются аналогично описанному выше в п. а).

г) Сбой в работе электронной модели движения корабля имеет три разновидности:

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 ₁= (сохраняется подключение к датчику угла дифферента 2). Остальные связи соответствуют так же описанному в п. а).

2) отказ интегратора 11 приводит к срабатыванию только реле 25 и подключению канала к датчику угловой скорости 4.

3) отказ интегратора 10 приводит к срабатыванию только реле 21 и подключению канала к датчику угла атаки 3 (условие 5), т.е. взамен неисправного сглаженного сигнала угла атаки на выходе канала будет сигнал измеренного значения угла атаки, т.е. такой же, как на выходе канала ₁.

Предложенная система может найти широкое применение в судостроительной промышленности как при разработке новых систем управления движением кораблей и систем обработки результатов мореходных испытаний, так и при модернизации уже эксплуатирующихся корабельных систем.