59

Основные понятия авторулевого.

План лекции:

1. Декомпозиция задачи управления траекторией и курсом судна.

2. Схема автоматизированной системы управления траекторией и курсом судна.

Рекомендованная литература:

1. Березин С.Я., Тетюев Б.А. Системы автоматического управления движением судна по курсу. – Л., Судостроение, 1990 – 256 с.

2. Вагущенко Л.Л. Системы автоматического управления движением судна. – Одесса, Латстар, 2002 – 310 с.

3. Вагущенко Л.Л., Кошовий А.А. Автоматизовані комплекси судноводіння. – Київ, КВІЦ, 2001 – 292 стр.

Основные теоретические положения

Декомпозиция задачи управления траекторией и курсом судна.

Проводка судна из одной точки земной поверхности в другую относится к сложным задачам управления. Она обычно разделяется на две в определенной мере самостоятельные основные задачи:

• Управление траекторией и курсом (без учета изменения скорости хода),

• Управление скоростью хода, выполняемое изменением режима работы ГДУ.

При упрощенном рассмотрении задача управления траекторией и курсом судна может быть разделена на следующие части:

• Выбор пути, его коррекция в процессе рейса,

• Управление движением по линии маршрута,

• Управление движением по курсу,

• Осуществление заданных перекладок руля.

Выбор пути включает в себя планирование перехода и коррекцию плана в процессе рейса.

Планирование перехода должно осуществляться перед рейсом. Оно состоит в оценке всей информации, относящейся к переходу судна, и в разработке подробного плана выполнения предстоящего рейса в соответствии с требованиями «Руководства по планированию рейса», утвержденного Резолюцией ИМО А.893(21), ноябрь 1999 г.

Основным этапом планирования рейса является выбор маршрута перехода и скорости движения на его участках. Для решения рассматриваемых в этой главе задач управления используется информация только о маршруте перехода. Обычно при планировании маршрут перехода выбирается на основе анализа нескольких альтернативных вариантов.

Для составления плана перехода нужна обширная информация о навигационных и гидрометеорологических условиях в районах предполагаемого движения, правилах плавания в них, а также сведения о состоянии своего судна. Перечень источников информации, которые должны использоваться при планировании перехода, и требования к форме представления плана освещены в «Руководстве по планированию рейса».

В общем случае маршрут перехода состоит из последовательности чередующихся прямолинейных и криволинейных отрезков пути. Криволинейные отрезки определяют траекторию поворота судна с одного прямолинейного отрезка на другой. Приближенно криволинейные отрезки считают близкими к дугам окружности. В общем случае прямолинейные и криволинейные отрезки пути могут определяться координатами начальной φ_j λ_j и конечной φ_j+1 λ_j+1 своих точек и кривизной к_j= 1/R_j , где R_j - радиус кривизны отрезка.

Для прямолинейных отрезков к=0.

Требование к прохождению отрезка пути обычно устанавливается величиной Y_доп допустимого бокового отклонения от него.

Корректировка выбранного маршрута в процессе рейса может понадобиться:

• при необходимости расхождения с судами,

• в связи с неблагоприятными условиями в районе движения и на оставшемся пути следования,

• при возникновении других обоснованных причин.

Принятие окончательного решение при выборе пути возлагается на капитана.

Совокупность данных, определяющих выбранный маршрут перехода, будем обозначать M_u.

Управление движением по линии маршрута. При решении этой задачи цепь управления состоит в обеспечении перемещения судна с намеченной скоростью по выбранному маршруту M_u без значительных отклонений от него. Управляемой величиной здесь является боковое отклонение центра массы судна от линии маршрута, которое требуется поддерживать равным нулю.

Для компенсации отклонений от линии пути используются управляющие воздействия, представляющие собой небольшие изменения курса следования. В процессе движения по маршруту для достижения цели управления курс судна поправляется периодически, либо по мере необходимости.

При рассмотрении задачи управления движением по маршруту используется ряд сокращений и терминов, некоторые из которых поясняются ниже:

ПУм - маршрутный путевой угол. Это соответствующее линии маршрута направление движения в той или иной его точке. По- английски маршрутный путевой угол называется «course under route» и сокращенно обозначается CUR;

ПУи - путевой угол для следования. Это путевой угол, которым в данный момент должно следовать судно. По-английски этот путевой угол называется «course to steer» и обозначается CTS;

К_и -курс для следования. Это курс, который в данный момент должно удерживать судно. По-английски этот курс называется «heading to steer» и обозначается HTS;

ПУ - действительный путевой угол. Это угол между меридианом и вектором скорости судна в данный момент времени. По-английски ПУ называется «course over ground» и обозначается COG;

К - действительный курс. Это угол между меридианом и направлением ДП судна в данный момент времени. По-английски действительный курс называется «heading» и обозначается HDG.

Таким образом, при решении задачи управления движением по маршруту должны вырабатываться команды, определяющие значение Ки (либо ПУ_и).

В процессе рейса значения HTS (CTS) выбираются в зависимости от маршрута M_u, требований к его прохождению и отклонений от него судна. Для нахождения отклонений от маршрута используются судовые средства обсерваций: приемоиндикаторы спутниковых систем DGPS, GPS, ГЛОНАСС, приемоиндикаторы береговых РНС «Лоран-С», «Декка» и др., радиолокатор. Частота изменения HTS (CTS) при движении по прямолинейным отрезкам маршрута сравнительно невелика.

Поддержание найденного значения K_v (либо ПУи) является задачей следующего этапа управления судном.

Задача управления курсом судна состоит в определении значений перекладок руля p_v, необходимых, чтобы текущий курс судна равнялся заданному HTS.

Управляемой величиной в этой задаче является курс судна. Управляющим воздействием - значение перекладки руля fi_v, которое должен отработать рулевой привод.

Основную информацию для решения задачи управления курсом составляют данные о текущем курсе, скорости его изменения, скорости хода судна. Такие данные получают от курсоуказателя, датчика угловой скорости и лага. Угловая скорость может измеряться тахогенератором либо гиротахометром.

Дополнительно для нахождения оптимальных значений Д/ может понадобиться информация о загрузке судна, его скорости, глубине под килем на мелководье, угловых скоростях килевой и бортовой качки.

Значения при управлении судном приходится определять через малый интервал времени, а иногда - практически непрерывно.

Задача перекладок руля состоит в обеспечении равенства текущего значения перекладки руля задаваемому путем выработки достаточного для выполнения такой перекладки руля усилия. Перекладки руля производятся рулевым приводом. При решении этой задачи используется информация о действительном положении пера руля, получаемая от рулевого датчика, и данные о скорости поворота руля р .

Схема автоматизированной системы управления траекторией и курсом судна. Электронные судовые системы, решающие комплексно задачи, связанные с проводкой судна из порта отхода в порт назначения, называются автоматизированными комплексами судовождения (АКС). Центральной частью современных АКС являются навигационно-информационные компьютерные системы (НИКС). Среди них выделяют в настоящее время два вида систем: ECDIS (Electronic Chart Display and Information System); ECS (Electronic Chart System).

Автоматизированная система управления траекторией и курсом судна в обобщенном случае включает в себя управляющий комплекс и судно как объект управления. Управляющий траекторией и курсом комплекс (УТКК) представлет собой условно выделенную часть АКС, которая используется при решении задач, связанных с проводкой судна по маршруту путем изменения курса.

Приведенной выше декомпозиции задачи проводки судна между двумя точками соответствует иерархическая автоматизированная система управления траекторией и курсом судна с четырьмя уровнями управления (Рис. 1). На схеме этой системы обозначено:

э

Подсистема выбора пути (Planing and optimization route system) в АКС может входить в состав НИКС, либо представлять собой отдельную автоматизированную подсистему выбора пути, использующую ресурсы НИКС. Для упрощения рассмотрения функций управления будем считать, что выбор пути в АКС возложен на отдельную подсистему.

Рис. 4.1 - Схема системы управления траекторией и курсом судна

Задачей подсистемы выбора пути является определение наилучшего с точки зрения безопасности, экономичности и времени прохождения маршрута M_v, по которому должно пройти судно.

В современных АКС автоматизированная подсистема выбора пути выступает в роли системы информационной поддержки решений судоводителя. Ее задача состоит в получении от внешних и внутренних источников необходимых для выбора пути данных, в целесообразной их обработке, в отображении в наглядном виде необходимой для составления плана перехода информации, а также в предоставлении судоводителю «инструментов», позволяющих быстро составлять и оценивать альтернативные варианты маршрута перехода.

Система автоматического управления движением но маршруту - САУм (Track control system) состоит из модуля, управляющего движением по маршруту, и объекта управления, которым является система автоматического управления курсом. САУ_М замкнута. По линии обратной связи передается информация о состоянии ОУ_м, характеризуемая вектором Y_B. Основными элементами вектора Y_B служат текущие координаты судна φ,λ. Дополнительно этот вектор может включать в себя скорость судна V и ряд других данных.

Управляющий движением по маршруту модуль (УДММ) в современных АКС может представлять собой отдельную подсистему, либо являться элементом НИКС, либо входить в управляющее курсом устройство. Для определенности будем считать, что УДММ является отдельной подсистемой.

Задача УДММ состоит в нахождении курсов, обеспечивающих прохождение маршрута M_u без значительных отклонений от него. При выработке управляющих сигналов в УДММ используются сведения о заданном маршруте, о требованиях к его прохождению и информация о состоянии ОУ_м.

Система автоматического управления курсом (САУд) состоит из управляющего курсом устройства и объекта управления, включающего рулевое устройство и корпус судна. Эта система замкнута. По линии обратной связи передаются данные о состоянии ОУ_к, характеризуемые вектором F_c. Основными составляющими вектора Y_c являются текущий курс судна K(t) и скорость его изменения со. Дополнительно этот вектор может включать в себя скорость судна V, глубину под килем Н, значения кинематических параметров, характеризующих качку судна.

Управляющее курсом устройство называется в судовождении авторулевым (АР). АР может также рассматриваться как устройство дистанционного управления рулевым приводом.

Задачей авторулевого является формирование маломощного управляющего сигнала β_u, определяющего величину перекладки руля для обеспечения равенства текущего курса К_u требуемому значению K_u.

В состав некоторых из современных авторулевых включен модуль управления движением по маршруту. Такие АР представляют собой двухуровненную систему управления либо систему с одним уровнем, управляющей судном по двум координатам: курсу и боковому отклонению от линии пути. Вид автоматического управления движением по маршруту в АР называется часто навигационным режимом управления.

Понятие «рулевой привод» здесь применяется в широком смысле. Под ним понимается совокупность элементов следящей системы, обеспечивающая равенство действительного β значения перекладки руля заданному β_u. Эта следящая система является замкнутой. По линии обратной связи передаются данные о состоянии рулевого привода, характеризуемые вектором Y_D. Этот вектор включает в себя значения величины β и скорости β перекладки руля.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что включает в себя выбор пути включает.

2. Схема автоматизированной системы управления траекторией и курсом судна.

3. Из каких модулей состоит система автоматического управления движением но маршруту – САУм.

Общие сведения об авторулевых.

План лекции

1. Назначение авторулевых.

2. Классификация авторулевых.

3. Типовые аналоговые авторулевые.

4. Адаптивные рулевые.

5. Автоматические бесконтактные авторулевые АБР и АР.

6. Автоматический малогабаритный рулевой АРМ-2.

7. Схема работы Авторулевого

8. Основные законы управления АР.

9. Внешние датчики информации.

10. Структурная схема системы автоматического управления курсом судна.

Рекомендованная литература:

1. Березин с.Я., Тетюев б.А. Системы автоматического управления движением судна по курсу. – л., Судостроение, 1990 – 256 с.

2. Вагущенко л.Л. Системы автоматического управления движением судна. – Одесса, Латстар, 2002 – 310 с.

3. Вагущенко л.Л., Кошовий а.А. Автоматизовані комплекси судноводіння. – Київ, квіц, 2001 – 292 стр.

Основные теоретические положения

Назначение. Авторулевые (АР) служат для ручного и автоматического управления движением судна по курсу на полном морском ходу и на маневренных скоростях.

Обычно с помощью АР решаются задачи стабилизации курса и выполнения поворотов. На некоторые АР возлагают также задачу определения курса следования в зависимости от заданного маршрута и отклонения судна от него.

На судах мирового флота используются авторулевые различных фирм, изготовленные в разное время. Кроме того, классификационные общества разных стран и судовладельцы предъявляют неодинаковые требования к компоновке, видам управления, средствам контроля и сигнализации авторулевых. Поэтому многообразие авторулевых достаточно велико. Охарактеризовать подробно все применяемые на судах типы авторулевых не представляется возможным. Для рассмотрения основных задач управления судном достаточно проанализировать только основные, существенные при управлении свойства авторулевых. Ниже дается обобщенная характеристика авторулевых, в которой особенности АР конкретных типов могут быть не отражены.

Классификация авторулевых. В настоящее время эксплуатируются АР различных типов.

В зависимости от элементной базы АР подразделяются на

• электромеханические,

• электронные аналоговые,

• электронные цифровые.

В зависимости от вида рулевого привода, которым будет управлять АР, различают авторулевые:

• Для электрических РП,

• Для электрогидравлических РП с насосами постоянной производительности,

• Для электрогидравлических РП с насосами регулируемой производительности.

• Для различных видов РП.

В зависимости от вида настройки выделяют авторулевые:

• С ручной настройкой (неадаптивные АР),

• с частичной адаптацией,

• адаптивные авторулевые.

При правильной настройке АР потери в эксплуатационной скорости судна могут быть снижены на 2*3%, а расход топлива - на 5+8%.

Типовые аналоговые авторулевые.

К основным техническим требованиям, предъявляемым к авторулевым, относятся следующие: они должны удерживать судно на с точностью 1⁰ при скорости более 6 уз независимо от условий плавания и загрузки судна. Средняя амплитуда рыскания по курсу в заданном интервале скоростей для состояния моря до 3 баллов должна быть в пределах 1⁰, до 6 баллов -2-3⁰, свыше 6 баллов -4-5⁰. Основной рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с одного борта на другой за время, не превышающие 28 с.

Авторулевые имеют обычно несколько режимов работы: ручной, следящий, автоматический.

Электромеханические авторулевые разрабатывались как автономные устройства управления, вследствие чего при решении задач автоматического плавания по маршруту они не в полной мере отвечают требованиям взаимодействия с автоматизированными судовыми навигационными подсистемами. Кроме того, они имеют и свои собственные недостатки, вот некоторые из них. Во-первых, это выработка частых неэффективных перекладок руля на волнении. Обычные авторулевые отвечают на любые отклонения от курса, что приводит на волнении к появлению частых перекладок руля, на которые судно не успевает нужным образом реагировать из-за своей большой инерционности. В результате происходит трата энергии на неэффективную работу рулевого привода и ускоряет его износ. Во-вторых, из-за ограничения настройки авторулевые на судах в большинстве случаев работают в неоптимальном режиме, что вызывает рост (по сравнению с качественным регулированием) сопротивления движению судна вследствие больших углов дрейфа, перекладок руля, торможения судна инерционного происхождения.