устройство прогнозирования будущего состояния корабля

Формула изобретения

Устройство прогнозирования будущего состояния корабля, содержащее датчик угла дифферента, датчик угловой скорости и датчик скорости хода корабля, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока памяти, выход которого подключен к первому входу вычислителя, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго индикаторов, отличающееся тем, что содержит блок программного управляющего воздействия, программный блок внешнего воздействия, блок программы работы, первый и второй блоки уставок, первый и второй компараторы, третий и четвертый индикаторы и задатчик интервала времени прогноза, выход которого соединен с входом блока программы работы, выходы которого соединены соответственно с вторым входом вычислителя, входом блока программного управляющего воздействия, входом программного блока внешнего воздействия и четвертым входом блока памяти, третий и четвертый входы вычислителя соединены соответственно с выходом блока программного управляющего воздействия и выходом программного блока внешнего воздействия, выходы первого и второго индикаторов соединены соответственно с первыми входами первого и второго компараторов, к вторым входам которых подключены соответственно выходы первого и второго блоков уставок, а выходы компараторов соединены соответственно с входами третьего и четвертого индикаторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области управления кораблем при наличии внешних и управляющих воздействий, величины которых и время приложения заранее заданы.

Известен задатчик-предсказатель курса судна [А.С. СССР 505156], включающий датчики угла и угловой скорости, сумматор, индикатор предсказанного угла и сумматор. Прибор используется судоводителем для исключения ошибки при выполнении маневров. Индикатор показывает будущее положение судна в самом начале маневра.

Известен также задатчик курса судна с прогнозированием [А.С 610721, кл. G 05 D 1/00, принятое нами в качестве прототипа], включающий датчики угла и угловой скорости, сумматор, индикатор предсказанного значения угла курса судна (показывающий курс судна после окончания углового маневра, если рулевой начнет обратную перекладку руля в данный момент времени).

1. Оба предсказателя не учитывают внешние воздействия и поэтому в случае появления каких-либо возмущений их прогноз не будет соответствовать будущему действительному значению.

2. Кроме того, в целом ряде случаев бывает необходимо контролировать исправность работы всей системы, что в рассмотренных выше устройствах сделать нельзя, т.к. они прогнозируют выбор времени переключения исполнительного органа для обеспечения выхода в заданную трубку значений выходного параметра и не позволяют обеспечить контроль исправности системы управления в процессе одержания корабля особенно при наличии возмущающего и управляющего воздействия.

3. Известные предсказатели позволяют определить момент времени переключения, но не позволяют при принятой стратегии работы прогнозировать будущее состояние корабля в фиксированный (заданный заранее) момент времени, а это необходимо для повышения живучести системы управления движением инерционным объектом - каковым является корабль.

Целью предложенного изобретения является устранение отмеченных выше недостатков и создание устройства, прогнозирующего угол дифферента и угловой скорости в заранее заданный будущий момент времени и сравнении их с допустимыми значениями (уставками).

Поставленная цель достигается:

1. Дополнительным введением в устройство прогнозирования блока программного управляющего воздействия, программного блока внешнего воздействия, блока программы работы, двух блоков уставок, двух компараторов и задатчика интервала времени прогноза, выход которого соединен со входом блока программы работы, четыре выхода последнего соединены соответственно с вычислителем, блоком программного управления, программным блоком внешнего воздействия и блоком памяти, второй, третий и четвертый входы вычислителя соединены соответственно с блоком программы работы и блоками внешнего и управляющего воздействий, два выхода вычислителя соединены соответственно с входом первого и второго индикатора, а выходы последних соединены соответственно с первым входом первого и второго компараторов, на вторые входы которых подключены выходы первого и второго задатчика, выходы компараторов соединены соответственно с третьим и четвертым индикатором.

2. Прогнозированием в данный момент времени состояния корабля в будущий наперед заданный момент времени (tпредск) с дискретным повторением вычисления прогноза через t в текущем времени, что обеспечивается использованием блока программного управляющего воздействия, программного блока внешнего воздействия и блока программ работы.

3. Повышением надежности работы всей системы управления кораблем благодаря использованию двух блоков уставок двух компараторов, третьего и четвертого индикатора. (Это одновременно позволило существенно облегчить работу судоводителя).

На чертеже представлена функциональная схема устройства прогнозирования будущего состояния корабля.

Устройство содержит: датчик угла дифферента 1, датчик угловой скорости 2, датчик скорости хода корабля 3, блок памяти 4, вычислитель 5, первый и второй индикаторы 6,7, блок программного управления воздействием 8, программный блок внешнего воздействия 9, блок программы работы 10, первый и второй блок уставок 11, 12, первый и второй компараторы 13,14, задатчик интервала времени прогноза 15, третий и четвертый индикаторы 16, 17. Датчики угла дифферента 1, угловой скорости 2 и скорости хода 3 подключены через блок памяти 4 к вычислителю 5, к выходу которого подключены первый и второй индикаторы 6, 7. Блок программы работы 10 соединен со входами блоков 4, 5, 7 и 8, а выход блока 15 подключен к блоку программ работы. Первый и второй входы первого компаратора подключены соответственно к первому индикатору 6, первому блоку уставки 11, а входы второго компаратора соединены соответственно с вторым индикатором 7 и вторым блоком уставки 12, а выходы компараторов 13,14 соответственно соединены с третьим и четвертым индикаторами 16,17.

Реализация предложенного устройства не представляет каких-либо сложностей на типовом микроконтроллере, датчики также серийно выпускаются и могут использоваться средней точности, индикаторы могут быть как световыми (6,7,16,17), так и звуковыми (16,17).

Предлагаемое устройство может использоваться на инерционных подвижных объектах: дирижаблях, подводных аппаратах и др. при отделении (сбрасывании) ложных целей, тралов, каких-либо изделий с многократным повторением процесса отделения, внешнее воздействие которого на корабль заранее и достоверно известно, программное управление кораблем при этом с целью удержания в заданном коридоре также заранее задано.

Рассмотрим работу устройства при многократном последовательном сбрасывании с корабля нескольких однотипных изделий с фиксированным заранее заданным интервалом времени .

Время прогноза будущего состояния корабля (tпрогн) и начало работы прогнозатора "to" задается блоком-задатчиком 15. Этот сигал поступает в блок программы работы 10, являющийся временным программником. Из блока 10 поступают команды в блок памяти 4 на запоминание текущих значений угла дифферента , угловой скорости корабля и скорости хода (V) с датчиков 1,2,3. По команде из блока 10 в блоках 8, 9 вырабатываются программные сигналы возмущающих и управляющих воздействий (Мвоз, Мупр., Yвоз, Yупр), соответствующих началу процесса сбрасывания изделия, т. е. to=0 сек. Все перечисленные сигналы, соответсвующие моменту начала сбрасывания, поступают в вычислитель 5, где производится вычисление фазовых координат будущего состояния корабля в момент времени "tпрогн" (через интервал времени ).

Прогнозируемое время tпрогн=to +... - это время, когда будет произведен сброс следующего изделия (фазовое состояние корабля в этот момент времени не должно выходить из допустимых пределов).

При вычислении в ускоренном масштабе времени фазовых координат состояния корабля в будущий момент времени "tпрогн" производится многократное решение дифференциальных уравнений от момента времени "to" до момента времени" tпpoгн", т.е. на отрезке времени, равном :





Рассматриваемое первое решение относится к значению i=0, при котором после каждого шага интегрирования величины возмущающих и управляющих воздействий поступают из программных блоков 8, 9 в изменившемся расчетном времени. При втором шаге - это время "to+step", при третьем шаге интегрирования - "to+2step", значения возмущающих и управляющих воздействий соответствуют тому же расчетному времени to+2step до "n"-ого шага интегрирования: to+nstep<tпрогн, где угловая скорость корабля и ее производная,

V_у, - скорость в продольной плоскости корабля и ее производная,

К1,..К4 - гидродинамические коэффициенты судна КJ=(V),

M_воз, F_воз - возмущающий момент и сила,

М_упр, F_yпp. - управляющий момент и сила,

i - обозначает цикл повторения вычисления. Максимальное количество циклов повторения решения (i max) определяется временем прогноза и интервалом повторения цикла решения 1 т.е. imax<</1.

При первом вычислении, рассмотренном выше, момент времени начала интегрирования соответствует моменту времени to=0, а момент окончания вычисления соответствует времени будущего состояния корабля во время tпрогн = to+. В качестве начальных значений принимаются текущие параметры V_o в момент времени "to". По значению Vo вычисляются значения гидродинамических коэффициентов К1-К4.

Полученные значения _предс, _предс поступают на индикаторы 6 и 7 для информации оператору. Т.к. в первом цикле вычислений они не выйдут за допустимые пределы, с обоих компараторов 13 и 14 никакой информации на третий и четвертый индикаторы не поступит.

Следующий цикл вычисления _предс, _предс производится при i=1. При шаге повторения вычислений t = 2c. Это произойдет, когда текущее время достигнет значения to+t. Команда на повторение вычислений поступит из блока 10 на запоминание текущих значений , , V в момент времени t_l=t_o+2 с и на выдачу величин программных значений сил и моментов, соответствующих моменту времени to+2 с. Перечисленные три сигнала в виде начальных значений поступают в вычислитель для выработки предсказанных фазовых координат корабля и для коррекции гидродинамических коэффициентов при втором цикле вычислений.

Если произошел какой-либо сбой в работе системы управления движением корабля, то _предс или _предс будут существенно отличаться от значений сигналов уставок _допуст или _допуст. Сигнал о сбое поступит от первого 13 либо второго компаратора 14 на индикатор 16 либо 17. Отрезок времени прогноза 1 при втором цикле вычислении сокращается, т.к. момент начала второго цикла вычислений будет проходить при большем текущем времени "t₁=to+2 с, а время прогноза "tпрог" фиксировано, т.е. отрезок времени прогноза при втором цикле счета сократился 1 = -2 c.

Если не наблюдалось каких-либо сбоев в работе системы управления движением корабля, то поступит команда на запуск третьего цикла решения, когда текущее время будет равным t2=to+22 с.

Новые значения скорости хода используются для коррекции гидродинамических коэффициентов К1-К4 при каждом цикле вычислений.

Начальные значения _c, _o, корректируемые также после каждого цикла счета, суммируются с вычисленными значениями по зависимости (1). (Последние два замечания в зависимости (1) не отражены).

Проведенное моделирование предложенного устройства подтвердило эффективность его использования.