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

Конкретно настройку следящих систем управления рулем в за­ водских условиях и при необходимости на судне нужно произво­ дить в следующем порядке:

1)проверить работу измерительных элементов системы (сель­ синов, вращающихся трансформаторов);

2)проверить работу усилителя (магнитного или полупровод­ никового) и осуществить его балансировку. При снятии управляю­ щего напряжения с входа усилителя напряжение на выходе должно отсутствовать. Проверить величину коэффициента усиле­ ния усилителя и линейность его характеристики;

3)при наличии в схеме электромашинного усилителя прове­ рить степень его компенсации. Для следящих систем падение на­

пряжения ЭМУ при нормальной нагрузке должно быть равно Дц= (1,5ч-2)/Ном(^а + ^ к.о), где Ra и Дк.о — активные сопротив­ ления якоря и компенсационной обмотки;

4)проверить работу исполнительного элемента (электродвига­ теля или гидравлического привода совместно с гидроусилителем);

5)проверить правильность включения стабилизирующих об­

ратных связей. При использовании в качестве тахогенераторов машин переменного тока необходимо произвести фазирование их сигналов;

6) произвести соединение отдельных элементов системы, умень­ шить коэффициент усиления системы до минимальной величины и замкнуть систему при минимальном значении сигналов обратных связей (гибкие обратные связи в этом случае могут быть вообще разомкнуты);

7) увеличивая коэффициент усиления системы, добиться коле­ бания системы или медленного затухания колебаний переходного процесса.* Включить стабилизирующие обратные связи и посте­ пенно увеличивать их сигналы. При правильном включении обрат­ ных связей частота колебаний увеличивается и амплитуда умень­ шается. При неправильном их включении (обратные связи, включенные как положительные) частота колебаний уменьшается

ирастет амплитуда;

8)регулируя величину сигналов корректирующих устройств, добиться при заданном коэффициенте усиления системы требуе­ мого от нее качества.

Настройка систем автоматического управления движением су­ дов по курсу должна сводиться к проверке работоспособности всей системы в различных режимах и установке величины сигна­ лов корректирующих устройств и коэффициента обратной связи исходя из заданной точности работы и заданного переходного про­ цесса на разных скоростях хода судна, разной балльности и раз­ ных курсах по отношению к волне.

Перед началом настройки системы особое внимание следует

уделить измерительному устройству — гирокомпасу или гирокур­

* Это относится к маломощным быстродействующим системам. Медленно действующие системы с малой скоростью перекладки руля, как правило, ус­ тойчивы.

229

Глава

Особенности эксплуатации систем автоматического управления

движением судов по курсу и перспективы их развития

Системы автоматического управления (САУ) дви­ жением судов по курсу работают в исключительно сложных усло­ виях: непрерывно в течение рейса с момента начала движения судна и до полной его остановки, при этом интенсивность работы рулевого привода может достигать 1000 и более включений в час.

Момент нагрузки на баллере руля носит нелинейный характер и меняется в зависимости от степени загрузки судна, наличия крена и дифферента, а также при изменении погоды и условий плавания.

Система автоматического управления движением судна по курсу подвергается в процессе эксплуатации вместе с объектом, на котором она установлена, длительным переменным механиче­ ским воздействиям в виде бортовой и килевой качки, вибрации, динамическим ударам, изменению температурного режима, разру­ шающему действию коррозии.

В судовых условиях возможны колебания напряжения в судо­ вой сети, питающей схему авторулевого, до ±10% и частоты до ±5% номинальных значений, а также кратковременное (на 1—Зс) снижение или повышение напряжения по отношению к указанным пределам. Все эти факторы должны учитываться при проектирова­ нии и изготовлении авторулевых.

Особое внимание при разработке САУ движением судна по курсу следует уделять обеспечению надежности. Практика экс­ плуатации этих систем на судах показывает, что наибольшее ко­ личество отказов в работе рулевого устройства происходит, как правило, в сложной навигационной обстановке (при проходе узко­ стей, при подходе к порту, при расхождении со встречными су­ дами) и может привести к крупной аварии. Поэтому при проекти­ ровании авторулевых является оправданным 100%-ное резервиро­ вание основных элементов схемы, а также дублирование каналов управления.

231

Длительное плавание судов в отрыве от ремонтных баз и баз снабжения накладывает особенно жесткие условия на выбор эле­ ментов схемы и ее ремонтопригодность.

Важным обстоятельством является и то, что на речных, а также морских транспортных и промысловых судах нет специального персонала, обслуживающего авторулевые. Как правило, периоди­ ческие осмотры и профилактический ремонт систем осуществляет судовой электромеханик, а настройку в процессе эксплуатации производит штурманский состав.

Благодаря высокой технико-экономической эффективности си­ стемы автоматического управления движением судов по курсу получили в настоящее время самое широкое признание и распро­ странение во всем мире. Однако это вовсе не означает, что все проблемы, связанные с этой областью техники, решены, а воз­ можности совершенствования авторулевых исчерпаны. По-преж­ нему остро стоит вопрос о математическом описании (идентифика­ ции) судна как объекта управления, особенно в связи с появле­ нием морских транспортных судов водоизмещением более 100 000 т, как правило, неустойчивых на курсе; не решена до конца проблема выбора оптимальных критериев оценки качества работы автору­ левых; нет общего мнения о наивыгоднейшем режиме их работы.

В то же время качество работы современных систем автомати­ ческого управления движением судов по курсу не во всех случаях удовлетворяет требованиям эксплуатации, а отсутствие четких и обоснованных рекомендаций по настройке авторулевых на судах затрудняет их обслуживание и снижает технико-экономическую эффективность.

Большинство существующих авторулевых и штормовую погоду перегружает рулевую машину по количеству включений, что ведет

кускоренному износу механизмов рулевого устройства судна.

Внастоящей главе обобщены имеющиеся данные о влиянии от­ дельных факторов на качество работы систем автоматического управления движением судов по курсу; изложены общие принципы настройки авторулевых в процессе эксплуатации, которые пред­ ставляют интерес как для судоводителей, так и для разработчиков этих систем; рассмотрен и показан на конкретных примерах эко­ номический эффект от внедрения авторулевых на судах различ­ ных типов, а также даны перспективы развития систем автомати­ ческого управления движением судна по курсу в свете задач комплексной автоматизации процессов судовождения.

§ 17. Оценка качества работы авторулевых в процессе эксплуатации и общие принципы их настройки

Прежде чем изложить общие принципы настройки систем автоматического управления движением судна по курсу в процессе их эксплуатации, необходимо хотя бы кратко рассмот­

232

V

лученные для крупнотоннажного танкера дедвейтом 200 000 т, по­ казаны на рис. V.1 [5Ц.

Относительное удлинение пути судна, вызванное колебаниями его центра тяжести относительно заданной траектории движения, можно рассчитать по формуле

скорости судна от заданного направления движения, рад; ф — пе­ ременная интегрирования.

График относительного удлинения пути судна в процентах, рассчитанный по формуле (V.2), приведен на рис. V.2. Средняя величина силы сопротивления движению судна за период вре­ мени Т, вызванная перекладкой руля, согласно упомянутым источ­

где Rp — сила сопротивления, вызванная перекладкой руля; р — плотность воды; Гр — скорость потока воды у руля; Fp — площадь

234

рекладки руля показан на рис. V.3.

Более конкретные данные о влиянии величины углов пере­ кладки руля р на потерю скорости судна при постоянной мощ:

Рис. V.3. Характерная зависимость величины коэффици­ ента лобового сопротивления от величины угла пере­ кладки руля

ности N судовой силовой установки или необходимого увеличения мощности для поддержания постоянной скорости V судна при раз­ личных углах перекладки руля дают графики, заимствованные из материалов фирмы Сперри (рис. V.4).

Исследования влияния углов перекладки руля на величину относительной скорости судна были выполнены автором в натур-

Рис. V.4. Зависимость скорости хода судна и эффективной мощности судовой силовой уста­ новки от величины уг­

лов перекладки руля.

ных условиях на теплоходе «Балтийск» водоизмещением 12 500 т. Исследования проводились в тихую погоду, при этом судно шло прямым курсом со скоростью V= 15,2 уз и удерживалось на курсе с точностью ±0,2—0,3° при помощи авторулевого типа АРМ-2 (рис. V.5, а). Затем в замкнутую систему автоматического управ­ ления движением судна по курсу подавался электрический сигнал u = a s i n w t f o T специального датчика низкочастотных колебаний. Частота колебаний выбиралась такой, чтобы судно продолжало

235

следовать прямым курсом практически с той же амплитудой ры­ скания, а руль при этом перекладывался п-о периодическому за­ кону на правый и левый борт с постоянным периодом и амплиту­ дой. На осциллограммах, приведенных на рис. V.5, б и в , запи­ саны перекладки руля с амплитудой соответственно (3 = 7° и р= 10° при постоянном периоде колебаний Г= 20,5 с.

Сравнительные испытания проводились в течение 5 ч при од­ них и тех же условиях плавания. Относительная скорость хода судна замерялась по счетчику пройденного расстояния гидродина-

Рис. V.5. Осциллограммы, показывающие влияние углов перекладки

В результате было установлено, что для судов этого типа увеличе­ ние амплитуды углов перекладки руля с 3 до 10° дает снижение скорости хода на 0,2 уз, или на 1,3%.

Приведенные выше данные говорят о том, что потери проп.ульсивной мощности, а следовательно, и потери эксплуатационной скорости возникают в основном из-за инерциального торможения корпуса судна при рыскании на частоте собственных колебаний системы, а также торможения, вызываемого действием руля, ко­ торое образуется за счет продольной составляющей гидродинами­ ческой силы, действующей почти перпендикулярно к плоскости руля при его перекладке.

Как видно из формулы (V. 1), потери, обусловленные инерци­ альным торможением корпуса, прямо пропорциональны квадрату

236

амплитуды рыскания и обратно пропорциональны квадрату пе­ риода рыскания.

Средняя за период времени Т величина торможения, вызывае­ мого перекладкой руля, примерно пропорциональна квадрату эф­ фективного угла перекладки и не зависит от частоты.

в основном дополнительным сопротивлением, возникающим при перекладках руля.

Незначительную величину имеют также потери за счет удлине­ ния пути судна.

Таким образом, при оценке качества работы САУ движением судна по курсу и при ее настройке в процессе эксплуатации необ­ ходимо учитывать амплитуду и частоту рыскания судна, а также величину углов перекладки руля.

Критерием качества работы системы в режиме стабилизации судна на прямом курсе может служить и н т е г р а л ь н а я к в а д ­

D

где k = —E.; Bp и Bc — гидродинамические коэффициенты руля и

Вс

судна, характеризующие влияние угла перекладки руля и рыска­ ния на величину потерь эксплуатационной скорости хода судна.

Отсутствие в настоящее время достоверных данных о величине коэффициента k для различных судов затрудняет использование этого критерия оценки качества авторулевых как при проектиро­ вании, так и при их эксплуатации.

При проектировании систем автоматического управления дви­ жением судна по курсу чаще всего используется к р и т е р и й м и ­ н и м у м а с р е д н е к в а д р а т и ч н о й о ш и б к и р е г у л и р у е - мой в е лич ины.

Что же касается настройки авторулевых в процессе эксплуата­ ции, то она осуществляется судоводительским составом по ме­ тоду проб, путем последовательного подбора различных сочетаний параметров корректирующих устройств (k0. с и kTr) на основании чисто субъективных соображений. При этом качество работы авто­ рулевого в режиме стабилизации оценивается по величине рыска­ ния судна на курсе, а при введении градусной поправки — по вели­ чине перерегулирования. Такой метод настройки системы не мо­ жет обеспечить оптимальное качество ее работы и, кроме того, отвлекает внимание штурмана от наблюдения за окружающей обстановкой.

Как показала практика, судоводители стараются как можно реже менять однажды выбранные параметры настройки системы либо не менять их вообще (за исключением коэффициента тахогенератора &тг, который уменьшают при сильном волнении), что снижает эффективность использования САУ движением судна по курсу.

237

Качество работы систем автоматического управления движе­ нием судов по курсу зависит от динамических свойств управляе­ мости судна как объекта регулирования, от состояния погоды и выбора параметров настройки авторулевого. Поэтому однотипные авторулевые, установленные на разных судах, будут, как правило, работать по-разному. Этим в основном и объясняется тот факт, что до настоящего времени не существует каких-либо единых таб­ лиц или графиков, позволяющих определять оптимальные значе­ ния параметров настройки авторулевого на судне при изменении условий его эксплуатации.

Настройку авторулевого следует менять в трех случаях:

При этом надлежит руководствоваться следующими общими положениями:

1) подбирать параметры настройки авторулевого необходимо гак, чтобы судно удерживалось на заданном курсе с определенной точностью при минимальных углах перекладки руля;

2) не следует стремиться уменьшать величину рыскания судна на волнении путем повышения чувствительности авторулевого, так как при этом резко возрастает количество перекладок руля;

3) при большом количестве перекладок руля (более 400 в час) точность удержания судна на курсе не повышается. Это приводит лишь к ускоренному износу рулевого устройства и потере полез­ ной мощности судовой силовой установки.

Для настройки авторулевых АБР, АР и АТР в процессе экс­ плуатации предусмотрена регулировка трех параметров, которыми обеспечивается стабильное качество работы системы при измене­ нии условий плавания судна. Одним из основных регулируемых параметров является к о э ф ф и ц и е н т о б р а т н о й с в я з и й0.с. Выбор величины k0. с для каждого конкретного судна производится во время приемо-сдаточных испытаний авторулевого. Для судов

«Сигнал тахогенератора» в сторону «Больше». При этом точность удержания судна на курсе повышается. При ветре и волнении моря &тг следует уменьшать, чтобы не перегружать рулевую ма­ шину большим количеством перекладок руля. Если при введении градусной поправки в автоматическом управлении судно медленно выходит на новый заданный курс, сигнал тахогенератора следует уменьшить. Переход судном линии нового заданного значения

238