Управления движением судна

Все современные суда морского транспортного флота оборудуются системами автоматического управления (САУ) курсом. Под автоматическим управлением понимаются задачи, связанные с управлением движения судна по заданной траектории и удержанием его на заданном курсе без участия рулевого.

– заданный курс судна;

– курс от гирокомпаса;

ПУ – пульт управления;

СС – следящая система;

РМ – рулевая машина;

СОС – схема обратной связи;

Б – баллер руля;

ПР – перо руля.

Рис.1.1 – Структурная схема САУ

САУ курсом для всех судов одинаковая (рис.1.1) и состоит из прибора управления (ПУ), который на отечественных судах называется авторулевым (АР), следящей системы (СС), рулевой машины (РМ) с управ-ляющим органом – баллером руля и схемы отрицательной обратной связи (ООС), вырабатывающей электрический сигнал Uос, пропорциональный углу поворота руля.

Главная функция авторулевого состоит в удержании судна на заданном курсе, численное значение которого хранится в памяти устройства. Для этого авторулевой непрерывно сравнивает текущий курс с заданным и, при наличии расхождения, поворачивает руль на требуемый угол. Для поддержания оптимального баланса между точностью удержания курса и частотой поворота руля система имеет ряд настроек, регулируемых пользователем.

В систему входят четыре основных компонента: компас, электронный блок управления, датчик положения руля и привод руля (рис. 1.1). В модели CM800 электронные компоненты размещаются в двух блоках: блоке курсового процессора и блоке управления. Последний размещается вблизи штурвала.

САУ курсом судна состоит из прибора управления (ПУ), который обычно называется авторулевым, рулевого привода (РП) с управляющим органом – рулем, судна как объекта регулирования (ОР), а также внутренней (OC1) и внешней (ОС2) обратных связей (рис.4).

В САУ применяется пропорционально-дифференциальный метод регулирования, при котором количество перерегулирований (П) устанавливается оптимальным, т.е. выполняется главное требование, чтобы судно возвращалось на заданный курс после вынужденных отклонений с наименьшим количеством перекладок руля и в кратчайшее время. Качество управления, прежде всего, определяется характером переходных процессов, которые в свою очередь характеризуются величиной перерегулирования (П), временем переходного процесса (ВПП) и величиной ошибки () удержания судна на курсе (рис. 1.2).

– заданный курс судна;

П – величина перерегулирования;

ВПП – время перекидных процессов;

() – угол ошибки.

Рис. 1.2 – График переходных процессов

На пульте управления авторулевого размещаются все необходимые органы настройки, контроля и управления системы. ПУ или АР представляет собой вычислительное устройство, построенное на электромеханических и электронных элементах и вырабатывающее сигналы управления, пропорциональные его величине, углу и угловой скорости отклонения судна от заданного курса ().

В качестве РП на большинстве современных судов используют электрогидравлические рулевые машины, обеспечивающие перекладку руля и скоростью, примерно, 2, 5 – 3 град/сек.

При одновременном выключении насосов левого и правого бортов скорость перекладки увеличивается до 5 град/сек, что положительно влияет на управляемость судна, особенно на малом ходу.

Для обеспечения устойчивости САУ и возвращения пера руля (ПР) в исходное положение после возвращения судна на заданный курс применяется схема отрицательной обратной связи (СОС).

На качество работы САУ также влияют динамические свойства управляемости судна как объекта регулирования и состояние погоды, поэтому однотипные авторулевые, установленные на разнотипных судах, будут, как правило, работать по-разному. До настоящего времени не существует единых правил, позволяющих определять оптимальные значе-ния параметров настройки АР на судне при изменении условий эксплуатации.

Исследования и опыт эксплуатации, что настройку АР следует менять в случае:

- изменения загрузки судна;

- изменения скорости хода;

- изменения погоды.

Заданный курс

При первом включении авторулевого он переходит в режим ожидания (STADNBY), в котором отображает текущее значение курса, но не выполняет функций управления. Для включения режима управления следует нажать кнопку PILOT.

В момент нажатия кнопки, текущее значение курса сохраняется в памяти устройства, и система начинает удерживать его. Пользователь может в любой момент изменить заданный курс, и судно начнет двигаться в новом указанном направлении.

Есть еще два способа задания курса. Если авторулевой подключен к навигационной GPS-системе, курс определяется по направлению на конечный пункт маршрута.

Управление рулем

Если судно отклоняется от курса, или заданный курс меняется, авторулевой поворачивает руль на такой угол, чтобы возврат на заданный курс произошел максимально быстро, но без избыточной поворачиваемости. Требуемая величина поворота руля зависит от угла отклонения от курса, скорости и размеров судна и эффективности рулевой системы.

Регулировка чувствительности

Избыточная и недостаточная поворачиваемость судна при слишком высокой и слишком низкой чувствительности системы. Уровень чувствительности определяет, на сколько градусов поворачивается руль при заданной величине отклонения от курса. При среднем уровне чувствительности поворот руля составляет пол-градуса на каждый градус ошибки курса. Для больших или медленных судов это значение следует увеличить, для легких и быстрых – уменьшить. Слишком высокая чувствительность приводит к избыточной поворачиваемости или рысканью судна (рис. 1.3). Слишком низкая чувствительность — к недостаточной поворачиваемости и инертности системы. Однако, большинство судов управляется вполне нормально в достаточно широком диапазоне значений.

Рис. 1.3 – Избыточная и недостаточная поворачиваемость судна при

слишком высокой и слишком низкой чувствительности системы.

Компенсация колебаний курса при волнении.

Выбор режима в разделе SEA STATE (состояние моря) зависит от степени волнения в водоеме и массы судна. При режиме NORMAL (нормальные условия) угол поворота руля пропорционален величине отклонения от курса.

Режим ROUGH (сильное волнение) используется при значительной бортовой и килевой качке. Система при этом не реагирует на небольшие отклонения от курса и начинает поворачивать руль только когда они превышают определенное значение.

Режим RATE (пропорциональный) предназначен для судов с замедленным откликом на поворот руля, а также для тех судов, которые еще некоторое время продолжают поворот после возврата руля в среднее положение. В данном режиме на начальном этапе поворота угол руля пропорционален величине отклонения от курса. Далее, в середине поворота, руль постепенно начинает возвращаться в среднее положение. Когда судно приближается к заданному курсу, руль на время поворачивается в противоположном направлении для завершения маневра.

Работа руля в режиме RATE показана на рис. 1.4. Как правило, в этом режиме судно лучше держит курс, но медленнее реагирует на его изменения. Он также повышает управляемость большинства судов при попутном волнении.

Рис. 1.4 – Работа руля в режиме RATE

2. Режимы управления курсом

Количество таких режимов зависит от типа установленного на судне авторулевого (АР).

2. 1 Ручные режимы

Может быть два ручных режима для управления судном по курсу: «простой» и «следящий» или только один «следящий» режим.

2.2Автоматические режимы управления курсом

Если на судне установлен неадаптивный автоматический режим (АР), то автоматический режим один. Он обычно именуется – «Автомат» (Auto). В этом режиме, если не производится ручная настройка, коэффициенты закона регулирования остаются постоянными. Поэтому этот режим иногда называют «Autofixed».

Когда на судне адаптивный АР, то может быть несколько автоматических режимов управления курсом: один без адаптации «Auto-fixed» и два или три с адаптацией, отличающиеся используемым критерием оптимальности. Это может быть критерий безопасности, направленный на обеспечение максимальной точности регулирования, и экономичный – предусматривающий минимальный расход ресурсов.

- Первый из этих режимов часто называют «Стесненные воды»(Confined waters),

- Второй - «Открытое море» (Open sea).

У некоторых адаптивных АР имеется и

- третий режим адаптации, специально для оптимизации управления в условиях шторма – «Штормовые условия» (Rough sea).

В режиме «Auto-fixed» авторулевой выполняет регулирование курса по неизменному закону с постоянными коэффициентами, некоторые из которых можно подстроить вручную. В режимах адаптации при изменении внешних и внутренних условий работы авторулевой самостоятельно изменяет характер управления для обеспечения наилучшего по выбранному критерию качества управления.

Адаптивные авторулевые обычно приспосабливаются к изменению загрузки, скорости судна, глубины на мелководье, к изменению степени волнения и характера рыскания.

2.3 Режимы управления движением по траектории

Суда, на которых устанавливаются ИСМ, снабжаются системой автоматического вождения судна по заданной траектории – САВТ (Track Control System).

Со станции управления движением может устанавливаться ручной или автоматический режим проводки судна по траектории.

В автоматическом режиме САВТ сама без непосредственного участия человека проводит судно по запланированному пути, элементы которого должны храниться в памяти ИСМ. Автоматический режим часто именуют навигационным режимом (NAV).

Для него могут использоваться и названия:

“Track steering”,

“Track keeping”,

“Track auto”.

Некоторые САВТ дополнительно к названному имеют автоматический режим управления, обеспечивающий движение к заданной точке (Way point steering).

2.4 Регулировки для режима «Auto-fixed»

В различных типах авторулевых при ручной настройке на качественное управление регулируются разные параметры. Для настройки большинства находящихся в эксплуатации авторулевых используется три-четыре регулировки.

Встречаемые в АР виды регулировок приведены ниже.

1. Регулировка общего коэффициента усиления управляющегосигнала (kР).

Такая регулировка называется «Руль» (Rudder). С ее помощью пропорционально изменяется величина вырабатываемого АР заданного значения перекладки руля. Диапазон выбора kР обычно составляет 0.5÷ 5.0.

2. Регулировка коэффициента усиления управляющего сигнала, пропорционального производной рыскания (kД).

Регулировка kД определяет степень сдерживания судна рулем. Чаще всего она называется «Контрруль» (Counter rudder). Диапазон изменения значений kД лежит в пределах от 0 до 30. Для установки регулятора обычно используется шкала с условными делениями, от нуля до единицы, либо от нуля до десяти.

3. Регулировки для подстройки АР к работе при плохой погоде.

Для этой цели может применяться регулировка зоны нечувствительности, либо регулировка скорости руля. Они предназначены для уменьшения частоты и величины перекладок руля при рыскании судна на волнении. С помощью первого регулятора загрубляется работа авторулевого путем увеличения диапазона его нечувствительности в условиях волнения. Зона нечувствительности может выбираться в пределах 00÷ 30.

Этот регулятор называется «Рыскание» (Yaw). В некоторых АР для него используется название «Погода» (Weather).

4. Регулятор «Скорость руля» (Rudder’s rate) служит для снижения реакции авторулевого на волновое рыскание путем уменьшения скорости руля. С увеличением рыскания судна от волн скорость руля уменьшают. Диапазон выбора регулируемого параметра обычно составляет 1.5÷ 5.0 0/с.

5. Регулировка «Рулевой предел» (Rudder limit) используется для ограничения максимального значения перекладок руля.

Применяется она с целью избежания значительных углов крена при поворотах. Диапазон выбора ограничений обычно составляет 50÷ 350.

Задание автоматически выполняемых поворотов включает установку: функции поворота, ее параметра, значения нового курса.

Наиболее распространенными функциями автоматического изменения курса являются:

– с заданной угловой скоростью,

– с заданным радиусом.

В зависимости от времени начала выполнения могут быть два режима поворотов:

- с началом в момент установки нового курса (Accept HTS),

- с началом по дополнительной команде после назначения нового курса (Preset HTS).

При этом необходимо стремиться подбирать параметры настройки АР так, чтобы судно удерживалось на заданном курсе при минимальных углах перекладки руля.

3. Панель управления авторулевым «Transas»

Авторулевой «Transas» соответствует следующим требованиям:

IMO Resolution MCS.64(67), annex 3. Performance standards for Heading Control Systems

IMO Resolution A342(IX). Recommendation on performance standards for automatic pilots

IMO Resolution A.822(19). Performance standards for automatic steering aids (automatic pilots) for high speed crafts.

Панель управления авторулевым «Transas» представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1 – Панель управления авторулевым «Transas»