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

На рис. 1.7 показаны амплитудно-частотные характеристики некоторых судов, определенные экспериментальным путем. Полу­ ченные результаты указывают на то, что ширина полосы пропу­ скания частот существенно зависит от типа судна, а также его скорости и загрузки. Максимальные значения рабочих частот транспортных судов находятся в пределах 0,1—0,3 рад/с. Полоса пропускания частот расширяется примерно на 30% при плавании судна без груза и значительно суживается при уменьшении его скорости.

При работе систем автоматического управления в режиме ма­ неврирования (при больших углах перекладки руля) дифферен­ циальное уравнение, описывающее движение судна по курсу, становится нелинейным. Однако влияние этой нелинейности бла­ гоприятно сказывается на устойчивости, несколько ухудшая ка­ чество системы [22]. Поэтому при дальнейших исследованиях используются линейные уравнения движения судна.

§3. Отечественные системы автоматического управления движением судов по курсу

Большинство судов морского транспортного и про­ мыслового флота СССР оборудовано отечественными бесконтакт­ ными авторулевыми типов АБР, АР и АТР, а также малогабарит­ ными авторулевыми типа АРМ-2.

19

Т а б л и ц а 1.5

Основные технико-эксплуатационные характеристики отечественных авторулевых

Тип авторулевого

Технико-эксплуатационные характеристики

20

подключен к сельсину-датчику гирокомпаса СсД, а штурвал уп­ равления Ш через необратимую передачу — к механическому диф­ ференциалу Д.

При отклонении судна от заданного курса вращение ротора сельсина-приемника СсК через необратимую червячную пере-

Руль

Рис. 1.9. Электромеханическая структурная схема системы автоматического управления движением судна по курсу с авторулевым АР и рулевой ма­ шиной типа РЭР.

щающийся трансформатор руля; БД — блок демпфирования; В — выпрямитель; ЭМУ — электромашинный усилитель; ИД — исполнительный двигатель; РМ — рулевая

машина.

дачу ЧП и механический дифференциал Д, передается линейному вращающемуся трансформатору курса ЛВТ-К, с обмоток кото­ рого снимается напряжение, пропорциональное углу отклонения /siAa. Это напряжение подается на одну из обмоток масштабного вращающегося трансформатора МВТ.

С сельсином-приемником СсК механически связан также элек­ тродвигатель ТГ, работающий в режиме тахогенератора. Напря­ жение, снимаемое с обмоток тахогенератора, пропорциональное

22

скорости изменения курса k2 = — , усиленное полупроводниковым dt

усилителем У1, поступает на статорную обмотку МВТ. Сигнал тахогенератора меняет величину угла перекладки руля в зависи­ мости от скорости ухода судна с курса, а также осуществляет одерживание при возвращении судна на заданный курс.

Кроме того, с сельсином-приемником СсК также механически связано интегрирующее устройство, состоящее из сельсина-транс­ форматора СсТр, асинхронного электродвигателя с редуктором ДИ и линейного вращающегося трансформатора интегратора ЛВТ-И.

При рысканиях судна относительно заданного курса повороты сельсина-приемника СсК передаются ротору сельсина-трансфор­ матора СсТр, который вырабатывает напряжение, поступающее в обмотку управления интегрирующего двигателя ДИ. Если судно рыскает симметрично относительно заданного курса, то колеба­ ния ротора двигателя ДИ гасятся редуктором, ротор ЛВТ-И остается в.нулевом положении, а напряжение на его выходе от­ сутствует.

При асимметричном рыскании разность амплитуд отклонения судна на правый и левый борт накапливается, ротор ЛВТ-И пово­ рачивается на угол, пропорциональный накопленной разности амплитуд, и вырабатывает сигнал, пропорциональный интегралу от изменения курса судна k3}' Aadt. Этот сигнал обеспечивает сме­ щение нулевого положения руля от диаметральной плоскости судна на правый или левый борт, и рыскания судна становятся симметричными.

Напряжение с выхода ЛВТ-И поступает на роторную обмотку МВТ. Сумма этих трех сигналов подается на вход предваритель­ ного фазочувствительного усилителя У2 с выпрямителем на вы­ ходе и затем в обмотку управления ЭМУ. Электромашинный уси­ литель обеспечивает работу исполнительного электродвигателя ИД, который управляет рулевой машиной РМ. Одновременно с перекладкой руля поворачивается ротор линейного вращающе­ гося трансформатора руля ЛВТ-Р. Напряжение ЛВТ-Р, пропор­ циональное углу перекладки руля k$, также поступает на ротор­ ную обмотку МВТ и служит сигналом внутренней отрицательной обратной связи авторулевого.

В системах с исполнительным двигателем постоянного тока и электромашинным усилителем для устранения незатухающих колебаний в следящей системе управления рулем вводится спе­ циальный демпфирующий контур БД, который вырабатывает сигнал, пропорциональный напряжению на якоре исполнительного двигателя k5U.

Принципиальная электрическая схема формирования сигнала управления в авторулевых типов АБР и АР показана на рис. 1.10.

Когда судно под действием руля начинает возвращаться к за­ данному курсу, меняется направление вращения сельсина-прием­ ника курса СсК, уменьшается напряжение ЛВТ-К и меняется фаза сигнала тахогенератора. В результате напряжение на

23

выходе усилителя У2 меняет знак и руль возвращается к сред­ нему положению.

Таким образом, система автоматической стабилизации судна на заданном курсе с авторулевым АР реализует закон управления вида

и противоположно по фазе напряжению ЛВТ-К, а сигнал на входе усилителя станет равным нулю.

Как только судно под действием руля начнет поворот на но­ вый курс, сельсин-приемник СсК авторулевого, работающий от гирокомпаса, будет поворачивать ЛВТ-К и асинхронный тахогенератор ТГ, уменьшая заданное штурвалом напряжение сигнала градусной поправки курса и вводя сигнал, пропорциональный

24

Таким образом, при работе системы в режиме введения гра­ дусных поправок на вход предварительного усилителя поступает следующий суммарный сигнал

U c = k x ( с р . - а отр) - К ~ * 4Р ,

где а0тр — угол поворота судна под действием руля (угол отра­ ботки) .

При введении градусной поправки интегрирующее устройство автоматически отключается, так как его сигнал уменьшает быстро­ действие системы и ухудшает устойчивость.

Из приведенного выше описания работы управляющих элемен­ тов авторулевого АР видно, что функции тахогенератора при ра­ боте схемы в режиме стабилизации и автоматическом следящем режиме различны. Так, в первом случае тахогенератор вводит в закон регулирования первую производную угла отклонения судна от заданного курса, а во втором — первую производную угла отработки курса.

При использовании авторулевого АР на судах, оборудованных электрогидравлической рулевой машиной типа РЭГ, в комплект системы вместо электромашинного усилителя ЭМУ и исполни­ тельного двигателя ИД включается специальный комбинирован­ ный привод (на схеме рис. 1.9 не показан).

В этом случае сигнал управления с усилителя У2 поступает в обмотку управления исполнительного двигателя типа АДП, ко­ торый через механическую передачу управляет работой гидроуси­ лителя рулевой машины. Работа остальных элементов схемы про­ исходит в том же порядке, как это было описано выше.

В системе предусмотрены два вида дистанционного управле­ ния судном с помощью штурвала Ш на пульте управления авто­ рулевого АР — следящее и простое. Переход на дистанционное управление производится при необходимости сложного маневриро­ вания судном по курсу, а также при выходе из строя схемы авто­ матического управления.

Для перехода на дистанционное следящее управление пере­ ключатели В1 и В2 устанавливаются в положение б (см. схему рис. 1.9). При этом сельсин-приемник курса СсК авторулевого отключается от датчика гирокомпаса, трансформатор МВТ пере­ ключается так, что коэффициент обратной связи авторулевого становится равным единице (k0, с=1), а интегрирующее устрой­ ство отключается.

Теперь при повороте штурвала Ш разворачивается только ро­ тор ЛВТ-К. Под действием этого сигнала рулевая машина будет перекладывать руль до тех пор, пока напряжение на выходе ЛВТ-Р не станет равным напряжению сигнала ЛВТ-К, т. е. пока руль не переложится на угол, заданный поворотом штурвала.

При простом управлении переключатели Bl, В2 устанавли­ ваются в положение в. В этом случае одновременно с поворотом штурвала Ш поворачивается ротор сельсина-трансформатора

25

стью дублированных канала управления, что существенно повы­

шает ее надежность.

В системе предусмотрены три вида управления с мостика: про­ стой, следящий и автоматический. Следящее управление и ввод градусных поправок к заданному курсу при автоматическом уп­ равлении осуществляются поворотом штурвала, а простое дистан­ ционное управление — путем нажатия специальных клавиш. Пере­ ключение схемы с одного вида управления на другой производится с помощью одного переключателя и не требует каких-либо допол­ нительных операций.

При следящем управлении возврат штурвала в нулевое поло­ жение происходит автоматически, что облегчает управление суд­ ном вручную.

Упрощенная структурная схема системы автоматического уп­ равления судном по курсу с авторулевым АТР и электрогидравлической рулевой машиной типа Р показана на рис. 1.12.

Рассмотрим работу системы при различных видах управления,

начиная с простого.

Простое дистанционное управление является резервным и осу­ ществляется с помощью клавиш «лево руля» — «право руля» на пульте управления ПУ при повороте переключателя В1 в положе­ ние 1. При нажатии клавиши подается напряжение переменного тока в обмотку управления исполнительного двигателя ИД, управ­ ляющего работой насоса переменной (постоянной) производитель­ ности НПП электрогидравлической рулевой машины РМ, и начи­ нается перекладка руля. В этом режиме угол перекладки руля пропорционален времени удержания клавиши в нажатом положе­ нии, а истинное положение руля контролируется по стрелочному

указателю на ПУ.

Чтобы остановить перекладку руля, надо отпустить клавишу. При этом микровыключатель разорвет цепь обмотки управления ИД, а пружина нулевого установителя исполнительного меха­ низма ИМ вернет управляющий орган насоса НПП в нулевое по­ ложение. Перекладка руля прекратится. Чтобы вернуть руль в диаметральную плоскость судна, нужно нажать клавишу проти­ воположного борта.

Следящее управление осуществляется с помощью штурвала Ш, когда переключатель В1 находится в положении 2.

При следящем управлении поворот штурвала передается через механический дифференциал ротору задающего сельсина CcTpl, работающему в трансформаторном режиме. С сельсина CcTpl снимается напряжение Ии пропорциональное углу поворота штур­ вала, которое затем через усилитель У1 поступает в обмотку уп­ равления ИД. Исполнительный двигатель, вращаясь, перемещает управляющий орган насоса НПП, и начинается перекладка руля. Одновременно ИД поворачивает ротор сельсина-трансформатора СсТрЗ, с которого снимается напряжение U3 в противофазе с на­ пряжением Ui. Сельсины-трансформаторы CcTpl и СсТрЗ отрегу­ лированы так, что угол поворота СсТрЗ примерно на 0,3 градуса

27