3 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ДВИЖЕНИЕМ СУДНА
3.1. Системы автоматического управления движением судна по курсу
В настоящее время на судах морского и речного флота, наряду с другими автоматическими системами, находят применение системы автоматического управления движением судна по курсу (авторулевые). Эти системы являются наиболее важными и ответственными системами в судовой автоматике. От их качества и надежности в значительной степени зависит безопасность мореплавания, а также технико-экономические показатели судов.
Система автоматического управления (САУ) движением судна по курсу решает следующие задачи:
стабилизацию – автоматически удерживать судно на заданном курсе;
маневрирование – достаточно точно и быстро выполнять полученные приказы (управляющие воздействия).
Обеспечение условия непрерывной работы авторулевого в течение всего времени плавания судна зависит от надежности работы его элементов, поэтому необходимо при расчете выбирать также элементы и корректирующие устройства, которые не ведут к чрезмерному усложнению системы и снижению ее надежности. Важным является ограничение числа перекладок руля при стабилизации на курсе. Для реализации задачи автоматической стабилизации судна на курсе чаще всего используется ПИД-регулятор:
(1)
где
- заданный угол перекладки руля;
- параметры управления,
- отклонения судна от заданного курса.
Принцип работы САУ курсом судна показан на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема системы автоматического управления движением судна по курсу с авторулевым АРМ-2: ГК – гирокомпас; РУК – рукоятка установки заданного курса; В – сельсин-трансформатор, вырабатывающий напряжение, пропорциональное углу отклонения судна от заданного курса; UZ – фазочувствительный выпрямитель; А – усилитель с устройством, регулирующим время срабатывания выходных реле; КМ – выходные реле; До.с – датчик обратной связи, вырабатывающий напряжение, пропорциональное углу кладки руля.
3.2. Системы автоматического управления движением судна на траектории
Начиная с середины 70-х годов, задача стабилизации судна на траектории ставилась как одна из актуальных проблем судовождения. Решение этой задачи, радикально изменяющей эффективность автоматизированного судовождения, является альтернативой задаче стабилизации на курсе. Этот подход позволяет повысить уровень автоматизации и безопасности мореплавания, обеспечить экономию топливных затрат и соблюдения временного графика переходов, минимизировать нагрузку на рулевой привод по величине и количеству перекладок руля, а также автоматизировать решение специальных задач судовождения.
При
движении по заданной траектории основной
регулируемой величиной является боковое
отклонение центра тяжести судна
от
заданной линии пути. Боковое отклонение
вычисляется по данным счисления и
показаниям средств навигации, непрерывно
вырабатывающих координаты судна.
Заданный маршрут вводят в систему в
виде координат начальной и конечной
точек прямолинейных отрезков желаемой
траектории, снятых с навигационной
карты.
На основе
непрерывных данных о текущем месте
судна (точка М
на рис. 2)
система вырабатывает значение отклонения
.
Рис. 2. К вопросу стабилизации судна по траектории
Закон
управления в задаче стабилизации на
траектории строят в виде линейной
функции от
— отклонения курса от курсового угла
участка траектории,
- угловой скорости рыскания,
- бокового отклонения от траектории и
интеграла от него, что представляет
собой, в сущности, ПИД-регулятор по
с
учетом того, что комбинация
и
может интерпретироваться с некоторым
приближением как производная
.
Так, управление ик
такого
ПИД-регулятора на каждый момент k
дискретного
времени определяется следующим
соотношением:
,
(2)
где
– поправка к курсу заданному, вычисляемая
по формуле
.
(3)
Измерение
координаты
,
формируемое по координатам местоположения
– широте
и долготе
– обсервационные координаты и известным
параметрам локсодромического участка,
заданного координатами начальной точки
и курсовым углом P,
определяются формулой (эллиптичностью
Земли пренебрегаем):
,
(4)
где R - радиус Земли, или упрощенной формулой
.
(5)
Этот переход осуществлен с учетом условия малой длины локсодромического участка (не более 50 миль); при этом в широтах не больше 70º вносимая погрешность в наихудшем случае (широта равна 70º) составляет не более 15 м.
3.3. Основные проблемы при решении задачи стабилизации судна на траектории
При
решении задачи стабилизации судна на
траектории управление осуществляется
по закону (1.12). При этом боковое отклонение
рассчитывается по формуле (1.15). В этой
формуле
определяются каким-либо способом. Видно,
что чем выше точность их определения,
тем точнее определяется боковое
отклонение и, тем самым, обеспечивается
точная стабилизация судна на траектории.
Таким образом, при стабилизации судна
на траектории решающим вопросом является
точное и непрерывное определение места
судна.
Оптимальное управление судном в соответствии с приведенным законом обеспечивается на тихой воде и при умеренном волнении. Опыт эксплуатации САУ движением судов показал, что при волнении свыше 4-5 баллов требуется перестройка параметров управления регулятора, так как в противном случае достижение заданной точности управления сопровождается перегрузкой рулевого привода. При большом волнении обычно переходят на ручное управление. При ручном управлении рулевой по своему опыту производит перекладки руля только при большом отклонении судна от курса. Этим достигается уменьшение числа перекладок руля и обеспечивается надежная работа рулевого привода и повышения эффективности управления.
В связи с этим задаче уменьшения числа перекладок руля при автоматическом удержании судна на курсе и на траектории в условиях значительных волновых возмущений уделяется большое внимание. В работах для исключения высокочастотной составляющей управляющего сигнала, обусловленного волнением, т.е., для уменьшения числа перекладок руля, предложено представлять курс и угловую скорость рыскания в виде двух составляющих: медленной, характеризующей движение судна под действием средств управления и медленноменяющихся возмущений, и быстрой, обусловленной высокочастотным волнением.
С развитием теории нечетких множеств и нечеткой логики появляется возможность совершенствования авторулевых на базе использования новой элементной базы систем управления – нечетких регуляторов. При работе такие регуляторы функционируют по специальным правилам в базе знаний, которая строится на основе использования опыта человека-оператора и настраивается на его поведение при управлении объектами в сложных условиях.
Нечеткая логика как новая область математики была представлена в 60-х годах профессором Калифорнийского университета Лотфи Заде. Первоначально она разрабатывалась как средство моделирования неопределенности естественного языка, однако впоследствии круг задач, в которых нечеткая логика нашла применение, значительно расширился. Мощность и интуитивная простота нечеткой логики как методологии разрешения проблем гарантирует ее успешное использование во системах управления различного назначения.
Принципиальная структура системы управления с нечетким регулятором приведена на рис. 3, где показаны функциональные компоненты нечеткого регулятора, выполняющие процедуры фаззификации на базе лингвистических правил, композиции базы правил и логического решения, а также дефаззификацию.
Рис.
3. Укрупненная структура контура
управления с нечетким регулятором: w-
задающее воздействие; e
– отклонение регулируемой величины; y
– управляющее действие;
-
обработка и преобразование входных и
измеряемых величин; x
– регулируемая величина; БП – семейство
эмпирических знаний о процессе в форме
ряда правил ЕСЛИ-ТО.
Блок фаззификации преобразует четкие величины, измеренные на входе объекта управления, в нечеткие величины, описываемые лингвистическими в базе правил. Блок решений использует нечеткие условные (ЕСЛИ-ТО) правил, заложенные в базе знаний, для преобразования нечетких входных данных в требуемые управляющие воздействия, которые также носят нечеткий характер. Блок дефаззификации преобразует нечеткие данные с выхода блока решений в четкую величину, которая используется для управления объектом.
В технических системах нечеткие регуляторы используются для управления очень сложными процессами, когда не существует их простой математической модели, нелинейными процессами высоких порядков, а также, когда необходимо производить обработку лингвистически сформулированных экспертных знаний.