Система динамической стабилизации судна

(46) (21) (22) (72) Г,М,Л и С.И 23,01.93.3945545/223,08,85В.К.Болхоившиц,Т.Б .Абрамов юл, Р модели измене- перемещений судают из блока опвоэдействий ил и момента . емые оррект а и лин пает в ний кур па куд ределени сигналы иных также по витинов,.Я.Гольмшт Д,М.Перне я управл управляю яю датчиков обделях выраба как кинемана основе информации с ратных связей ВРШ. В ио тываются сигналы оценок тических параметров суд которых в вычислительно руются сигналы желаемых рота лопастей ВРШ судна дольной и поперечной со и Р возмущающих сил . В деления угла действия вл Гу формуле о= -агсСрРр(5 и Р 2153689, 1973.тельство СССР Р 1/00, 1978 Патент Франц С 05 Э 1/00 р вторское свид 9337 р кло С 0 е на, на основ и блоке форм углов раэвотак и прои(54) СИСТЕМА ЦИИ СУДНА(57) Изобретавтоматике и ставляющих Р блоке онреозмущечия по ние относится к судовоиповышения ешает задачу лизации мест вычисляетс точности стаи курса судн рат на упра тельными орг мальной орие положен сигнал О/ у зультирующ мущений, п ный блок, кцию сигн но рела деиствия и уменьшения ение судовыми нергоэа сполниа внешних в о ве нами посредстации судна осту Сиги ом опти курсуи фунвтору" ла о формацио чиковра еремещеее пере ординат еспеуднаала евого,уменьшени го полног в сто плоть разворотэтого сиг осл зтсм судно действия 9теле ко списания, ориентируя пр против вектора суммарно мнои с льную постул возмущении,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ НАМИЧЕСКО СТАБИЛИЗ уменьшения его рыскания. ырабатываемая в блоке да огласований по линейным ниям и курсу судсчета в преабразо местоположения судна и темы координат в парад ающих в вычислительл с, выполняняци"шибки по курсу а ивает автоматический1 1 э 0 8 Ф11 О т ээ 1 Еэтцоситсц к судовой зц 1 Ом т 1 кетттэ.дцИз 1 РИО дл 5 т управ ленин истОпИ;тельными средсттэами судна и может б т 1 ттспотттьэот 3 цо при экс цлуятзтеии буровьтх, спасательных, ца учцо-исследовательских и других су,цэв, выполцякэщих работы в окрестности эздаетцой точки морского днз.Система динамической стабилизации цз основе иетформзетии с датчиков линейных перемещений судна относительно заданной точки дца и датчика курса судна вырабатывает командные сигналы цз исполцительцьте срецства судцз (главные деетжители, подруливзющие устройства, движительно-рулевые колонки и т.п.) для создяния управлятощих сил и момента, противодействующетх гидродицзмическим и аэродинамическим воздействиям ца судцо ветроволновых возмущецитт и морского течения.Удс,рэтаетие судна вблизи заданной точки морского дца в условиях воздействия ца него интенсивных вцешцих возмущений требует больших затрат энергии. Это обстоятельство, а также длительность процессов динамической стабилизации судна в окрестности заданой точки (например, бурение подводной газоцефтяной скважины длится 1,5-2 года) и ограниченность энергоресурса судна требует тптимиэировзть расход энергии ца управление судном,Указанную метцимизацию расходаэнергии ц процессе динамической стабилизации судна цад заданной точкойморского дца целесообразно возложитьцз систему динамической стабилизациисудна путем Ориентации судна. противрезультирующего вектора внешних возмуцеций, поскольку при этом минимизируются гидроаэродицамические воздействия ца него ветра; волнения итечения, з следовательно, и цеобходтмые величины управляющих сил и моментов для парирования указанных возмущений,Поскольку исполнительные органы судна предназначены для компенсации постоянных составляющих возмущающих сил и моментов от ветра, волн и течецттл, то источником непроизводительных эзтрзт энергии является поныщеццая колебзтельцость исполнитель. цых средств судна, обусловленная наличием нерегулярных ветроволновых 10 1 4 20 25 30 35 40 45 сос гзвляющих в сигцалях управления судном, поскольку при этом расходуется энергия нз частые перекладки исполнцтельцых органов, не способные парировать нерегулярные силовые воздействия на судно морского волнения (Обычно на порядок превышающие силовые возможности органов).Целью изобретения является повышение точности стабилизации судна и уменьшение энергозатрат на управление исполнительными средствами посредством его оптимальной ориентации по курсу и уменьшения рыскания.На фиг. 1 показана блок-схема системы динамической стабилизации судна; на фиг. 2-8 - функциональные узлы и блоки; на фиг, 9 - система координат судна.Система динамической стабилизации содержит блок 1 датчиков рассогласоваций по продольному и поперечному перемещениям и курсу судна, преобразователь 2 координат, вычислительный блок 3, блокисполнительных органов и блок 5 датчиков обратных связей, блок б фильтрации курса, блок 7 определения продольной возмущающей силы и блок 8 определения поперечной возмущающей силы, блок 9 определения управляющих воздействий и блок 10 определения угла действия возмущения.Блок 1 датчиков рассогласований по продольному, поперечному переме- щениям и курсу судна вырабатывает сигналы, характеризующие смещения судна в продольном и поперечном направлениях относительно заданной точки морского дна и отклонение.курса судна от его заданного значения. В качестве датчиков смещений судна могут быть использованы гидроакустические датчики местоположения, а в качестве датчика рассогласования по курсу - гирокомпас и встречно ему включенный задатчик курса судна. Преобразователь 2 координат (фиг. 2) содержит следящий привод 11 курса, связанный входом с датчиком курса, и механически связанный с ним синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ) 12, четыре множительных элемента 13-16, причем первые входы элементов 13, 15 связаны с косинусной обмоткой СКВТ, а первые входы элементов 14,40 3 13080 16 - с синусной обмоткой СК 81, в то время как вторые входы лементов 13, 14 связаны с выходом датчика продольных смещений судна, а вторые входы элементбв 15, 16 - с выходом датчика поперечных смещений, сумматор 17, входы которого связаны с выходами элементов 13, 16, вычитатель 18, входыкоторого соединены с выходами элементов 14,15. ОВычислительный блок (фиг. 3) содержит сумматор 19, входы которого соединены через потенциометры 20, 21 с выходами блока 10 определения угла действия возмущений и блока 6 5 фильтрации курса, сумматор 22, входы которого через потенциометры 23, 24 связаны с выходами блока 7 определения продольной силы, сумматор 25, связанный входами через потенциометры 26, 27 с выходами блока 8 определения поперечной возмущающей силы, сумматоры 28, 29, связанные входами соответственно через потенциометры 30, 3 1 и 32, 33 с выходами25 сумматоров 19, 25, нелинейные функциональные преобразователи 34, 35, 36, входы которых соединены соответственно с выходами сумматоров28, 22, 29.3 ОИсполнительные устройства (фиг.4) содержат три пары последовательно соединенных гидроусилителей 37 (38, 39) и гидромоторов 40 (41, 42).Блок 5 датчиков обратных связей 35 содержит три датчика (например, вращающиеся трансформаторы), механически связанных с выходами гидромоторов, 40, 41, 42.Блок 6 фильтрации курса (фиг, 5) включает в себя последовательно соединенные интеграторы 43, 44 и вычитатель 45, второй вход которого связан с первым выходом преобразователя 2 координат, а выход - через соответствующие потенциометры 46, 47 со вторыми входами интеграторов, в то время как первый вход интегратора 43 связан с первым выходом блока 9 оп О ределения управляющих воздействий,Блок 7 (8) определения продольной (поперечной) возмущающей силы (фиг. 6) содержит последовательно включенные интеграторы 48, 49, 50 и 55 вычитатель 51, второй вход которого связан с вторым (третьим) выходом преобразователя 2 координат, а выход - через соответствующие потек 0 Днпоь 1 е тры ,., 3, "содив в со вто -рыми в. одами интегрдтерс в 4, 0 нвходом ивтегрдторд 48,в то время кдктретий вход интегрдт 1 рд 49 связанс вторым (третьим) выходом бленд 9определения управляющего воддействия,Блок 9 определения управляющих воздействий (фиг. 7) содержит нелинейные Функциональные преобразователи 55, 56, 57, сумматоры 58, 59 и потенциометры 60, 61, прн этом выход преобразователя 55 свяэдн с первым входом, сумматора 58 и через потенциометр 60 соединен с первым входом сумматора 59, д выход преобрдэовдтеля 57 - с вторьм входом сумматора 58 и через потенциометр 61 с вторым входом сумматора 59.Блок 10 определения угла действия возмущения (фиг. 8) соцержит делитель 62, входы которого подсоеди- нены соответственно к первым выходам блоков 7 и 8, и нелинейный функциональный преобразователь 63, вход которого соединен с выходом делителя 62, а выход - с шестым входом вычислительного блока 3.Работает система следуюшим образом.ИнФормация о смещениях судна относительно заданной точки морского дна Х, У вырабатывается в блокедатчиками рассогласований по продольному и поперечному перемещениям судна, измеряющими указанные перемещения судна в земной системе координат (центр 0 которой совмещен с заданной точкой морского дна, а оси ОХ и ОР направлены соответственно на Север и Восток). Информация об изменениях курса судна вырабатывается датчиком курса блока 1.Для упрощения управления линейными перемещениями судка сигналы Хз, У преобразуются в параллельную систему координат ХОУ, центр которой совпадает с центром земной системы координат, а оси ОХ и ОУ - параллельны осям судна (фиг, 9).Указанное преобразование координат осуществляется в преобразователе 2 по формуламХ=Х соз М + 7 з .и9 (1)У= -Х зхп + У соз ,где Х, У " сигналы смещений суднаотносительно заданной точки в парал", 1308040дельной системе координатсиг .Нал курса судна,Сигнал Ч курса судна поступает ерез преобразователь 2 координат на блок 6 фильтрации курса, представляющий собой упрощенную математическую модель судна по курсу, охваченную корректирующими обратными связлми по сигналу ошибки между текущими значениями истинного и модельного курса, описываемую системой дифференциальных уравнений второго порядка л лм (2) о= Ц, г Л где- модельное значение курса; м - модельная скорость измене,ния курса; И, - управляющий момент,л 5 = У - -корректирующий сигналошибки по курсу, К - коэффициенты коррекции, Сигнал М поступающий иэ блока 9 опредсленйя управляющих воздейст" вий подается на первый вход интегратора 43, на выходе которого выра)% бдтывается сигнал ы модельной скорости изменения кчрса, интегрируемый интегратором 44, в результате чего на его выходе появляется сигнал модельного курса.Поскольку моцель курса, описываемая уравнениями (2), является существенно упрощенной по отношению к точному математическому описанию изменения курса судна, изменение мол дельного курса с в общем случае не будет соответствовать изменению истинного курса судна, Дпя того чтобы сигналотслеживал сигнал ц истинного курса судна, в вычитателе 45 Формируется корректирующий сигнал ошибки , между истинным и модельным значениями курса, который поступает на входы интегратора 43, 44 и корректирует модель (2), заставляя ее отслеживать истинные значения угла курсасудна и скорости ь его изменения, 1Коэффициенты коррекции К., К,г задаются потенциометрами 4 б, 47 и определяют скорость отслеживания моделью (2) координат у и о судна.Выбором соответствующих значений коэффициентов К, К модели (2) задаются такие эначеййя ее постоянных времени, при которых она отслежива(4) щих возмущающих сил;Е, К - продольное и поперечноеуправляющие воздействия,Х, 9 - модельные значения продольного перемещениясудна и скорости его избменения;У, 1, - модельные значения поперечного перемещения судна и скорости его изменения;корректирующий сигналошибки по продольномул.перемещению судна;ЕЗ =У-У - корректирующий сигналошибки по поперечномуперемещению судна,Сигнал К (й), поступающий вблок 7 (8) из блока 9, подается навход интегратора 45, на выходе кото 50 лет только медленно изменяющиеся составляющие курсаи скорости его изменения и) и отфильтровывает быстрые колебательные составляющие указанных координат, порожденные воздействием на судно морского волнения и ветровых флуктуаций.Сигналы Х, У с выхода преобразователя 2 координат поступают на вхо ды соответственно блоков 7, 8 определения продольной и поперечной возмущающих сил, представляющих собой упрощенные математические модели судна относительно координат Х и У и 15 постоянных составляющих внешних возмущающих сил, обусловленных действием на судно течения, постоянного волнового давления и постоянной составляющей скорости ветра, Эти модели ох ватываются корректирующими обратными связями по сигналам ошибок между текущими значениями соответственно продольного перемещения судна и его модельной величиной и поперечного пе ремещения судна и его модельной величиной и .описываются системами дифференциальных уравнений третьего порядка", л Хл 22 х =к+ +К 2 г2(3) Ух =К 23 Е 2, г У =17+К,М М у э 23 =КЯ,л где Г, Гу - модельные значения продольной и поперечной постоянных составляю1308(4бете", Уо,Ф л нос тУГ 1 ц 1 НЯ ОстоВхс 1 вычцсцтельного блока 3,Ня первый вход блока Э поступаетлкз блока 6 Фцдьтровя 1 н 1 сигнал 1скорости изменения курса, В результате его ца выходе сумматора 19 Фо;"мцруется скгцал желаемого управляющего момента Мдля управления судном по курсу:(6) М= -Кс- КД рого Вьрабатвяетсэ Сигнал 1, (1 )х ч модельцо скорости продольного (поперечного) перемепения судна который кцтегрцрется кнтсгрятором 5 П, ца вьр;оде которого появляется сигицал Х (У) модельного продольного (поперечного) перемещения судна,Ня Вход вычктятеля 51 поступаютл лсигналы Х (У) и Х (У), Формируя ца его выходе корректирующий скгцялл ошибки Я .= Х - Х ( Е = У - 1) между исткш 1 ым и модельным значениями соОтветстнующего перемещения судна. Подача сигналя Я ( ЕЗ) через потецциометры 54, 53, 52 ца входы интеграторов 48 49, 50 с соответствующими чкслеццымк значениями коэффициентов коррекции К э Кил Кр (КзК, , К,. ) Обеспечивает отслежква 1 иеЗЗл лсигналом Х (У) Стц 5 Ого перемещениял Л Х (У) судия. Прк этом сигналх (7) скорости соответстгующего перемещения судка от.Лежквяет ксткш 1 ую скорость гереещ нкя судна э (Ч).Выбором численных значений коэффициентов коррекции К, К КэКл, К , .К мопелей (3), (Й) за-. даются такие значения постоянных времени этих моделей, которые обеспечквают отслеживание только медленно мецяюп 11 хся составляющих переменных Х, Ч, и У, 17, отфкльтровывая быстрые колебательцые составляю щие в этих сигналах, При этом перел лменные Г, Р, достигают значений постоянных составляющих внешних возмущающих сил, действующих на судно в продольном к поперечном направлениях, обусловленных течением, волно- вым давлением и постоянной состав-, ,ляющей ветрового давления. Выработаные тяккм образом в бло,ках 7, 8 сигналы Г Г позволяют вычислить угол . действия на судно результирующего вектора возмущений (см. Фкг, 9): 1= яС:(- ) (5),тхВычисление указанного угла осуществляется в блоке 10 куда постул л пают из блоков 7, 8 сигналы Г, Гл. Делитель б 2 вычисляет частное сь=улл НЯ ОСНОВЕ КОтоРОГО В НЕЛИРхцейном срукцкоцаьцоь преобразователе б 3, реяИзукэеь Функциональную записи;Ость О= ягс .д Ь) Вычислягде К 1(1. - весовье коэффициенты,задаваемые потенциометрами 20, 21,15 я Второй и третий входы блока 3пэступят кз блока 7 сигналы Хи ,я ца четвертый к пятьп входы - сигЛ лцялы У к э из блока Б, в результате чего ня выходе сумматора 22 и20 25 формируются сигналы желаемых управляцщкх сил К."и Куж,Кх, = -К, Х К 62 х (7)4 лК 61(6 г ъу (8)25где К 1( . К , К 6 - весовые коэффициенты, задаваемые потенциометрами 23, 24, 26, 2.Для создания желаемых значений управляющей поперечной силы и вращающего момента необходимо развить исполнительными средствами судна соответствующие желаемые значения поперечных углов на носовом и кормовомдвижителях судна Рж, Рк , рассчиты;ваемых по формулам Рв,= К М э + К 7 Кэ л, (9)РК М э Кз Ку; э (10) 40 где Кт, К, Кя, К - весовые ко эффициенты, учитывающйе расположение исполнительных средств по длине суд" на, задаваемые потенциометрами 30-33. 1 Келяемые значения упоров Р,РК ;, Р 1 пРеобРазУатсЯ В нелинейных функциональных преобразователях 34, 36 35, реализующих кривые действия винтов соответственно носовой, 50 кормовок и продольной групп движителей судна в желаемые значения уг"лов разворота о,, о, Ся 6лопастей ВРШ движителей илц углов разворота движительно-рулевых колоНОК. 0 ИГНВЛЫ С л О ф СР,Л ПОСтупают на входы блока 4 исполнительных средств, где усиливаются гкдроусилктелями 37, 38 39 ц обрабатываются сервомоторамк 40, 41, 42,3080/ ; 10ч(1 сця (ЕиНя( 13 1 1Ос Одл с останаеи 1 ех прОдолеНОЙ и поперечнойБозеупаопих сил обеспечивает оптиГ -Е- Гк .1;вычислцогся истпцные значения управляюпнх поперечной силы Ли ьрацаю- щРГО м 01 ецта Му, СЕгац 1 , 1,1 с блока 9 поступаот ца соответствующие входи блоков 6, 7, 8,Таким образом, благодаря Бведецио в систему динамической стабилизации блоков 6, 7, 8 обеспечивается фильтрация сигналов Х, У, выработка фильт л р 01 с ЕЕНЫХ ( 11 ГНЯЛОБ (1(у СКО О( ти изменения курса и скоростей гинейц.Ех перемецецей, судна, а также полую лчене 1 я сигналов Гу Р пОстОянных сос4тавллощих продольной и поперечной возмущающих се 1, Использование Б вычислительном блоке 3 Фильтрованныхл лсигналов 2, ),. и . Чу Длл фоРмиРО- вания управляощих сигйалов на исполительные средства судна позволяет существенно (более чем в 10 раз) снизить колебательность и(.полцительных средств судна в процессе егоци- цамичРскОЙ стабилизации.Взедееие в выражение ,6) вместо сигнала ошиб(и по курсу (игцала а угла. действил возмущения обеспечивает автОмятическкй развор 01 судна Б с 1 О- рону уееьшения этого угла Бплоть до .его полного списания, при этом судно ориентируют тротив вектора суммарного действия возмущений, Такая ориентация судна миш(мизирует расход энергии, требуемой для противоде 1 ствия постоянным вцепцим возмущающим воздействиям Б процессе удержанил судна в Окрестности заданной точки работ.1 Вычисление угла 4 действия ца судно результирующего вектора внешних возмущений через фцльтроваццые эца 1 ра эеочБаопИьц испоительные ОрЕа цо тех пор, пока укаэапцые сиг - цаль ИР ГкОм 10 сируОтсл соотВРтс- Бенно сцгца 1 И 1 Обратных сцязРЙ (ф, (,", д с датпКОБ положееил исполцйтельнж Органов блока 5.Сигналы У, сл, с". истинных уг" лоц Разворота исполнительных орга Б су 1 Пе поступают акже ца НРлицейнь е 1 у.(Циоцальцые преобраэоваели , "16, э 7 блока 9, преобразуясь Б эцаецил упрацля 101 Пих БочдРЙстве 1 Й Г Г Г ., Сигналы Г, Г, пос 8 г 9 ответствии с формулами: мальцуо ориентацию судна по отцошеццо к возмущениям практически беэрыскания по курсу, что повьппает точцость стЯбилиэации оптимального курса, снижает колебательность судовыхисполнительных органов и повьппаеттем самым их ресурс. Формула изобретения 15 1. Система динамической стабилизации судна, содержащая последовательно соединенные блок датчиков рассогласований по продольному, поперечному перемещениям и курсу судна и 20 пре(,бразователь координат, а такжевычислительный блок, выходы которогоподключены соответственно к первому,второму и третьему входам блока исполнительных органов блок датчиков 25 обратной связи, входы которого соединены с соответствующими выходамибпока исполнительных органов, а выходы - соответственно с четвертым,пятым и пестым входами блока испол- ЗО 1 ительных органов, о т л и ч а ю -щ а я с я тем, что, с целью повышения точности стабилизации судна иуменьшения энергозатрат, он содержит блок фильтрации, блоки определения продольной и поперечной возмущающих сил, блок определения управляющихвоздействий и блок определения угладействия возмущения, выход которогогодклочен к первому входу Бычисли,О тельного блока, а первпй и второйвходы - к первым выходам блоков определения продольной и поперечнойвозмущающих сил соответственно, связанных вторыми и третьими выходами со вторым, третьим, четвертым и пятым входами вычислительного блока соответствеццо, выход блока фильтрациисоединен с шестьп; входом вычислительного блока, первый вход - с первьемвыходом преобразователя координат, авторой вход - с первым выходом блокаопределения управляющих воздействий,подключенного вторым и третьим выходами к первым входам блоков определеция продольной и поперечной возмущаюпих сил соответственно, а входамик соответствующим выходам блока датчиков обратной связи, второй вьц(одпреобразователя координат соединен с 11113 очС) вторым входом блока определения пр дольной возмущающей силы, а третий выход - с вторым входом блока определения поперечной возмущающей силы.52. Система по п, 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что блок фильтрации содержит последовательно соединенные первый и второй интеграторы и вычитатель, первый вход первого интегратора связан с вторым входом блока, второй вход вычитателя подключен к первому входу блока, а выход через соответствующие потенциог метры - к вторым входам интеграторов, выход первого интегратора связан с выхопом блока.). нстем пг н. 1, о т л н ч аю ш л я с я тем что блок овре деления п 1 лпольной (поперечной) возмущающей силн содержит поспелова" тел но соединенные первый, второй и третий интеграторы и вычитатель, второй вход которого связан с вторым входом блока, первый вход - с третьим :;ходом блока, а выход через соответствующие потенциометры - свходом первого интегратора и вторыми входами второго и третьего интеграторов, первый вход блока подключен к третьему входу второго интегратора, а первые входы второго и третьего интеграторов соединены соответственно с первым и вторым выходами блока,,Шекма 89 ВНИИПИ Тиражсударственного комитета СССРам изобретений и открытийква, Ж, Раушская наб., д,одписное 5 13035, М роиэводственно-полиграфическо ятие, г. Ужгород, ул. Проектная