книги из ГПНТБ / Березин С.Я. Системы автоматического управления движением судов по курсу

С. Я. Березин, Б.А.Тетюев

Системы

автоматического

управления движением судов по курсу

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СУДОСТРОЕНИЕ»

УДК 629.12.053.014.6—52

Б48

Системы автоматического управления движением судов по курсу. Березин С. Я., Тетюев Б. А. Л., «Судостроение», 1974. 264 с.

Книга посвящена вопросам устройства, исследования и проектирования современных авторулевых, относящихся к наи­ более сложным и ответственным системам судовой автоматики.

В книге обобщены новейшие отечественные и зарубежные материалы, рассматривающие судно как объект автоматиче­ ского управления движением по курсу, описаны наиболее рас­ пространенные современные схемы авторулевых и дан их сравнительный анализ. Изложены рекомендуемые авторами инженерные методы теоретического и экспериментального ис­ следования устойчивости и качества систем автоматического управления движением судна по курсу с учетом их специфики. Особое место отводится исследованию и расчету авторулевых при типовых и случайных внешних воздействиях и с учетом имеющихся нелинейностей.

Большое внимание в книге уделено вопросам проектиро­ вания указанных систем для водоизмещающих судов и, в част­ ности, синтезу корректирующих устройств. Кратко изложены

к оценке качества работы авторулевых на судах, а также даны рекомендации по их настройке в процессе эксплуатации.

Кроме того, рассмотрены вопросы экономической эффек­ тивности автоматизации процесса управления движением судна по курсу применительно к морским транспортным судам, даны примеры расчета экономического эффекта от установки авто­ рулевых на конкретных судах, а также изложены перспективы дальнейшего развития этих систем в свете задач комплексной автоматизации процессов судовождения.

Приводятся примеры конкретных расчетов систем, полез­

© Издательство «Судостроение», 1974 г.

Предисловие

Директивами XXIV съезда КПСС предусматри­ вается дальнейшее значительное расширение объема морских и речных перевозок. Решение этой задачи обусловливает необходи­ мость наиболее полного использования достижений научно-техни­ ческого прогресса в области судостроения, значительного повыше­ ния экономической эффективности транспортных судов и комплек­ тующего их оборудования, а также широкого внедрения на судах механизации и автоматизации производственных процессов..

В настоящее время на судах морского и речного флотов, на­ ряду с другими автоматическими системами, находят широкое применение системы автоматического управления движением су­ дов по курсу (авторулевые).

Эти системы являются наиболее важными и ответственными в судовой автоматике. От их качества и надежности в значитель­ ной степени зависит безопасность мореплавания, а'также'техникоэкономические показатели судов.

Автоматизация управления движением судна по курсу осво­ бождает от утомительной вахты на руле, приводит к сокращению численности экипажа, обеспечивает снижение судовых эксплуата­ ционных расходов за счет уменьшения потерь эксплуатационной скорости судна и снижения расхода топлива на единицу пройден­ ного расстояния.

Так, при правильной настройке авторулевого потери эксплуа­ тационной скорости судна могут быть снижены на 2—3% при по­ стоянной мощности силовой установки или уменьшен расход топ­ лива на 6—10% при постоянной скорости движения судна.

Современные системы автоматического управления движением судов по курсу (авторулевые)

и их особенности

Первые попытки автоматизации рулевого устрой­ ства судна относятся к прошлому столетию. Так, например, в 1892 г. в Германии был выдан патент на автоматическое руле­ вое устройство, работающее от магнитного компаса [47, 52]. Из­ вестны и другие аналогичные проекты, которые не были осуществ­ лены в основном из-за малого направляющего момента стрелки магнитного компаса и непреодолимых трудностей в создании на­ дежного безмоментного контактного устройства, работающего от магнитной системы компаса.

Первый практически пригодный для эксплуатации на судах электромеханический авторулевой, работающий от морского гиро­ скопического компаса, был разработан фирмой Аншютц (Герма­ ния) и запатентован в 1921 г. Конструкция и схема этого автору­ левого оказались настолько удачными, что он используется до настоящего времени почти без изменений.

Затем авторулевые (в то время их называли гирорулевые) стали выпускать фирмы АЕГ (Германия), Сперри (США), Браун (Англия), завод «Электроприбор» (СССР) и др.

Широкое внедрение авторулевых на отечественных морских транспортных судах началось после окончания второй мировой войны, когда была разработана схема и освоено серийное произ­

данным лучшие зарубежные образцы и заслужили высокую оценку эксплуатационников.

В настоящее время большинство технически развитых стран мира серийно выпускают авторулевые, работающие как от гиро­ скопических, так и от магнитных датчиков курса. Эти системы спроектированы с учетом установки их на судах различных типов: от прогулочных катеров до самых крупных пассажирских лайне­

5

ров и супертанкеров. Такое широкое распространение систем авто­ матического управления судном по курсу объясняется их высокой технико-экономической эффективностью.

§1. Особенности систем автоматического управления движением судов по курсу

Любая система автоматического управления дви­ жением судна по курсу состоит из прибора управления ПУ, кото­ рый обычно называют авторулевым, рулевого привода РП с уп-

Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического управ­ ления судном по курсу.

<р — заданный курс судна; ^ у Пр"“ сигнал управления; 3 — угол пере­

кладки руля; Да — отклонение судна от заданного курса; f — внеш­ ние возмущения.

равляющим органом — рулем, судна как объекта управления ОУ, а также внутренней ОС1 и внешней ОС2 обратных связей

(рис. 1.1).

Прибор управления системы представляет собой вычислитель­ ное устройство, построенное на электромеханических или элек­ тронных элементах и вырабатывающее сигналы управления, про­ порциональные по величине углу и угловой скорости отклонения судна от заданного курса. В отечественных и некоторых зарубеж­ ных авторулевых, кроме того, имеется интегрирующее устройство, автоматически устраняющее снос судна при несимметричном рыскании.

На пульте управления авторулевого размещаются все необхо­ димые органы настройки, контроля и управления системы.

Прибор управления и рулевой привод, замкнутые обратной связью ОС1, образуют самостоятельную следящую систему управ­ ления рулем.

На большинстве современных судов в качестве рулевого при­ вода используются электрогидравлические рулевые машины, обес­ печивающие перекладку руля с угловой скоростью, примерно рав­ ной 2,5—3°/с. При одновременном включении насосов левого и

6

правого бортов угловая скорость перекладки руля увеличивается до 57с, что положительно влияет на управляемость судна, осо­ бенно на малом ходу.

Внутренняя обратная связь в системе осуществляется с по­ мощью устройства, механически связанного с баллером руля и вы­ рабатывающего электрический сигнал, пропорциональный углу перекладки руля.

Внешняя обратная связь обеспечивается гирокомпасом (или магнитным компасом), который преобразует изменение курса судна в угол поворота сельсина-датчика курса, связанного с сель­ сином-приемником в авторулевом.

Все существующие системы автоматического управления дви­ жением судна но курсу независимо от схемы и конструкции от­ дельных звеньев работают по принципу отклонения, т. е. в авто­ рулевом непрерывно сравниваются фактическое и заданное значе­ ние курса и вырабатывается сигнал управления. Под действием этого сигнала рулевой привод перекладывает руль и возвращает судно к заданному курсу. Сигнал внутренней отрицательной об­ ратной связи прекращает перекладку руля, а затем возвращает руль в диаметральную плоскость. Сигнал, пропорциональный ско­ рости поворота судна, повышает чувствительность авторулевого при отклонении судна от заданного курса и обеспечивает сдержи­ вание его при возвращении на заданный курс.

Современные авторулевые обеспечивают также автоматиче­ скую компенсацию сноса судна, вызванного несимметричным ры­ сканием под действием ветра, волнения моря и других причин, и экстренное изменение курса судна на любой угол в случае вне­ запного появления опасности при работе системы в режиме ста­ билизации курса с выносных постов управления.

Общая структурная схема систем автоматического управления судов по курсу, приведенная на рис. 1.1, обладает рядом особен­ ностей по сравнению с другими судовыми автоматическими си­ стемами.

Первая особенность обусловливается большой инерционностью судна как объекта регулирования * по сравнению с инерционно­ стью следящей системы и изменением его параметров при измене­ нии скорости и загрузки.

На рис. 1.2 приведены графики относительных значений гидро­ динамических коэффициентов уравнения движением судна в' функ­ ции скорости судна при постоянной загрузке. За единицу принято значение коэффициента, соответствующее максимальной скорости судна. Как видно из рисунка, гидродинамические коэффициенты при изменении скорости судна не остаются постоянными. Поэтому и динамические свойства системы управления, в которой на­ ходится исследуемый объект, меняются. Для сохранения одина­ ковых показателей качества работы системы автоматического

* Здесь рассматриваются только водоизмещающие суда. Суда на новых принципах поддержания (на подводных крыльях и на воздушной подушке) имеют малую инерционность.

7

управления (например, одной и той же ошибки) при разных ско­ ростях судна необходимо вводить дополнительные корректирую­ щие устройства.

При исследовании и расчете систем автоматического управле­ ния судов по курсу следует знать численные значения гидродина­ мических постоянных судна и пределы их изменений в зависимости от скорости судна и его загрузки (осадки).

Большая инерционность судов приводит также к затруднению экспериментального исследования макетов систем в процессе их создания.

Вторая особенность систем автоматического управления дви­ жением судов по курсу заключается в том, что они имеют внут­ ренние жесткие обратные связи, т. е. включают в себя самостоя­ тельную следящую систему уп­

равления рулем.

Следящие системы управле­ ния рулем обладают малыми скоростями отработки (2—3°/с), сложной нелинейной зависимо­ стью момента сопротивления на исполнительном устройстве от угла перекладки руля, неравен­ ством углов заводки и отработки системы из-за того, что коэффи­ циент обратной связи системы, как правило, меньше единицы. Эти особенности следящих си­ стем управления рулем приводят к необходимости разработки спе­ циальной методики их исследо­ вания и расчета.

Третьей особенностью систем автоматического управления дви­ жением судов по курсу является многорежимность работы. Они могут работать при случайных внешних управляющем и возму­ щающем воздействиях, приложенных к разным участкам системы.

На систему действуют управляющее ф(0 и возмущающее f(t) воздействия, приложенные соответственно ко входу системы и к объекту управления.

Управляющие воздействия задаются рулевым, а при наличии навигационного автоматизированного комплекса поступают от вы­ числительного устройства. Эти воздействия могут иметь любой характер в зависимости от требуемого маневра судна.

Внешние возмущения возникают в результате действия на кор­ пус судна волн, течения и ветра. Они имеют случайный характер и вызывают отклонение судна от заданного курса.

Система автоматического управления движением судов при на­ личии двух внешних воздействий, приложенных к ее разным точ­ кам, должна решать следующие задачи:

8