Глава 4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МПО

4.1. Общая функциональная структура СУ МПО

Системы управления движением (СУД) занимают особое положение среди судовых автоматических систем. Для них управляемым объектом оказывается корабль в целом. Функция управления этих систем заключается в автоматической стабилизации, т. е. поддержании на заданном уровне кинематических параметров движения МПО, которые определяют в любой момент времени положение, скорость перемещения и ориентацию корабля в пространстве. Некоторые СУ МПО обеспечивают автоматическое или автоматизированное маневрирование, которое предполагает изменение по определенному закону значений кинематических параметров.

Автоматические системы управления движением (АСУД) морских подвижных объектов разнообразны. Наиболее распространены системы управления курсом (авторулевые), которыми оборудованы практически все современные типы МПО. Дальнейшим развитием авторулевых можно назвать системы стабилизации путевого угла, используемые на судах на воздушной подушке, а также системы стабилизации боковых отклонений, необходимые при движении судна по заданной траектории (заданной линии профиля) во время выполнения геолого-геофизических исследований и поисково-разведочных работ на шельфе и в океане. Появление буровых судов потребовало создания систем динамического позиционирования, обеспечивающих удержание судна в заданной точке над устьем скважины, а перспектива добычи твердых полезных ископаемых в океане — разработки систем динамической стабилизации судна относительно движущихся глубоководных агрегатов.

Для судов с динамическими принципами поддержания (СДПП) в большинстве своем необходим повышенный уровень автоматизации движения. Неотъемлемой составной частью СПК с глубоко погруженными управляемыми крыльями является автоматическая система стабилизации ординаты центра масс, принципиально неотделимая от системы стабилизации килевой качки. Без такой системы невозможен нормальный ходовой режим корабля. Корабли-экранопланы требуют стабилизации вертикальной, бортовой и килевой качки. Предназначенные для этого автоматические системы совместно с системой управления курсом обеспечивают нормальное пространственное движение корабля. Подобную

систему имеют автономные подводные аппараты, для которых дополнительно предусматривается возможность автоматического выхода на заданную глубину погружения.

Автоматическое управление движением существенно повышает качество функционирования МПО и позволяет сокращать численность экипажа. В настоящее время именно сокращение личного состава судна рассматривается как основное направление повышения экономичности морских перевозок. Однако определяющими факторами являются возможность успешного выполнения целевого назначения МПО, обеспечение безопасности плавания и повышение мореходности.

Рис. 4.1. Структура системы управления МПО.

При всем многообразии СУ МПО, различающихся между собой по назначению, виду объекта, составу технических средств, элементной базе, системотехнические принципы их формирования остаются общими, а функциональные структуры подобными. Они строятся по принципу систем с обратными связями по состоянию в соответствии с типовой структурой, представленной на рис. 4.1.

Любую систему управления движением с обратной связью по наблюдаемым переменным образуют: управляемый объект (УО), датчики кинематических параметров движения и управляющих воздействий, исполнительные органы (ИО), вычислительное устройство (ВУ) и средства отображения информации (СОИ).

Вычислительное устройство, система отображения информации и устройство введения данных от оператора выделены в единую конструкцию, получившую название пульт управления движением" (ПУД).

Состояние управляемого объекта оценивается мгновенным значением вектора который изменяется под влиянием внешних ветро- волновых возмущений (вектор ) и управляющих воздействий исполнительных органов (вектор ). Управляемым объектом является сам МПО. Его математическая модель представляет собой в общем случае уравнение пространственного движения, при котором состояние определяется кинематическими параметрами. Но при автоматизации элементарных движений МПО, когда система управления предназначена для стабилизации и изменения одного-двух кинематических параметров, для математического описания управляемого объекта используют частные модели (например, линейные уравнения движения рыскания или качки и т. п.). Вектор состояния включает в себя только кинематические параметры, входящие в частную модель МПО. Конкретизацию модели управляемого объекта производят в зависимости от типа МПО и назначения системы управления.

Исполнительные органы СУД включают в себя механизмы и приводы технических средств, обеспечивающих создание управляющих сил и моментов на корпусе корабля. Ими могут быть движители с механизмами изменения шага винтов, вертикальные рули с электрогидроприводами рулевого устройства, винтовые движительно-рулевые колонки, подруливающие устройства и т. п. Изменение состояния исполнительных органов осуществляется с помощью сигналов управления, образующих вектор .

Датчики кинематических параметров движения и состояния исполнительных органов представляют собой информационное обеспечение системы. Вектор измеряемых переменных состояния обычно отличается от векторов в связи с тем, что не все кинематические параметры движения поддаются измерению. Наиболее трудно измерять углы атаки и дрейфа, абсолютную скорость корабля относительно дна.

Главная часть СУ МПО это вычислительное устройство в котором формируются сигналы управления на основании измерения состояния УО и . ВУ представляет собой счетно-решающую схему с непрерывной обработкой сигналов или цифровую управляющую вычислительную машину с дискретным преобразованием информации. Большинство существующих СУ МПО выполнено как системы непрерывного действия аналогового типа, однако развитие микропроцессорной техники предопределяет появление и широкое распространение цифровых систем управления движением.

Управление в СУ МПО может осуществляться также по командам оператора (О), принимающего решения на основе данных, поступающих к нему от средств отображения информации СОИ. Состав исполнительных органов и информационное обеспечение индивидуальны для конкретного типа АСУД и зависят от ее назначения и вида МПО. Для каждой системы требуется и свое вычислительное устройство аналового или цифрового типа, реализующее закон управления, присущий конкретному виду СУ МПО.