СУДОСТРОЕНИЕ 1'2002
МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПОВЫШЕННОЙ ЖИВУЧЕСТИ
Г. Э. Острецов, канд. техн. наук (Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН), Л. М. Клячко, канд. техн. наук (Россудостроение) удк 681.51.07:629.5.05
Разрабатываемые системы управления движением судна, также как и существующие (например, отечественные авторулевые «Самшит», АБР, «Аист» и авторулевые иностранных фирм «Sperry», «Anschutz», «Asаp», «Atew»), не имеют достаточно развитых подсистем контроля исправности работы. Основные усилия при разработке систем управления движением направлены на оптимизацию точности стабилизации судна по курсу или по заданной траектории и качества маневрирования. Повышению живучести системы управления, а следовательно, и безопасности мореплавания уделяется недостаточное внимание.
В отношении выработки навигационной информации следует отметить, что контролю целостности спутниковой навигационной системы посвящено достаточно много исследований [1, 2], предложены также неинвариантные алгоритмы обработки информации инерциальных навигационных систем [3]. Отмеченные работы в основном касаются выработки высококачественной информации о путевом угле.
Увеличение количества эксплуатирующихся судов, их водоизмещения и скорости хода требует создания системы управления движением с более высокой степенью живучести. Существующие системы автоматического управления движением оборудованы только сигнализацией отклонения судна с заданного направления движения более допустимого значения. Сбои в работе измерителей, исполнительных органов («заклинка руля» в рулевом приводе), регулятора, потери питания и другие возможные виды отказов узлов и блоков системы управления не контролируются.
Рассмотрим возможные способы построения подсистемы контроля и диагностики, использование которой позволило бы существенно повысить живучесть системы управления судном.
В ракетной технике принят принцип тройного резервирования всех узлов вплоть до элемента. Это позволило существенно повысить отказобезопасность, но привело к значительному увеличению стоимости, габаритов, энергоемкости. В нашем случае идти по этому пути нельзя хотя бы из-за того, что существенно завышается стоимость системы управления движением морского судна.
Одним из возможных принципов построения системы контроля и диагностики, наряду с применением избыточных измерителей, может быть использование электронных моделей, описывающих процесс движения судна и работы узлов системы управления движением (в том числе и рулевого привода). Значения, полученные с помощью математических моделей сравниваются с данными текущих измерений.
Для построения диагностических систем могут быть использованы в качестве дополнительной информации косвенные оценки выполнения тех или иных логических условий, которые могут возникнуть в процессе функционирования системы управления. Несмотря на достаточно большой объем вычислений, реализация такой подсистемы контроля и диагностики не вызовет каких-либо затруднений при использовании микроконтроллера.
Как видно из блок-схемы (рис. 1), для контроля исправности всех узлов системы управления движением следует непрерывно получать текущую информацию от каждого узла и сравнивать ее с полученной иным способом. При существенном расхождении результатов измерений индикация об этом поступает судоводителю. Для контроля сложных блоков (7, 4) в блок 7 должны поступать данные дополнительных измерений (на рис. 1 показано пунктиром).
Рассмотрим возможные способы получения дополнительной информации о текущем путевом угле, угловой скорости судна и угле перекладки руля. Воспроизвести эти фазовые координаты можно, используя «частные» модели протекающего процесса.
Моделирование фазовых координат углового движения судна с использованием кинематических зависимостей можно представить в виде
ПУ = ф + р,
где ПУ — путевой угол; ф — угол курса судна; в — угол дрейфа судна;
ф = • dt + ф0,
где ю — угловая скорость рыскания судна; Ф0 — начальное значение угла курса.
ПОСТРОЕНИЕ 1'2002
СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Рис. 1. Типовая принципиальная схема системы управления судном:
1, 2, 3 — измерители ПУ, угловой скорости рыскания судна ю и угла перекладки руля 5; 4 — блок формирования закона управления; 5 — исполнительный механизм; 6 — рулевой привод; 7 — блок индикации сбоев в системе управления движением; 8 — объект управления (судно)
В интервале Д^ исходя из кинематических соотношений, имеем для приращения путевого угла (в предположении постоянства угла дрейфа на этом интервале)
г + Дt ДПУ = 1 юСт. t
Значение ДПУ можно получить двумя независимыми способами:
t + Д/_ ДПУ1 = 1 юСт, t
где ю — измерения датчика угловой скорости (ДУС);
ДПУ2 = ПУ^ + ДО - ПУ(0,
где ПУ — измерения спутниковой навигационной системы (СНС).
Сбой в работе ДУСа или СНС можно выявить по величине невязки:
5ПУ = ДПУ1 - ДПУ2 . (1)
Таким образом можно контролировать исправность ДУСа или СНС без учета динамики объекта.
Моделирование угла перекладки руля, угловой скорости судна, угла курса и путевого угла во время плавания осуществляется с использованием электронной модели углового движения судна и рулевого привода.
Задаваясь уравнениями динамики движения судна и рулевого привода (пусть с упрощениями: линеаризованными, без учета внешних возмущений — волнение, порывы ветра, люфт рулевого привода и т. п.) с точ-
но известными параметрами, используя известные (измеренные) значения угла перекладки руля 5, угловой скорости судна ю, величины путевого угла ПУ и сравнивая их с модельными значениями, можно решить задачу контроля исправности основных блоков системы управления движением судна.
Процесс управления угловым движением судна в динамике может быть описан системой алгебраических и дифференциальных уравнений, которые имеют вид:
ДПУ = (ПУ - ПУзад),
ю = К1ю + К2р + КЗ 5, в = К4ю + К5р + К65, ф = ю, ПУ = ф + р,
5 = -К75 + К8ДПУ + К9ю.
(2)
ствием математического описания реально протекающему процессу углового движения судна.
Для приближения полученных оценок фазовых координат к реально существующим (измеренным) значениям на вход каждого дифференциального уравнения системы (2) следует ввести невязки от модельного и измеряемого значения этого параметра. В этом случае система (2) примет вид:
ДПУ = (ПУ - ПУзад),
ю = К1ю + К2р + К35 + К11(ю - юизм), р = К4ю + К5р+ К65 + К12(р - ризм.),
ф = ю + К12(ф - физм.1
ПУ = ф + р,
5 = -К75 + К8ДПУ + К9ю + К10(5 - 5изм),
(3)
Если на вход системы (2) ввести заданное значение путевого угла ПУ и начальные значения всех ин-
зад
Рис. 2. Принципиальная схема системы восстановления оценок: 1, 2 — измерители угла дрейфа и угловой скорости; 3 — датчик угла перекладки руля; 4, 6, 11 — сумматоры; 5 — задатчик угла перекладки руля; 7 — блок индикации сбоев в системе управления; 8—10 — интеграторы
тегрируемых фазовых координат, то получим модельные значения фазовых координат 5, ю, р, ф, ПУ. Однако при сравнении их с измеренными значениями процесса углового движения судна (при такой же перекладке руля) модельные значения будут иными. Расхождение восстановленных и измеренных фазовых координат объясняется целым рядом факторов, в том числе и несоответ-
где ПУ, ПУзад — модельное и заданное значения путевого угла; ю, р, ф, 5 — соответственно модельные значения угловой скорости судна, угла дрейфа, угла курса, угла перекладки руля; К1—К6 — коэффициенты математической модели движения судна; К7 — коэффициент передачи рулевого привода; К8, К9 — коэффициенты регулирования; К10—К12 — коэффициенты при невязках 5, ю, р.
Вырабатываемые в системе (3)
невязки: (5—5изм.Ь (ю—юизм.Ь (р—
ризм) в процессе нормального функционирования системы находятся в известных заданных пределах. При сбое в системе невязки выйдут из этих пределов, что будет информировать судоводителя о появлении сбоя в работе какого-то узла системы (рис. 2).
В рассмотренных выше схемах выявления сбоя в работе нет однозначного решения для диагностирования конкретного неисправного узла системы. Этот недостаток устраняется, если рассмотреть дополнительные логические условия, например:
• если 5ПУ > С1 по зависимости (1) и (ю—ю „,) > С2 по зависимо* ' * изм.'
сти (3), то сбой в датчике 2 угловой скорости;
• если ПУ > С1 по зависимости (1) и (ю—юизм) < С2 по зависимости (3), то сбой в приемнике СНС 1, и т. п.
Для проверки эффективности использования предложенных мето-
6 Судостроение № 1, 2002 г.
СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2002
дик построения подсистемы контроля и диагностики проведено моделирование выявления конкретных сбоев в системе управления движением судна при движении по заданному путевому углу. Полученные результаты подтвердили целесообразность построения такой подсистемы контроля и диагностики.
Заключение. 1. Существующие системы управления движением не соответствуют современным требованиям живучести, так как отсутствует контроль исправности основных узлов системы, а также индикация о появлении в каком-либо узле сбоя в процессе эксплуатации.
2. Предложены методики восстановления фазовых координат системы управления движением судна с использованием кинематических зависимостей для построения подсистемы контроля.
3. Рассмотрены методики моделирования процесса движения судна с использованием электронных моделей движения судна для построения подсистемы контроля.
4. Предложены способы диагностирования неисправного блока в системе управления движением судна путем использования логических зависимостей в системе управления движением.
Литература
1. Дмитриев С. П., Осипов А. В. Автономный контроль целостности спутниковой навигационной системы на основе многоальтернативной фильтрации//7-я С.-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2000 г.
2. Дмитриев С. П., Степанов О. А. Многоальтернативная фильтрация в задачах обработки навигационной информации//8-я С.-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2001 г.
3. Дмитриев С. П., Степанов О. А., Пелевин А. Е. Неинвариантные алгоритмы обработки информ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.