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

Стремление повысить качество работы систем автоматического управления движением судна по курсу заставило ряд иностранных фирм наладить производство авторулевых, работающих в непре­ рывном режиме и осуществляющих пропорционально-дифферен­ циальный закон регулирования. Примером такой системы яв­ ляется автоматизированный рулевой привод типа Сперри, упро­ щенная структурная схема которого показана на рис. 1.21.

Принципиальное отличие этой системы от рассмотренных выше контактных авторулевых заключается в том, что она позволяет автоматически менять углы перекладки руля в зависимости от угла и скорости поворота судна.

От гирокомпаса

Рис. 1.21. Структурная схема системы автоматического управления суд­ ном по курсу с авторулевым «Сперри» новой конструкции и электрогидравлической рулевой машиной.

МУ — магнитный усилитель.

Схема авторулевого типа Сперри построена на принципе само­ балансирующегося моста сопротивлений, плечи которого образо­ ваны двумя линейными потенциометрическими преобразователями угла поворота вала в электрическое напряжение. Один из преоб­ разователей Пр выдает напряжение Uu пропорциональное углу отклонения судна от заданного курса Да, а другой — датчик об­ ратной связи — напряжение U 3, пропорциональное углу пово­ рота руля р.

Особенностью этой системы является то, что сигнал управле­ ния по скорости поворота судна поступает в схему авторулевого в виде электрического напряжения U% непосредственно с усили­ теля следящей системы гирокомпаса и суммируется с сигналами U1 и U3 при помощи дифференциального магнитного усилителя.

Электрогидравлическая рулевая машина в этой системе не имеет собственной механической обратной связи, что значительно повышает точность отработки заданного угла перекладки руля, а также существенно упрощает схему.

40

Настройка системы па судне обеспечивается регулировкой чув­ ствительности, величины сигнала, пропорционального скорости по­ ворота судна, а также коэффициента обратной связи.

Изменение заданного курса ф при автоматическом управлении судном осуществляется с помощью штурвала Ш.

При переходе на ручное следящее управление отключается сельсин-приемник курса СсК и сигнал U2 , а управляющий сиг­ нал U1задается поворотом штурвала Ш.

Система имеет два полностью дублированных канала управле­ ния (один из каналов управления на схеме рис. 1.21 не показан).

От

Рис. 1.22. Структурная схема системы автоматического управления суд­ ном по курсу с авторулевым Функверк Кёпеник и электрогидравлической рулевой машиной.

ТрВ — вращающийся трансформатор, преобразующий угол поворота вала в элек­ трическое напряжение.

Надежная и высокоэффективная система автоматического управления судном по курсу, работающая в непрерывном’режиме и осуществляющая пропорционально-дифференциальный закон регулирования, создана предприятием Функверк Кёпеник (ГДР). Эта система предназначена в основном для автоматизации электрогидравлических рулевых машин с электрической обратной связью и гидроусилителем (рис. 1.22), но может использоваться и с электрическими секторными рулевыми машинами.

Система имеет два полностью дублированных канала управле­ ния. В качестве электромеханических преобразователей в схеме используются бесконтактные сельсины, работающие в трансфор­ маторном режиме, а суммирование и предварительное усиление сигнала управления осуществляется с помощью дифференциаль­ ного магнитного усилителя МУ.

Сигнал, пропорциональный скорости поворота судна U2 , выра­ батывается асинхронным тахогенератором 777 и усиливается спе­ циальным транзисторным усилителем У с переменным коэффи­ циентом усиления, величина которого устанавливается в зависи­ мости от состояния погоды.

41

В автоматическом режиме (переключатель В включен) система работает аналогично описанным ранее отечественным авторуле­ вым типа АТР.

Дистанционное следящее управление осуществляется с по­ мощью штурвала Ш2, вращение которого передается сельсинутрансформатору ТрВ2.

В схеме электрогидравлической рулевой машины без собст­ венной механической обратной связи (см. рис. 1.22) отработка величины заданного угла перекладки руля обеспечивается жест­ кой обратной связью t/4, а возврат руля в нулевое положение при возвращении судна на заданный курс — жесткой обратной связью Ue.

Гибкая обратная связь по скорости изменения заданного угла перекладки руля Us, осуществляемая с помощью специального тахогеператора 7Т2, служит для демпфирования замкнутого кон­ тура, состоящего из магнитного усилителя МУ и исполнительного двигателя ИД.

Авторулевые предприятия Функверк Кёпеник непрерывно со­ вершенствуются. В схемах, выпускаемых после 1965 г., имеется электронное дифференцирующее и интегрирующее устройства, а также осуществляется фильтрация сигналов управления, пропор­ циональных углу и скорости поворота судна, обеспечивающая значительное снижение количества перекладок руля в штормовую погоду [55].

Эффективность работы системы автоматического управления судном по курсу находится в прямой зависимости от того, на­ сколько установленные значения регулируемых параметров авто­ рулевого близки к оптимальным. В то же время судоводители не имеют четких рекомендаций по настройке авторулевых в зависи­ мости от условий плавания и состояния погоды и не могут объек­ тивно судить о качестве работы системы из-за отсутствия практи­ чески пригодных критериев оценки качества. Если к этому доба­ вить, что внешние возмущения, действующие на судно, носят случайный характер, а все суда имеют различные динамические характеристики управляемости, то становятся понятными трудно­ сти, связанные с отысканием в процессе эксплуатации значении параметров настройки авторулевого, близких к оптимальным.

В настоящее время ведутся работы по созданию самонастра­ ивающихся систем автоматического управления движением судна по курсу.

Интересная система автоматической стабилизации судна на за­ данном курсе с частичной самонастройкой параметров, предназна­ ченная для установки на судах с электрогидравлическими руле­ выми машинами, имеющими собственную механическую обратную связь, разработана в Польской Народной Республике.

Особенность схемы состоит в том, что в ней для усиления и суммирования сигналов управления использованы дифференциаль­ ные магнитные усилители, а в качестве управляющих элементов и усилителя мощности — тиристоры. Система может работать как

42

с ручной (обычной) настройкой параметров, в этом случае она ничем не отличается от обычных авторулевых, так и с автоматиче­ ской (с самонастройкой).

Для автоматической настройки в комплект системы добавля­ ется специальное устройство — блок адаптации БА, меняющий на­ чальную чувствительность схемы т, крутизну сигнала, пропорцио­ нального скорости поворота судна Lh,, а также величину сигнала, смещающего нулевое положение руля в зависимости от характе­ ристик рыскания судна.

Упрощенная структурная схема авторулевого типа TS с блоком адаптации показана на рис. 1.23.

Рис. 1.23. Структурная схема самонастраивающейся системы автоматической стабилизации судна на курсе с авторулевым типа TS.

БА — блок адаптации.

При автоматическом управлении сельсин-датчик курса CcTpl, работающий в трансформаторном режиме, соединяется через элек­ тромагнитную муфту и редуктор с сельсином-приемником курса СсК от гирокомпаса и вырабатывает напряжение Ult пропорци­ ональное углу отклонения судна от заданного курса. Напряже­ ние U2, пропорциональное скорости поворота судна, снимается с выхода усилителя следящей системы гирокомпаса. Оба эти на­ пряжения поступают в блок адаптации, который преобразовывает сигнал U], увеличивая зону нечувствительности т при ухудшаю­ щемся состоянии моря, и суммирует этот сигнал с сигналом, пропорциональным интегралу от величины рыскания судна по вре­ мени $ Aadt. Одновременно преобразуется сигнал, пропорциональ­ ный скорости поворота судна, так что крутизна его характери­ стики, определяемая постоянной времени Т, при ухудшении состояния моря увеличивается (см. рис. 1.23). Приспособление к из­ менившимся условиям плавания занимает примерно 10 мин. После этого система обеспечивает минимально возможные для данного судна амплитуды рыскания при ограниченном количестве и вели­ чине углов перекладки руля.

43

После блока адаптации преобразованные сигналы U3, Ut„ а также сигнал внутренней обратной связи Us, пропорциональ­ ный заданному углу перекладки руля [3, в виде напряжений по­ стоянного тока поступают в обмотки управления магнитных уси­ лителей МУ. Разница токов в обмотках управления МУ вызывает появление напряжения в цепи управления одного из тиристоров. Тиристор переходит в состояние проводимости, обеспечивая вклю­ чение электродвигателя исполнительного механизма ИМ, который в свою очередь управляет электрогидравлической рулевой маши­ ной и одновременно разворачивает сельсин-датчик сигнала обрат­ ной связи СсТр2.

Автоматическая настройка коэффициента обратной связи /г0.с в схеме не предусмотрена, так как разработчики считают, что это не создает больших затруднений для судоводителя, поскольку из­ менение величины k0.c следует производить только при изменении загрузки судна, т. е. один раз при выходе судна в рейс.

Система предназначена для автоматической стабилизации судна на прямом курсе. Изменять заданный курс можно только вручную при выключенном авторулевом.

Рассмотренная выше система отражает одно из направлений в развитии авторулевых, которое заключается в создании высоко­ эффективных автономных систем автоматической стабилизации судна на курсе с универсальным авторулевым, пригодным для установки на судах, оборудованных рулевыми машинами различ­ ных типов. Этому направлению следует сейчас большинство ино­ странных фирм.

В последние годы за рубежом уделяется значительное внима­ ние разработке электронных схем авторулевых. Объясняется это стремлением уменьшить габариты, массу и потребляемую систе­ мой мощность, что имеет особо важное значение для малотоннаж­ ных судов,* а также необходимостью автоматизации рулевого привода крупнотоннажных судов водоизмещением 100 000 т и выше, как правило, динамически неустойчивых на курсе, требующих зна­ чительно более широкого диапазона изменения параметров на­ стройки, чем тот, который могут обеспечить электромеханические схемы авторулевых.

Важным обстоятельством является и то, что при электронной схеме значительно проще решаются вопросы связи авторулевого со специальным программирующим устройством, а также комп­ лексная автоматизация процессов судовождения.

Название «электронные авторулевые» условное, так как в этих авторулевых сохраняются механические передачи и электромеха­ нические узлы, например преобразователи угла перекладки руля и угла отклонения судна от заданного курса в электрическое на­ пряжение. Однако схемы формирования сигнала управления, схемы корректирующих устройств, а также предварительные уси­

* Под малотоннажными подразумеваются суда водоизмещением менее

1000 т.

4 4

лители в этих авторулевых выполняются, как правило, на элек­ тронных и полупроводниковых элементах. Это существенно рас­ ширяет возможности проектировщиков в выборе закона регулиро­ вания системы и позволяет задать практически любой диапазон изменения ее параметров настройки.

Одной из первых простейших электронных схем авторулевых, получивших широкое распространение на судах, был авторулевой фирмы Аркас (Дания), упрощенная электрическая схема которого показана на рис. 1.24. Этот авторулевой может работать как от магнитного компаса специальной конструкции, так и от гироком­ паса. Принцип действия схемы описан в работе [31].

220 В

-О

3:

5*

3

х:

I

г

ЧЭ

Чтобы оценить возможности современных электронных авто­ рулевых, рассмотрим функциональную схему системы автоматиче­ ского управления движением судна по курсу, разработанную япон­ скими инженерами (рис. 1.25).

Как видно из схемы, в качестве корректирующих устройств используются обычные операционные усилители. Переменные ре­ зисторы Ri, R2 и R3 позволяют плавно регулировать в широких пределах значения интегральной, пропорциональной и дифферен­ циальной составляющих сигнала управления авторулевого. С по­ мощью двухпозиционных переключателей В1 — В4 можно менять структуру регулятора, приспосабливая ее к установленному виду управления.

Так, при автоматической стабилизации судна на прямом задан­ ном курсе устанавливается наиболее рациональный пропорцио­ нально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирова­ ния с регулируемой зоной начальной чувствительности на входе

45

(все контакты переключателей В1—В4 разомкнуты, как это пока­ зано на схеме рис. 1.25). Для перехода на пропорционально-диффе­ ренциальный закон регулирования достаточно замкнуть контакты переключателя В2. Для исключения зоны нечувствительности (что

В2

Рис. 1.25. Функциональная схема системы автоматического управления суд­

Рис. 1.26. Функциональная схема системы автоматического управления движе­ нием судна по курсу с электронным авторулевым фирмы Аншютц.

Ф — электронный фильтр нижних частот; АВУ — аналоговое вычислительное устройство; Тг — триггер.

необходимо делать в тихую погоду), используют переключатель В 1. С помощью переключателя ВЗ можно менять постоянную времени дифференцирующего устройства, а переключателем В4 — общий коэффициент усиления схемы.

46

Глава

Исследование систем автоматического управления движением судов по курсу

Системы автоматического управления движением судов по курсу, как отмечалось выше, имеют ряд особенностей, отличающих их от других автоматических систем. Эти особенности необходимо учитывать при исследовании устойчивости и качества систем. Поэтому процесс исследования таких систем будет иметь определенную специфику. Рассматриваемые системы являются многоконтурными, поэтому исследование устойчивости, качества и особенно синтеза корректирующих устройств этих систем наиболее удобно производить с помощью обратных амплитудно-фазовых ха­ рактеристик [8, 10]. Задача настоящей главы состоит в раскрытии особенности исследования устойчивости и качества систем автома­ тического управления движением судов по курсу и показе практи­ ческих приемов исследования этих систем, используя главным об­ разом обратные амплитудно-фазовые характеристики.

§ 5. Исследование устойчивости

Всякая система автоматического управления дви­ жением судов по курсу включает в качестве обязательного устрой­ ства следящую систему управления рулем, поэтому работа следя­ щей системы будет оказывать влияние на работу всей системы в целом. В общем случае при неустойчивой следящей системе управления рулем вся система управления судном по курсу может быть и устойчивой. При этом в следящей системе будут иметь место незатухающие автоколебания.

Этот автоколебательный режим работы следящей системы управления рулем даже в случае устойчивости всей системы обычно не допустим, так как приводит к излишнему износу меха­ нических узлов системы, к дополнительным потерям электроэнер­ гии и к увеличению числа перекладок руля, что в конечном счете приведет к уменьшению скорости судна.

48