Описание системы

В работе рассматривается система управления судном по курсу. Ее структурная схема показана на рисунке.

Структурная схема системы стабилизации судна на курсе

Линейная математическая модель, описывающая рыскание судна, имеет вид

где – угол рыскания (угол отклонения от заданного курса), – угловая скорость вращения вокруг вертикальной оси, – угол поворота вертикального руля относительно положения равновесия, – постоянная времени, – постоянный коэффициент, имеющий размерность рад/сек. Передаточная функция от угла поворота руля к углу рыскания запишется в виде .

Линейная модель привода (рулевой машины) представляет собой интегрирующее звено с передаточной функцией , охваченное единичной отрицательной обратной связью. На угол перекладки руля и скорость перекладки накладываются нелинейные ограничения:

, .

Для измерения угла рыскания используется гирокомпас, математическая модель которого записывается в виде апериодического звена первого порядка с передаточной функцией [28]

,

В качестве управляющего устройства используется ПИД-регулятор с передаточной функцией[29]

, где сек и сек.

Для компенсации эффекта насыщения, вызванного ограниченным углом перекладки руля, используется схема с внутренней нелинейной обратной связью, охватывающей интегратор в составе регулятора.

Базовый регулятор, построенный по линейной модели, выделен серым фоном. Сигнал на его выходе представляет собой желаемый угол перекладки руля. Для блока нелинейной коррекции типа «насыщение» выбираются пределы, равные ограничениям на угол перекладки руля.

Если насыщения нет, разность сигналов равна нулю, и обратная связь не работает; используется закон управления, синтезированный для линейной системы. Если сигнал превышает допустимые пределы, разность подается (со знаком «минус») на вход интегратора через усилитель. Таким образом, при насыщении сигнал на входе интегратора ослабляется тем сильнее, чем больше разность между желаемым и допустимым углами перекладки. Такой метод коррекции получил в литературе название anti - windup (противодействие «наматыванию»).

В ходе выполнения работы для выбора оптимального значение коэффициента применяются процедуры численной оптимизации пакета NCD Blockse t.