Способ управления движением буксирной системы

Изобретение относится к управлению движущимися объектами, связанными гибкой связью, например буксирной системой, элементами которой являются: буксирующее судно, буксирный трос, буксируемое судно (фиг. 1), при выполнении буксирной операции, и касается автоматического управления движительно-рулевыми комплексами буксирующего и буксируемого судов, а также техническими средствами управления буксирным тросом, например, автоматической буксирной лебедкой с использованием значений координат двух разнесенных по длине обоих судов точек в заданной координатной системе, положение и ориентация которой на плоскости определяется безопасностью выполнения буксирной операции.

Известен способ управления движущимся судном, например, буксирующим по величине поперечных смещений двух разнесенных по длине судна точек, условно называемых носовой F и кормовой А, и условной точки G, расположенной в пределах корпуса судна в его диаметральной плоскости (ДП) (фиг. 2-6), текущее положение которой определяют исходя из текущих значений координат носовой F и кормовой A точек (Пат. РФ №2553610, опубл. 20.06.15).

Способ заключается в том, что в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 2-6), а другая к корме судна (точка A на фиг. 2-6) относительно плоскости мидель-шпангоута. Координаты точек F и A определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м).

Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F(d_xoF) и точки A(d_xoA) от оси OY_o и продольные отклонения точки F(d_yoF) и точки A(d_yoA) от оси ОХ_o.

Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:

где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY₀. Сигнал σ_y считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 3-6 изображены основные варианты возможных отклонений судна от оси OY_o. Например, на фиг. 3, 4 ДП судна пересекает ось OY_o под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F(d_xoF) и точки А(d_xoA), причем d_xoF больше 0, d_xoA меньше 0 (фиг. 3) и d_xoF меньше 0, d_xoA больше 0 (фиг. 4). В первом случае (фиг. 3) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d_xoF и d_xoA и в конечном итоге к совпадению ДП судна и оси OY_o; во втором случае (фиг. 4) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d_xoF, d_xoA и к совпадению ДП судна и оси OY_o.

На фиг. 5, 6 ДП судна не пересекает линию OY_o, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 5 и отрицательные на фиг. 6. Знак σ_у и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α₁ и α₂ (α₁ больше α₂, если знаки поперечных смещений точек F и A одинаковы, фиг. 5, 6; α₁ и α₂ будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и A противоположны, фиг. 3, 4). Соотношение значений коэффициентов α₁ и α₂ может быть выбрано из различных соображений.

Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:

где β₁, β₂ - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси ОХ_o. Сигнал σ_х считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку O в процессе выполнения маневрирования будет обеспечиваться исходя из условия

Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ_от, λ_от) и заданных (ϕ_оз, λ_оз) координат точки O сигнал на изменение положения начала координатной системы X_oOY_o (σ_o):

где ϕ_от, λ_oт - текущие значения широты и долготы точки О соответственно; ϕ_оз, λ_оз - заданные значения широты и долготы точки O соответственно; χ₁, χ₂ - коэффициенты усиления.

Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY_o относительно направления на N с учетом значений текущего ψ_т и заданного ψ_з угла поворота:

где γ - коэффициент усиления.

При этом значения заданных координат (ϕ_оз, λ_оз) начала координатной системы X_оOY_o определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования.

Значение заданного направления оси OY_o определяют исходя из безопасности управления движением судна.

Таким образом, меняется положение и ориентация координатной системы X_оOY_o на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна.

Кроме того, известен способ управления траекторией буксируемого судна по величине поперечных смещений двух разнесенных по длине буксируемого судна точек, условно называемых носовой F' и кормовой A' (патент РФ №2470828, опубл. 27.12.12).

Способ заключается в том, что буксирующее судно (фиг. 7) является задатчиком траектории движения для буксируемого судна 2 и любое изменение его движения по курсу влечет за собой изменение траектории движения буксируемого судна 2 (позиция 4 на фиг. 7 - буксирный трос).

На буксирующем судне 1 в пределах его контура в его ДП выбирают две точки. Одна из них расположена к носу судна 1 (точка F на фиг. 7), а другая к корме судна 1 (точка A на фиг. 7) относительно плоскости мидель-шпангоута. Координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м).

Значения координат точки F(X_oF, Y_oF) и точки A(Х_оА, Y_oA) позволяют непрерывно вычислять положение линии ДП буксирующего судна 1 и передавать его на буксируемое судно 2.

На буксируемом судне 2 в пределах его контура в его ДП выбирают две точки. Одна из них расположена к носу буксируемого судна 2 (точка F' на фиг. 7), а другая к его корме (точка A' на фиг. 7) относительно плоскости мидель-шпангоута. Координаты этих точек определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м).

Непрерывное определение значений координат точек F'(X_oF', Y_oF') и A'(Х_оА', Y_oA') буксируемого судна 2 позволяет непрерывно вычислять поперечные смещения точки F'(d_F') и точки A'(d_A') от текущего положения линии ДП буксирующего судна 1 (позиция 3 на фиг. 7) Причем поперечное смещение точки F' или A' от линии ДП буксирующего судна 1 считается положительным, если точка (F' или A') смещается вправо и отрицательным, если она смещается влево относительно линии ДП буксирующего судна 1.

Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса буксируемого судна по закону:

где k_F', k_A' - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек буксируемого судна 2 от линии ДП буксирующего судна 1. Это положительные величины, причем численное значение коэффициента k_F' больше численного значения коэффициента k_А'.

Значения отклонений точек F' и A' от линии ДП буксирующего судна 1 определяются по формулам:

где X_oF, Y_oF, Х_оA, Y_oA - координаты носовой и кормовой точек буксирующего судна; X_oF', Y_oF', Х_оА', Y_oA' - координаты носовой и кормовой точек буксируемого судна.

Однако управление буксирной системой будет удовлетворять требованиям безопасности только в том случае, когда управления буксирующим и буксируемым судном взаимосвязаны, то есть буксирная система управляется как единый управляемый технический комплекс. В частности, для обеспечения безопасности буксирной операции в определенных условиях плавания требуется не только синхронное управление буксирующим и буксируемым судами, но и автоматическое регулирование длины буксирного троса, так как длина буксирного троса оказывает влияние на управляемость буксирной системы. Способ управления движением судна (патент РФ №2553610, опубл. 20.06.15) и способ управления траекторией движения буксируемого судна (патент РФ №2470828, опубл. 27.12.12) не способствуют в полной мере выполнению условий безопасности при осуществлении буксирной операции, так как не обеспечивают взаимосвязанное управление буксирующим и буксируемым судами как единым управляемым техническим комплексом.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в приведении буксирующего и буксируемого судна в заданное положение на плоскости при выполнении движения буксирной системы по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения буксирующего и буксируемого судов исходя из требований безопасности выполнения буксирной операции.

Для достижения указанного технического результата в способе управления движущимся судном, когда в пределах контура судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F на фиг. 2-6), а другая к корме судна (точка A на фиг. 2-6) относительно плоскости мидель-шпангоута. Координаты точек F и A определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м).

Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F(d_xoF) и точки A(d_xoA) от оси OY_o и продольные отклонения точки F(d_yoF) и точки A(d_yoA) от оси ОХ_o. Знаки указанных отклонений зависят от октанта декартовой координатной системы X_oOY_o, в котором находятся точки F и А.

Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:

где α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY₀. Сигнал σ_y считается положительным при вращении судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении судна против часовой стрелки. На фиг. 3-6 изображены основные варианты возможных отклонений судна от оси OY_o. Например, на фиг. 3, 4 ДП судна пересекает ось OY_o под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F(d_xoF) и точки А(d_xoA), причем d_xoF больше 0, d_xoA меньше 0 (фиг. 3) и d_xoF меньше 0, d_xoA больше 0 (фиг. 4). В первом случае (фиг. 3) согласно закону (*) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d_xoF и d_xoA и в конечном итоге к совпадению ДП судна и оси OY_o; во втором случае (фиг. 4) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d_xoF, d_xoA и к совпадению ДП судна и оси OY_o.

На фиг. 5, 6 ДП судна не пересекает линию OY_o, а поперечные смещения точек F, А имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 5 и отрицательные на фиг. 6. Знак σ_y и соответствующее ему направление вращения судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α₁ и α₂ (α₁ больше α₂, если знаки поперечных смещений точек F и A одинаковы, фиг. 5, 6; α₁ и α₂ будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и A противоположны, фиг. 3, 4). Соотношение значений коэффициентов α₁ и α₂ может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП судна от линии OY_o будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:

где l - расстояние между точками F и А.

Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса судна по закону:

где β₁, β₂ - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси ОХ_o. Сигнал σ_х считается положительным при движении судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку O в процессе выполнения ключевой судовой операции будет обеспечиваться исходя из условия (см. фиг. 2)

Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ_от, λ_от) и заданных (ϕ_оз, λ_оз) координат точки O сигнал на изменение положения начала координатной системы X_oOY_o (σ_o):

где ϕ_от, λ_от - текущие значения широты и долготы точки O соответственно; ϕ_оз, λ_оз - заданные значения широты и долготы точки O соответственно; χ₁, χ₂ - коэффициенты усиления.

Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY_o относительно направления на N с учетом значений текущего ψ_т и заданного ψ_з угла поворота:

где γ - коэффициент усиления.

При этом значения заданных координат (ϕ_оз, λ_оз) начала координатной системы X_оOY_o определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования.

Значение заданного направления оси OY_o определяют исходя из безопасности и энергетической эффективности управления движением судна.

Таким образом, меняется положение и ориентация координатной системы X_оOY_o на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанных выше известных, указанных выше, являются следующие:

- для обеспечения регулирования длины буксирного троса перпендикулярно оси OY_o устанавливается дополнительная ось O'Х'_o (фиг. 1), исходное положение которой определяется исходным положением точки O' на оси OY_o, которое в свою очередь определяется исходным положением условной точки буксируемого судна G' на поверхности Земли в момент начала буксирной операции, то есть на момент начала буксирной операции положениея точек O' и G' на поверхности Земли совпадают, при этом в процессе буксировки положение оси O'Х'_o может меняться с учетом соблюдения условий безопасности выполнения буксирной операции, в частности, для уменьшения амплитуды рыскания буксируемого судна, величина сигнала управления, поступающего на управляющий элемент автоматической буксирной лебедки, определяется разностью заданного l_tз и текущего l_tт значений длины буксирного троса

где δ - коэффициент усиления;

- дополнительно для обеспечения вывода и удержания буксируемого судна на заданной траектории движения, когда ДП буксируемого судна совпадает с положительным направлением оси OY_o, а условная точка G' (фиг. 8) буксируемого судна совпадает с положением точки O' на поверхности Земли, формируют два сигнала управления:

где d_x'oF', d_yoF' - отклонения носовой точки буксируемого судна от оси OY_o и O'Х'_o соответственно (фиг. 8); d_x'oA', d_yoA' - отклонения кормовой точки буксируемого судна от оси OY_o и O'Х'_o соответственно; знаки отклонений d_x'oF', d_yoF' и d_x'oA', d_yoA' определяют с учетом места расположения соответствующей точки (F' или A') в координатной системе X'_oO'Y_o; α'₁, α'₂, β'₁, β'₂ - коэффициенты усиления, подбираемые специально для конкретного буксируемого судна и конкретной буксирной операции с целью повышения качества управления при ее выполнении; значения коэффициентов α'₁, α'₂, β'₁, β'₂ могут быть определены компьютерным моделированием конкретной буксирной операции, например α'₁=-1,1; α'₂=0,9; β'₁=-1,0; β'₂=-1,0. Сигнал σ'_y считается положительным при вращении буксируемого судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении буксируемого судна против часовой стрелки. Сигнал σ'_х считается положительным при движении буксируемого судна передним ходом и отрицательным при движении буксируемого судна задним ходом.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-8.

На фиг. 1 представлена общая схема буксировки, на фиг. 2 - управление буксирующим судном, на фиг. 3, 4, 5, 6 показаны основные варианты возможных отклонений судов от оси OY₀, на фиг. 7 - управление буксируемым судном по патенту №2470828, на фиг. 8 - управление буксируемым судном по предлагаемому способу.

Предлагаемый способ управления движением буксирной системы для приведения буксирующего и буксируемого судна в заданное положение на плоскости при выполнении движения буксирной системы по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения буксирующего и буксируемого судов исходя из требований безопасности выполнения буксирной операции, осуществляется следующим способом:

в пределах контура буксирующего судна в его диаметральной плоскости выбирают две точки, одна из которых расположена к носу буксирующего судна (точка F на фиг. 2), а другая к корме буксирующего судна (точка A на фиг. 2) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками F и A выбирают в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приемных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением буксирующего судна относительно оси OY_o.

Координаты точек F и A определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.

Значения координат позволяют непрерывно вычислять поперечные отклонения точки F(d_xoF) и точки A(d_xoA) от оси OY_o и продольные отклонения точки F(d_yoF) и точки A(d_yoA) от оси ОХ_о (фиг. 2). Знаки указанных отклонений зависят от октанта декартовой координатной системы X_oOY_o, в котором находятся точки F и A.

Возникающие поперечные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса буксирующего судна по закону:

где ось α₁, α₂ - коэффициенты усиления по поперечным отклонениям носовой и кормовой точек судна от оси OY₀. Сигнал σ_y считается положительным при вращении буксирующего судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении буксирующего судна против часовой стрелки. На фиг. 3-6 изображены основные варианты возможных отклонений буксирующего судна от оси OY_o. Например, на фиг. 3, 4 ДП буксирующего судна пересекает ось OY_o под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки F(d_xoF) и точки А(d_xoA), причем d_xoF больше 0, d_xoA меньше 0 (фиг. 3) и d_xoF меньше 0, d_xoA больше 0 (фиг. 4). В первом случае (фиг. 3) согласно закону (1) элементы движительно-рулевого комплекса будут обеспечивать вращение буксирующего судна против часовой стрелки, что приведет к уменьшению d_xoF и d_xoA и в конечном итоге к совпадению ДП буксирующего судна и оси OY_o; во втором случае (фиг. 4) сигнал управления будет иметь положительное значение и движительно-рулевой комплекс обеспечит вращение буксирующего судна по часовой стрелке, что приведет к уменьшению d_xoF, d_xoA и к совпадению ДП буксирующего судна и оси OY_o.

На фиг. 5, 6 ДП буксирующего судна не пересекает линию OY_o, а поперечные смещения точек F, A имеют одинаковые знаки, положительные на фиг. 5 и отрицательные на фиг. 6. Знак σ_y и соответствующее ему направление вращения буксирующего судна, обеспечиваемое его движительно-рулевым комплексом, зависят от соотношения значений коэффициентов α₁ и α₂ (α₁ больше α₂, если знаки поперечных смещений точек F и A одинаковы, фиг. 5, 6; α₁ и α₂ будут равны по величине, если знаки поперечных смещений точек F и A противоположны, фиг. 3, 4). Соотношение значений коэффициентов α₁ и α₂ может быть выбрано из различных соображений. Например, если считать, что отклонение направления ДП 3 судна 1 от линии OY_o будет находиться в пределах ±90°, то указанное соотношение будет определяться выражением:

где l - расстояние между точками F и A.

Возникающие продольные отклонения вырабатывают сигнал управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса буксирующего судна по закону:

где β₁, β₂ - коэффициенты усиления по продольным отклонениям носовой и кормовой точек буксирующего судна от оси ОХ_o. Сигнал σ_х считается положительным при движении буксирующего судна передним ходом и отрицательным при движении судна задним ходом. При этом вывод условной точки G в заданную точку O в процессе выполнения буксирной операции будет обеспечиваться исходя из условия

Формируют вручную или автоматически с учетом значений текущих (ϕ_от, λ_от) и заданных (ϕ_оз, λ_оз) координат точки O сигнал на изменение положения начала координатной системы X_oOY_o (σ_o):

где ϕ_от, λ_от - текущие значения широты и долготы точки O соответственно; ϕ_оз, λ_оз - заданные значения широты и долготы точки O соответственно; χ₁, χ₂ - коэффициенты усиления.

Формируют вручную или автоматически сигнал на изменение угла поворота оси OY_o относительно направления на N с учетом значений текущего ψ_т и заданного ψ_з угла поворота:

где γ - коэффициент усиления.

При этом значения заданных координат (ϕ_оз, λ_оз) начала координатной системы X_oOY_o определяют исходя из заданного положения буксирующего судна на заданной траектории движения.

Значение заданного направления оси OY_o определяют исходя из безопасности выполнения буксирной операции. В частности, при движении буксирующего судна по заданной траектории буксировки положение оси OY_o может направляться по касательной к заданной траектории движения.

Таким образом, меняется положение и ориентация координатной системы X_oOY_o на плоскости с учетом особенностей осуществляемого маневрирования буксирующего судна при выполнении буксирной операции.

Для обеспечения вывода и удержания буксируемого судна на заданной траектории движения, когда ДП буксируемого судна совпадает с положительным направлением оси OY_o (фиг. 8), а условная точка G' буксируемого судна совпадает с положением точки O' на поверхности Земли, формируются два сигнала управления:

где d_x'oF', d_yoF' - отклонения носовой точки буксируемого судна от оси OY_o и O'Х'_o соответственно (фиг. 8); d_x'oA', d_yoA' - отклонения кормовой точки буксируемого судна от оси OY_o и O'Х'_o соответственно; знаки отклонений d_x'oF', d_yoF' и d_x'oA', d_yoA' определяют с учетом места расположения соответствующей точки (F' или A') в координатной системе X'_oO'Y_o; α'₁, α'₂, β'₁, β'₂ - коэффициенты усиления, подбираемые специально для конкретного буксируемого судна и конкретной буксирной операции с целью повышения качества управления при ее выполнении; значения коэффициентов α'₁, α'₂, β'₁, β'₂ могут быть определены компьютерным моделированием конкретной буксирной операции, например α'₁=-1,1; α'₂=0,9; β'₁=-1,0; β'₂=-1,0. Сигнал σ'_y считается положительным при вращении буксируемого судна по часовой стрелке и отрицательным при вращении буксируемого судна против часовой стрелки. Сигнал σ'_х считается положительным при движении буксируемого судна передним ходом и отрицательным при движении буксируемого судна задним ходом.

При возникновении необходимости изменения длины буксирного троса с целью обеспечения безопасности выполнения буксирной операции в конкретных условиях плавания меняется положение точки O' начала координатной системы X'_oO'Y_o (фиг. 1) на поверхности Земли, величина сигнала управления, поступающего на управляющий элемент автоматической буксирной лебедки, определяется разностью заданного l_tз и текущего l_tт значений длины буксирного троса (фиг. 1)

где δ - коэффициент усиления.

При этом в процессе буксировки положение оси O'Х'_o может меняться с учетом соблюдения условий безопасности выполнения буксирной операции, в частности, для уменьшения амплитуды рыскания буксируемого судна или при движении в стесненных условиях плавания.

В результате применения данного изобретения достигается возможность получения технического результата - обеспечение приведения буксирующего и буксируемого судна в заданное положение на плоскости при выполнении движения буксирной системы по заданной траектории с соблюдением условия периодического изменения заданного положения буксирующего и буксируемого судов исходя из требований безопасности выполнения буксирной операции.