Судно - как объект управления.

Лекция: Судно - как объект управления.

1. Кораблестроители - судно, сложное архитектурное сооружение, способное перемещаться по воде, выполняя определенные задачи.

2. Судоводители — комплекс, способный сохранять плавучесть и оборудованный навигационными приборами и системами для безопасного мореплаваний и выполнения поставленных задач, по роду своего назначения.

3. Судомеханики — сложный энергетический комплекс, оборудованный главной силовой установкой и CBM обеспечивающий передвижение на границе 2^х сред (вода и воздух), выполняя поставленные перед судном задачи.

Судно - как объект управления.

Управление судном представляет собой многоцелевую задачу. При этом цели управления бывают различной природы и направленности. Они направлены на обеспечение навигационной и мореходной безопасности мореплавания, а также эффективного выполнения производственных задач. Наличие в «контуре управления» человека, при сбоях в функционировании системы, дает основание говорить о влиянии «человеческого фактора» на безопасность мореплавания и эффективность работы.

Движение судна происходит на границе двух сред - воды и воздуха поэтому на него действуют гидродинамические и аэродинамические силы.

Управление в обобщенном понимании можно определить следующим образом — такая организация функционирование процесса движения судна которая обеспечивает выполнение поставленных целей, способствующих выполнению задач, соответствующих назначению судна.

Сам процесс движения с изменяющимися параметрами называется маневрированием. В указанном смысле судно является управляемой системой.

Для процесса судовождения предлагается формулировка понятия «система управления судном»: совокупность судовых устройств и элементов, обеспечивающих управление судном при выполнении производственных задач и маневрировании, а также порядок взаимодействия между ними.

На систему действуют различные факторы, которые принято называть входные величины, и они численно характеризуются входными параметрами. Их будем разделять на внутренние и внешние. Если источник воздействия происходит от судовых устройств, то они называются внутренними.

Для судна, как объект управления, внешними являются силы от воздействия ветра, течения, волнения, взаимодействия с причалом, от буксира, взаимодействия с другими судами и другие.

Внутренними взаимодействиями являются силы от руля, движителя, подруливающего устройства Их можно также подразделять на контролируемые, те, которые назначает судоводитель, и не контролируемые, действующие на судно произвольно по времени и величине.

Реакция системы на эти воздействия описываются параметрами, которые называются выходными. Для судна, как объекта управления, выходными являются кинематические параметры движения и его координаты на земной поверхности. Выходные параметры, изменения либо сохранение значений которых являются целью управления, называются управляемыми. Бели управляемые параметры, характеризующие направление и скорость перемещения судна являются неизменными, то можно говорить о том, что судно движется в установившемся режиме.

Если курс и (или) скорость преднамеренно изменяются, то это означает, что судно маневрирует.

Основные сведения про судно как объект управления

Морское судно как транспортное средство совершает движение на границе двух сред - воды и воздуха, испытывая при этом гидродинамическое и аэродинамическое воздействия.

Для обеспечения заданных параметров движения (например, движение постоянным курсом или по требуемой криволинейной траектории, движение с заданной скоростью или изменение скорости судном необходимо управлять. В указанном смысле судно является управляемой системой.

В соответствии с теорией управления каждая управляемая система состоит из трех частей: объекта управления (т.е. то, чем управляют), средства управления (с помощью чего управляют) к управляющего устройства (что управляет - автомат или человек).

Отметим, что рассмотренная управляемая система является замкнутой, так как в ней действует управляющее устройство (в данном случае - судоводитель). Если же по какой-либо причине управляющее устройство перестает функционировать, то система становится разомкнутой, а характер поведения объекта управления (корпуса судна) в данном случае будет определяться тем состоянием, в котором зафиксированы средства управления (угол перекладки руля, частота и направление вращения винта).

Вообще говоря, в состав морского судна входит много различных систем, которыми необходимо управлять (главный двигатель, якорное устройство и др.), каждая из которых в общем случае содержит три указанные выше составные части.

На приведенном примере были кратко рассмотрены наиболее общие принципы функционирования управляемых систем.

B данном разделе рассматривается главным образом управление движением судна в горизонтальной плоскости, которое обычно сводится к задаче перехода судна из одной точки в другую по заданной траектории.

В навигации изучаются задачи управления судном, движение которого происходит обычно с постоянной скоростью на более или менее значительном расстоянии от берегов и других навигационных опасностей, что позволяет рассматривать судно (объект управления) как материальную точку.

Что же касается дисциплины «Управление судном», то в ней изучаются задачи управления судном, движение которого происходит с изменяющейся скоростью в непосредственной близости от препятствий, т.е. на расстояниях, сопоставимых с размерами самого объекта управления, что исключает возможность рассматривать его как точку.

Если в задачах навигации движение судна обычно называют плаванием, то при управлении судном его движение называется маневрированием.

При управлении судном приходится учитывать такие его характеристики, как длину, ширину, форму и размеры подводной и надводной частей корпуса, а также характеристики судовых средств управления - основных и вспомогательных.

Приходится учитывать также соотношение между глубиной и осадкой, так как при маневрировании на мелководье, а также вблизи стенок канала возникают силы гидродинамического взаимодействия, существенно влияющие на поведение судна как объекта управления.

Управление судном особенно усложняется при маневрировании в условиях ветра, воздействие которого сильно влияет на характер поведения объекта управления и эффективность управляющих устройств.

Сравнительно сложный характер поведения судна, обусловленный как свойствами самого объекта управления, так и влиянием многих внешних факторов, делает процесс маневрирования весьма напряженным, требующим от судоводителя не только глубоких познаний, но и высоких психомоторных качеств наблюдательности, умения анализировать и оценивать обстановку.

Рассмотрим основные характеристики средств управления.

Все средства управления (СУ), которые устанавливаются или могут устанавливаться на судах, подразделяются на две основные группы: главные средства управления (ГСУ) и вспомогательные средства управления (ВСУ).

Средства управления в каждой из указанных групп делятся по цели управления на два вида устройств: устройства, управляющие движением судна, а так же разгоном и торможением в угловой скоростью.

В соответствии с классификацией к ГСУ относятся главные движительные устройства (ГДУ) и рулевые устройства (РУ), а к ВСУ - подруливающие устройства и дополнительные тормозные устройства (ДТУ). Кроме указанных существуют комбинированные устройства, позволяющие управлять как поступательным так и угловым движением судна. Это главные движительно-рулевые устройства (ГДРУ), относящиеся к ГСУ, и вспомогательные движительно-рулевые устройства, относящиеся к ВСУ, хотя приведенная схема классификации не является общепринятой.

Те устройства, которые способны создавать боковую силу при неработающем ГД и (или) отсутствии хода суда или относительно воды, принято называть средствами активного управления (САУ).

С точки зрения управления судном, интерес главным образом представляют рабочие органы устройств. Для главных движительных устройств такими органами на морских транспортных судах чаще всего бывают винты фиксированного шага (ВФШ) или винты регулируемого шага (ВРШ), а для рулевых устройств - руль (перо руля). Рассмотрим основные характеристики указанных рабочих органов.

Гребной винт представляет собой систему лопастей (от 2 до 8), каждая из которых является участком винтовой поверхности.

Сила упора, создаваемая винтом при его вращении с заданной частотой, зависит от его основных геометрических характеристик: диаметра D_n, шага Н, дискового отношения Q и числа лопастей z, а также от скорости самого судна. Существенное влияние на силу упора оказывает взаимодействие винта с корпусом судна. Силу упора без учета такого взаимодействия называют упором изолированного винта, а с учетом взаимодействия - полезным упором или тягой.

где - коэффициент силы;

- плотность морской воды (1025), ;

- обороты винта, .

Для ВФШ изменение направления упора достигается реверсированием двигателя (изменением направления вращения гребного вала). ВФШ имеет максимальный коэффициент полезного действия (КПД) только при одном выбранном при проектировании режиме движения (для транспортных судов это обычно скорость полного переднего хода).

ВРШ позволяет за счет дистанционного поворота лопастей менять шаг винта и получать максимальный КПД при любом режиме движения. Изменение направления упора ВРШ осуществляется соответствующим поворотом лопастей без реверсирования главного двигателя.

На двухвинтовых судах гребные винты противоположного вращения устанавливаются симметрично относительно диаметральной плоскости СДП). Направление вращения обычно выбирается таким образом, чтобы на переднем ходу лопасти вращались наружу.

Руль (перо руля) представляет собой крыло за кормой судна, способное поворачиваться с помощью баллера вокруг вертикальной оси на углы 30 - 35° вправо и влево. На отклоненном от ДП руле при движении в потоке воды возникает поперечная ДП сила, создающая момент относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести судна. Эта сила при данном угле перекладки пропорциональна квадрату скорости потока воды обтекающей перо руля, и зависит от геометрических характеристик руля и его размещения относительно гребного винта.

Основными геометрическими характеристиками, определяющими эффективность руля как управляющего устройства, являются площадь S_p и h высота А (по баллеру), а также размерения и форма подводной части корпуса.

Эффективность руля, установленного за гребным винтом, существенно возрастает за счет струи, отбрасываемой винтом при его работе передним ходом. По этой причине эффективность руля, расположенного в ДП, на одновинтовых судах существенно выше, чем на двухвинтовых. Поэтому на двухвинтовых судах иногда устанавливают два пера руля за винтами, что резко улучшает поворотливость таких судов.

Теория крыла, рассматриваемая в гидромеханике судна, позволяет определить характер распределения аэро- и гидродинамических воздействий на корпус при его движении на границе двух сред и найти величину, направление и точку приложения равнодействующих этих сил, а значит аэро- и гидродинамический моменты относительно вертикальной оси. Эти данные в сочетании с силами и моментами, приложенными к корпусу со стороны средств управления, определяют поступательное и угловое движение судна данной массы.

Теоретические расчеты сил и моментов, возникающих на корпусе судна сложны, трудоемки, поэтому не всегда могут использоваться при практическом маневрировании. Тем не менее существуют общие закономерности, знание которых имеет большое значение для правильной оценки и предсказания поведения судна как объекта управления.

Для получения этих закономерностей рассмотрим основные свойства крыла применительно к корпусу судна.

1. Если крыло перемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под некоторым углом атаки, то, помимо силы лобового сопротивления, направленной противоположно движению, возникает также подъемная сила, направленная перпендикулярно набегающему потоку. Величина подъемной силы в первом приближении пропорциональна углу атаки. Она может существенно превышать силу лобового сопротивления, в связи с чем равнодействующая этих сил не совпадает с направлением потока, а отклонена в сторону траверсного направления.

2. Точка приложения равнодействующей силы смещена по ДП от центра площади крыла навстречу потоку. Величина этого смещения (плечо поперечной проекции гидродинамической силы) тем больше, чем острее угол атаки. При углах атаки, близких к 90°, плечо стремится к нулю, т.е. точка приложения приближается к центру площади; для надводной части - к центру парусности (ЦП), для подводной - к центру площади проекции погруженной части на ДП, называемому центром бокового сопротивления (ЦБС). Применительно к подводной части корпуса углом атаки является угол дрейфа, а к надводной - курсовой угол кажущегося ветра.

При изучении вопросов управления судном удобнее рассматривать вместо сил, связанных с направлением движения, проекции их равнодействующей на судовые оси - продольную X и поперечную Y.

Свойства крыла применительно к корпусу судна следующие. Корпус судна в подводной и надводной частях представляет удлиненное тело, симметричное относительно ДП, т.е. подобен вертикальному крылу симметричного профиля.