CC BY
52
УДК 629.5.061.11
ББК [39.42-047.1:32.973.2-018]:39.422
Л. С. Грошева, В. И. Мерзляков, С. В. Перевезенцев, В. И. Плющаев
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОЛЕСНОГО СУДНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИРТУАЛЬНОГО РУЛЯ
L. S. Grosheva, V. I. Merzlyakov, S. V. Perevezentsev, V. I. Plyushchayev
DEVELOPMENT OF THE STEERING ALGORITHM OF THE PADDLE VESSELS USING VIRTUAL RUDDER
Управление колесным судном при отсутствии традиционного руля - только за счет изменения частоты вращения гребных колес, является очень сложной задачей для судоводителя. Это обусловливает необходимость автоматизации процесса поддержания судна на курсе. Предложен алгоритм управления движением судна, приведены результаты математического моделирования. Это позволило создать макет системы управления и провести натурные испытания.
Ключевые слова: судно с колесным движительно-рулевым комплексом, управление судном, алгоритм управления движением судна.
Steering the vessel with paddle wheels in the absence of a traditional rudder only by changing the rotation speed of paddle wheels is very difficult for the skipper. It requires automation of keeping the ship on course. The algorithm for steering the vessel and the results of mathematical modeling are given. This has made it possible to create the layout of the steering system and conduct field tests.
Key words: vessel with wheeled-propulsion steering complex, shiphandling, algorithm of vessel steering.
В Нижнем Новгороде построено и эксплуатируется судно с колесным движительно-рулевым комплексом «Сура». Два гребных колеса, расположенные в кормовой части судна, приводятся в движение независимыми электроприводами, включающими в свой состав преобразователи частоты и асинхронные двигатели. Судоводитель управляет частотой вращения гребных колес двумя джойстиками с трехступенчатым заданием частот вращения (частота вращения колес определяет скорость движения судна, за счет разности частот вращения изменяется курс). При использовании этого способа управления судоводитель испытывает серьезные трудности при удержании судна на заданном курсе. Наблюдается значительное рыскание судна, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости движения. Судно очень остро реагирует на изменения разности частот вращения двух гребных колес. Испытания показали, что при управлении сразу двумя джойстиками, т. е. перераспределении частот вращения сразу двух гребных колес, судоводитель с большим трудом удерживает судно на курсе.
Один из вариантов решения данной проблемы - разделение функций управления скоростью движения и курсом судна. Первый орган управления (джойстик) используется для задания частоты вращения двух гребных колес (скорости судна), второй - для задания курса. Вторым джойстиком судоводитель как бы задает положение некоего виртуального руля (по аналогии с судами с традиционным рулем), а контроллер, в соответствии с заданием, рассчитывает необходимые для его реализации частоты вращения гребных колес и осуществляет управление частотными преобразователями [1].
Рассмотрим алгоритм реализации предложенного способа управления. Примем диапазон перекладки виртуального руля влево или вправо от 0 до ±100 %, что соответствует разнице в частотах вращения гребных колес 100 %. При перекладке руля из положения 100 % в положение -100 % и наоборот одно колесо вращается в режиме «полный вперед», другое - в режиме «полный назад». Управление Uход для обеспечения требуемой скорости хода при положении виртуального руля в диаметральной плоскости задается судоводителем в диапазоне значений от -1 («полный назад») до 1 («полный вперед»).
Для реализации управления частотой вращения колес при изменении курса судна введем следующую вспомогательную функцию:
где а2 - новое значение угла перекладки виртуального руля; а - текущее значение направления вектора тяги.
Рассмотрим маневры при движении судна. На рис. 1 приведена расчетная схема для судна, поворачивающего вправо при движении вперед.
Управляющие воздействия ЦДн и и2н на приводы гребных колес при иход > 0 (движение вперед) и а2 < 0 (поворот вправо) формируются следующим образом:
где иход - заданное судоводителем управляющее воздействие, обеспечивающее требуемую скорость движения судна; и1н - новое управляющее воздействие для левого колеса; и2н - новое управляющее воздействие для правого колеса.
Аналогично получим выражения для управляющих воздействий для других маневров судна. При движении вперед с левым поворотом (при иход > 0 и аг > 0):
О при a = О;
г, a - a n .
R = < —--------- при a Ф О, sign a Ф sign a;
1ОО '
a
—— при a Ф О, sign a = sign a,
1ОО
Рис. 1. Движение вперед, поворот вправо
ход
ход
При движении назад с правым поворотом (иход < 0 и аг < 0):
При движении назад с левым поворотом (иход < 0 и аг > 0):
и2 = \иход - \Щ > при и -|Я| > -1;
2н І і А ход 1 1 7
[ -Ц
пРи иход -|к|<-1;
U = U 2 + R
1 н 2н
Таким образом, при движении вперед или назад и повороте вправо (а2 < 0), управляющие воздействия на приводы гребных колес будут формироваться по формулам:
гг \и + \Щ • 2пак(и ), ттгЛтт \тТ |,пл^1.
и = \ ход V ход/’ при \и +|К| £ 1;
І н 11 ___1_/тт\ А ход 11 7
1 • znak(U )
I ход
при uJ +|R|>1;
U 2н
її 11 при U > О;
= U - R • znak(U ). znak = і ход
1н ход -1 при U < О.
ход
При движении вперед или назад и повороте влево (аг > 0) управляющие воздействия на приводы гребных колес будут формироваться по формулам:
гг \и + \Щ • 2пак(и ), ттгЛтт \тт |,|т>і^і.
и. = \ ход V ход'7 при и +|К| > 1;
2н ход
І1 • znak(U ),
I ход
при uXoJ +|R|>1;
U = U - R • znak(U ).
1 н 2н ход
Частоты вращения колес (управление преобразователем частоты) определятся как
n = U • n ,
1 1н max
n = U • n .
2 2н max
Результаты моделирования в пакете MATLAB (математическую модель см. в [2, 3]) маневров судна при движении вперед приведены на рис. 2. Как видно из рис. 2, через 5О секунд после начала движения судоводитель «перекладывает руль» на максимальное значение вправо, в соответствии с полученным заданием контроллер формирует управляющие воздействия для приводов левого гребного колеса (максимальная частота вращения) и правого гребного колеса (нулевая частота вращения). На б5 секунде судоводитель «перекладывает руль» на меньшую величину вправо (9О % от максимального значения), в соответствии с заданием контроллер уменьшает разницу частоты вращения гребных колес, что приводит к уменьшению угловой скорости поворота судна. На 9О секунде судоводитель «перекладывает руль» на максимальное значение влево, контроллер, в соответствии с заданием, увеличивает до максимальной частоту вращения правого колеса и на короткое время включает левое колесо в режим вращения назад, чтобы погасить инерцию движения вправо. Когда направление вектора тяги совпадает с направлением перекладки руля (1О3 с), правое колесо переводится на нулевую частоту вращения.
Результаты моделирования маневров судна при движении назад приведены на рис. З. Для демонстрации алгоритма в этом случае моделируются аналогичные маневры.
Отличительной особенностью предложенного алгоритма является то, что изменение курса судна проходит с сохранением или увеличением скорости движения (в случае, если судно движется со скоростью меньше максимально возможной - n1, n2 < nmax).
Рис. 2. Маневры судна при движении вперед: а - 1 - линейная скорость движения судна V; 2 - частота вращения левого гребного колеса п1; 3 - частота вращения правого гребного колеса п2; б - траектория движения судна
Рис. 3. Маневры судна при движении назад:
а - 1 - линейная скорость движения судна V; 2 - частота вращения левого гребного колеса п1;
3 - частота вращения правого гребного колеса п2; б - траектория движения судна
В Волжской государственной академии водного транспорта (Нижний Новгород) создан макет системы управления, реализующий приведенный выше алгоритм, и проведены натурные испытания (рис. 4).
В состав макета системы входит задающее устройство (джойстик с двумя независимыми задатчиками управляющих воздействий - частоты вращения гребных колес и курса), ноутбук, преобразователь интерфейса Я8232/Я8485 ЛБЛМ-4520, устройство удаленного ввода-вывода (цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) ЛБЛМ-4024) и преобразователи частоты (ПЧ) ЛШуаг-71, штатно установленные на судне (рис. 5). Судоводитель задает желаемую скорость движения судна и желаемый курс. Заданные параметры отражаются на экране ноутбука в виде мнемосхемы (рис. 6).
Стрелка 1 и цифровой индикатор 3 показывают величину перекладки виртуального руля в градусах относительно диаметральной плоскости судна, заданную судоводителем с помощью джойстика. Стрелка 2 и цифровой индикатор 4 показывают направление вектора тяги в градусах относительно диаметральной плоскости судна, рассчитанное по частоте вращения колес.
Индикаторы 5, 6 показывают направление вращения каждого колеса, а цифровые индикаторы 7, 8 - частоту вращения колес в об/мин. Индикатор «Поворот» показывает режим движения судна. Зона 9 соответствует простому повороту, зона 10 - режиму циркуляции судна.
Рис. 4. Испытания макета системы управления
Рис. 5. Структура системы управления
Рис. 6. Панель управления
В процессе испытаний были получены высокие качественные показатели процесса управления. Судоводитель легко удерживал судно на заданном курсе при наличии возмущающих факторов - ветра и течения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грошева Л. С., Мерзляков В. И., Плющаев В. И. Синтез алгоритма управления движением судна с колесным движительно-рулевым комплексом // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2012. - № 2. - С. 34-39.
2. Мерзляков В. И. Математическая модель комплекса корпус - движитель судна с колесными гребными движителями // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2012. - № 1. - С. 56-61.
3. Контроль вектора тяги колесного движительного комплекса теплохода / Л. С. Грошева, В. И. Мерзляков, С. В. Перевезенцев, В. И. Плющаев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 3. - С. 10-15.
REFERENCES
1. Grosheva L. S., Merzliakov V. I., Pliushchaev V. I. Sintez algoritma upravleniia dvizheniem sudna s kolesnym dvizhitel'no-rulevym kompleksom [Synthesis of algorithm of handling the ship with wheeled-propulsion steering complex]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel’naia tekhnika i informatika. 2012, no. 2, pp. 34-39.
2. Merzliakov V. I. Matematicheskaia model' kompleksa korpus - dvizhitel' sudna s kolesnymi grebnymi dvizhiteliami [Mathematical model of the complex hull-propeller of the ship with wheel propeller propulsion]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel’naia tekhnika i informatika. 2012, no. 1, pp. 56-61.
3. Grosheva L. S., Merzliakov V. I., Perevezentsev S. V., Pliushchaev V. I. Kontrol' vektora tiagi kolesnogo dvizhitel'nogo kompleksa teplokhoda [Control of thrust vector of the wheeled-propulsion complex of the motor ship]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2011, no. 3, pp. 10-15.
Статья поступила в редакцию 25.01.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Грошева Людмила Серафимовна - Волжская государственная академия водного транспорта; Нижний Новгород; канд. техн. наук; доцент кафедры «Радиоэлектроника»; vim@aqua.sci-nnov.ru.
Grosheva Lyudmila Serafimovna - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Radioelectronics"; vim@aqua.sci-nnov.ru.
Мерзляков Владимир Иванович - Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород; аспирант кафедры «Радиоэлектроника»; vim@aqua.sci-nnov.ru.
Merzlyakov Vladimir Ivanovich - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Postgraduate Student of the Department "Radioelectronics"; vim@aqua.sci-nnov.ru.vim@aqua.sci-nnov.ru.
Перевезенцев Сергей Владимирович - Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород; канд. техн. наук; доцент кафедры «Радиоэлектроника»; vim@aqua.sci-nnov.ru.
Perevezentsev Sergei Vladimirovich - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Radioelectronics"; vim@aqua.sci-nnov.ru.
Плющаев Валерий Иванович - Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Радиоэлектроника»; vim@aqua.sci-nnov.ru.
Plyushchayev Valerii Ivanovich - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Radioelectronics"; vim@aqua.sci-nnov.ru.
