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

Для построения переходного процесса при скачкообразном внешнем воздействии в рассматриваемом случае целесообразно производить структурное моделирование. Это значительно сокра­ щает объем предварительных вычислений, повышает наглядность моделирования, а также позволяет избежать трудности, вызывае-

Рис. 11.30. Структурная схема набора исследуемой системы на ЭАВМ.

мые введением производных от скачкообразного внешнего воз­ действия.

На рис. 11.30 приведена структурная схема набора системы автоматического управления движением судном по курсу, струк­ турная схема которой изображена на рис. 1.1. На этой схеме сле­ дящая система управления рулем моделируется интег­ рирующим блоком /, а суд­ но — блоками 2, 3, 4, 5.

Применение метода структурного моделирова­ ния к исследованию пере­ ходных процессов в систе­ мах автоматического управ­ ления движением судов по курсу покажем на примере

Требуется построить переходный процесс на выходе системы при скачкообразном внешнем воздействии на объекте управления (судне).

89

Глава

Проектирование систем автоматического управления движением судов по курсу

Задача проектирования систем автоматического управления (САУ) движением судов по курсу в наиболее общей постановке заключается в выборе такого принципа регулирования и способа его реализации, таких параметров и характеристик ре­ гулятора и объекта регулирования, при которых обеспечение тре­ буемых динамических и эксплуатационных свойств всей системы в целом рационально сочетается с ее простотой и высокой надеж­ ностью. Если же принцип регулирования уже выбран, то придать системе автоматического управления требуемые динамические свойства можно путем выбора рациональных параметров отдель­ ных элементов, включая и объект регулирования, выбора закона управления и корректирующих устройств, являющихся элементами с легко изменяемыми параметрами и характеристиками.

Достижение требуемых динамических свойств путем выбора параметров отдельных элементов (например, параметров судна как объекта регулирования) связано с большими трудностями, так как они должны выбираться не только с учетом требований к ав­ томатической системе, но также с учетом обеспечения энергетиче­ ских характеристик и требований безопасности мореплавания. Этот путь расчета можно рекомендовать в том случае, когда проекти­ рование системы автоматического управления движением судна по курсу предшествует проектированию самого судна. Тогда в ре­ зультате расчета системы управления должны быть получены не­ обходимые исходные данные и рекомендации для кораблестрои­ телей, проектирующих судно. В ряде случаев предложенные ре­ комендации нельзя осуществить на практике, так как судно кроме поворотливости должно обладать и устойчивостью движения, по­ этому могут потребоваться повторные расчеты и дополнительные исследования.

В будущем наиболее перспективным направлением явится ком­ плексное проектирование судна и авторулевого. До его внедрения

91

в практику проектирования изменение динамических свойств, соз­ даваемых САУ движением судов по курсу, осуществляется путем выбора рационального закона управления и корректирующих устройств.

§8. Требования, предъявляемые

ксистемам автоматического управления движением судов по курсу

При проектировании систем автоматического управ­ ления движением судов по курсу необходимо учитывать ряд тре­ бований, вызванных условиями эксплуатации, назначением систем и удобством обслуживания. Все требования, предъявляемые к САУ движением судна по курсу, можно условно разбить на две боль­ шие группы: эксплуатационные требования и требования к кон­ струкции отдельных приборов и системы в целом.

Основные эксплуатационные требования сводятся к следую­ щему:

1. Система автоматического управления движением судна п курсу должна удерживать судно на заданном курсе с точностью

разность между средним арифметическим значением курса, опре­ деленным из 30 и более отсчетов, снятых с интервалом времени

в 2 мин и заданным курсом:

П

АК = К зая- К ср,

где Хер — среднее значение курса судна; К — мгновенное значение курса; п •— количество отсчетов; АК. — точность удержания судна на курсе; Хзад — заданный курс судна.

2.Средняя амплитуда рыскания судна на курсе при скорости более 6 уз не должна превышать 1° при состоянии моря до 3 бал­ лов и 2—3° при состоянии моря до 6 баллов. При волнении свыше 6 баллов средняя амплитуда рыскания судна может достигать

4—5°.

3.Авторулевые должны обеспечивать возможность изменения

курса судна. При этом величина перерегулирования в ходе вы­ полнения маневра не должна превышать 10% от величины задан­ ного оператором изменения курса (от величины градусной по­ правки) .

К авторулевым, предназначенным для установки на водоизмещающих судах речного флота, предъявляется, кроме того, требо­ вание плавного изменения курса судна с заданной оператором угловой скоростью поворота.

92

4. В схеме авторулевого должна быть предусмотрена возмож­ ность перенастройки системы для случаев изменения режима дви­ жения судна или внешних условий плавания.

Пределы регулировки коэффициентов закона управления дол­ жны обеспечивать требуемое качество работы САУ.

5. В авторулевом должны быть предусмотрены три вида управ­ ления: простой (аварийный), следящий (полуавтоматический) и автоматический. При этом каждый вид управления должен осу­ ществляться по двум независимым каналам правого и левого борта. Переход с одного вида управления на другой должен произ­ водиться одной манипуляцией без какого-либо согласования эле­ ментов схемы авторулевого и занимать не более 3 с при любом положении руля и любой неисправности в схеме автоматического управления.

6. Авторулевой должен быть удобным в эксплуатации при об­ служивании одним оператором. Должна быть предусмотрена све­ товая сигнализация о наличии питания в схеме, о перегрузке ис­ полнительных механизмов, об установленном виде управления, а также звуковая сигнализация о недопустимом отклонении судна от заданного курса.

7. Авторулевой должен нормально функционировать при бор­ товой качке судна с амплитудой до 22,5° и периодом 8—12 с, ки­ левой качке с амплитудой до 10° и периодом 6—10 с, при постоян­ ном крене судна до 22,5° и дифференте до 10°, а также выдержи­ вать вибрацию в диапазоне частот от 5 до 30 Гц с амплитудой соответственно от 3,5 до 0,3 мм.

Авторулевой должен обеспечивать заданную точность работы при колебаниях температуры окружающего воздуха от —10 до + 50° С и относительной влажности до 95—98%.

8. Все основные электрические цепи системы должны иметь за­ щиту от короткого замыкания, а вся система в целом не должна выходить из строя при кратковременном перерыве судового -элек­ тропитания.

Основные конструктивные требования к системе автоматиче­ ского управления движением судна по курсу и отдельным ее при­ борам в соответствии с требованиями Правил Регистра СССР [27] сводятся к следующему:

1. Конструкция приборов и механизмов системы автоматиче­ ского управления движением судна по курсу должна быть рассчи­ тана на длительную работу в судовых условиях общим сроком не менее 10 лет; при этом она должна отвечать всем изложенным выше эксплуатационным требованиям, а также выдерживать ме­ ханические и климатические испытания в соответствии с требова­ ниями Правил Регистра СССР.

2. Конструкция приборов и механизмов САУ должна быть по возможности простой, удобной и безопасной для ремонта и обслу­ живания в процессе эксплуатации. Пульт управления авторуле­ вого, устанавливаемый в рулевой рубке, должен иметь брызго­ защищенное исполнение, а приборы и механизмы системы, уста­

93

навливаемые в румпельном отделении,— водозащищенное. Пульт управления системы не должен оказывать влияния на работу маг­ нитного компаса, а также создавать акустические шумы и радиопомехи свыше допустимых норм.

3.Все визуальные индикаторы, отсчетные устройства, предна­ значенные для регулировки и настройки системы, а также органы управления должны располагаться на лицевой панели пульта управления в удобных для эксплуатации местах. Они должны иметь четкие стандартные надписи, указывающие их назначение или наименование измеряемых величин.

4.В пульте управления авторулевого должно быть предусмот­ рено собственное освещение шкал, причем интенсивность освеще­ ния должна регулироваться в широких пределах от нуля до мак­ симума.

5.Выдвижные, откидные или съемные блоки приборов системы должны иметь устройства для надежного крепления их в рабочем положении и фиксации — в открытом. Должны быть предусмот­ рены конструктивные меры, обеспечивающие полную защиту об­ служивающего персонала от поражения током после вскрытия корпуса прибора для осмотра или ремонта.

6.Крышки и дверцы корпусов приборов, обеспечивающие воз­ можность обслуживания их в процессе эксплуатации, а также обеспечивающие доступ к предохранителям, должны открываться

изакрываться без применения специального инструмента.

7.Все корпуса приборов системы должны иметь устройства для надежного заземления их с корпусом судна, а открывающиеся

дверцы и крышки — специальные перемычки, заземляющие их

сосновным корпусом.

8.Органы управления, регулировки и контроля должны быть

снабжены устройствами для фиксации их в установленном опера­ тором положении.

9. Наружные части приборов системы должны быть защищены надежным антикоррозионным покрытием.

Не допускается применение алюминия и его сплавов для изго­ товления токоведущих элементов и деталей, входящих в конструк­ цию приборов системы, а также использование легковоспламеняю­ щихся и гигроскопических материалов.

Системы автоматического управления движением судна по курсу любого типа подлежат надзору Регистра СССР при их раз­ работке, изготовлении, заводских и государственных испытаниях, а также при установке на судно и при проведении судовых испы­ таний.

§9. Выбор принципа управления, общей структуры и основных элементов САУ

При проектировании САУ прежде всего необхо­ димо выбрать принцип управления и основную структуру системы. Затем должны быть выбраны или рассчитаны значения парамет-

94

ров отдельных элементов системы, знание которых необходимо для проведения дальнейшего расчета системы.

От правильного выбора общей структуры системы и ее элемен­ тов, а также от правильного определения их параметров в значи­ тельной мере зависит качество проектируемой системы, надеж­ ность работы системы и удобство ее эксплуатации.

Общая структура проектируемой системы, ее основные эле­ менты и принцип регулирования в значительной мере опреде­ ляются свойствами объекта управления, условиями работы си­ стемы и требованиями, предъявляемыми к ее точности.

При определении структуры систем автоматического управле­ ния движением судна по курсу, имеющих одну регулируемую ве­ личину, приходится фактиче­ ски выбирать принцип управ­ ления, т. е. решать вопрос об использовании регулирования по отклонению, возмущению или комбинированного [9, 10].

Однако на практике введе­ ние связей по возмущению в системах управления движе­ нием судов по курсу использо­ вать нельзя, так как измерить возмущение не представляется возможным. Поэтому в суще­ ствующих авторулевых регули­ рование осуществляется толь­ ко по отклонению.

Структурная схема системы автоматического управления дви­ жением судов по курсу приведена на рис. III.1.

Следующим шагом после выбора принципа управления и уста­ новления структурной схемы является выбор типа системы, точнее, типа следящей системы управления рулем.

Системы автоматического управления движением судов по курсу так же, как и все другие автоматические системы, можно разделить на системы непрерывного и прерывного (релейного) действия.

Всистеме непрерывного действия между величинами на входе

ина выходе всех элементов регулятора существует непрерывная функциональная связь. При наличии в системах непрерывного дей­ ствия только линейных элементов движение системы можно опи­ сывать обычными линейными дифференциальными уравнениями, что значительно упрощает ее теоретическое исследование.

Линейность характеристик систем регулирования позволит до­ стичь высокой плавности работы системы, а также высокой ее точности при использовании разнообразных корректирующих устройств.

Основными недостатками непрерывных автоматических систем являются: неполное использование мощности исполнительных эле­

95

ментов и малое быстродействие при малых управляющих или воз­ мущающих воздействиях.

Автоматическая система является системой прерывного дей­ ствия, если нарушается хотя бы в одном элементе непрерывная функциональная связь между величинами на входе и на выходе элемента.

Р е л е й н о й называется система, в которой значение величины на выходе одного из элементов остается одним и тем же незави­ симо от значения величины на ее входе, а ее знак определяется знаком величины на входе. Другими словами, релейные системы

Наличие релейных элементов не только приводит к нарушению линейности систем регулирования, что значительно затрудняет их теоретическое исследование, но и обусловливает скачкообразное изменение энергии, подводимой к устройству, управляемому этим элементом (например, электрической — к генератору или исполни­ тельному электродвигателю). Это обстоятельство ограничивает применение релейных систем регулирования, так как в ряде слу­ чаев большие скачки энергии недопустимы (например, в мощных электрических системах). Поэтому релейное регулирование исполь­ зуют в системах, допускающих большие перегрузки и резкие из­ менения управляющих воздействий (например, гидравлических).

Дальнейшие ограничения в применении релейных автоматиче­ ских систем могут быть связаны с неизбежными для них автоко­ лебаниями при достижении высокой точности и чувствительности.

Релейные автоматические системы по сравнению с непрерыв­ ными обладают такими достоинствами, как лучшее использование мощности исполнительных элементов, простота и низкая стои­ мость, а также высокое быстродействие; при малых отклонениях регулируемой величины от заданного значения эти системы сразу приходят в действие с максимальным значением скорости от­ работки.

Релейные системы целесообразно применять также в тех слу­ чаях, когда в системе имеется регулятор, замкнутый жесткой об­ ратной связью (см. рис. III.1), который управляет исполнитель­ ным органом объекта регулирования и имеет ограниченную скорость отработки. К таким системам относятся системы автома­ тического управления движением судов по курсу, так как в них выбирается ограниченная мощность исполнительных приводов при вполне определенной скорости перекладки рулей.

Для простоты рассуждений предположим, что инерционность отдельных звеньев регулятора по сравнению с инерционностью объекта регулирования очень мала (см. гл. II) и передаточная функция разомкнутой следящей системы управления рулем равна

где k0— коэффициент усиления разомкнутой следящей системы.

96

Тогда передаточная функция замкнутой следящей системы бу­ дет иметь вид

циента усиления уменьшается. Наибольший коэффициент усиления, очевидно, будет у релейной системы, так как при релейной характе­ ристике ka~oo, поэтому релейный регулятор при одинаковом с не­ прерывным регулятором значении максимальной скорости переме­ щения управляющего органа будет обладать большим быстродей­ ствием и в рассматриваемом случае применять его целесообразно. В более общем виде эти результаты следуют из теории оптималь­ ного управления [15].

Таким образом, в системах управления движением судов по курсу можно использовать релейное управление.

Применение релейного управления, особенно при использова­ нии бесконтактных релейных элементов, позволит значительно упростить схему и увеличить надежность ее работы.

Необходимо, однако, отметить, что такое управление возможно практически осуществлять только при гидравлических рулевых приводах или электромеханических системах малой мощности (до 1 кВт). При больших мощностях рулевых приводов релейное управление приводит к значительному увеличению пусковых токов и дополнительным потерям.

Применение тиристоров позволяет использовать в качестве ис­ полнительных устройств короткозамкнутые асинхронные электро­ двигатели переменного тока значительной мощности при релей­ ном управлении. Мощность двигателей определяется мощностью тиристоров, достигающей десятков киловатт. Поэтому давать кон­ кретные рекомендации по выбору электрического или гидравличе­ ского варианта рулевого привода в настоящее время не представ­ ляется возможным. Для этого требуется проведение дополнитель­ ных исследований.

Одним из важных этапов проектирования всякой автоматиче­ ской системы является выбор ее элементов. От правильного их выбора зависят динамические свойства системы, надежность ее функционирования, а также степень соответствия ее требованиям эксплуатации.

Все составные элементы систем автоматического управления движением судов по курсу (кроме объекта регулирования — судна) сосредоточены в следящих системах управления рулем. По­ этому вопросы выбора этих элементов целесообразно рассмотреть при синтезе следящих систем управления рулем.

§ 10. Корректирующ ие устройства

В системах автоматического управления движе­ нием судов по курсу в качестве корректирующих устройств при­ меняются последовательные корректирующие устройства и обрат­ ные связи. Если к системе приложено внешнее управляющее воздействие, то в этом случае могут быть использованы корректи­ рующие устройства по производным от этого воздействия.

В САУ движением судов по курсу эффект влияния корректи­ рующих устройств на устойчивость и качество системы зависит от режима ее работы. Поэтому рассматривать корректирующие устройства целесообразно для каждого режима в отдельности.

Режим маневрирования

В режиме маневрирования при управлении движе­ нием судна по курсу от оператора или от вычислительного устрой­ ства управляющее внешнее воздействие поступает на вход си­ стемы.

Рис. III.2. Структурная схема системы автоматического управления движением судна по курсу в режиме манев­ рирования.

Структурная схема системы управления в режиме маневриро­ вания приведена на рис. III.2.

В этом случае корректирующее устройство ОС2, подающее кор­ ректирующий сигнал, пропорциональный скорости изменения от­ клонения судна от заданного курса, является обратной связью. Корректирующее устройство КУ обеспечивает подачу корректи­ рующих сигналов от внешнего управляющего воздействия.

Последовательное корректирующее устройство в режиме ма­ неврирования необходимо включить в основную цепь управления последовательно с усилителем. Такое устройство можно получить путем использования пассивных четырехполюсников. Здесь, оче­ видно, встретится ряд трудностей при реализации этих устройств, так как они должны содержать не только дифференцирующие звенья, но и хорошие фильтры, устраняющие помехи.

98