автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование авторулевого типа Т8 и комплекса судно авторулевой на нерегулярном волнении

Введение

I.Анализ современных систем управления авторулевыми., б

2.Обзор литературы и формулировка задачи диссертации. ц

Глава I

I.Разработка математических моделей динамических и статистических свойств узлов и элементов серийного авторулевого Тб- 2В • по натурному комплексу.20 1.1.Принцип действия системы Т8-2В

1.1.1. Работа системы в режиме стабилизации судна на заданном курсе.

1.1.2.Работа системы в следящем режиме.

1.1.3.Блок адаптации для автоматической подстройки усилителей ИР и 140(ИВ)

1.1.4.Рвзервное управление.

1.2. Определение параметров отдельных элементов системы ТЭ- 2 В по натурному комплексу.

1.2.1.Разработка математических моделей чувствительных элементов системыТ5-2В

1.2.2.Разработка математической модели усилителя 14Р

1.2.3.Разработка математических моделей корректирующих устройств системы Т8-2В

1.2.3.1.Математическая модель интегрирующего устройства.

1.2.3.2.Математическая модель дифференцирующего устройства.

1.2.4.Разработка математической модели суммирующе-усилительного узла.

1.2.5.Разработка математической модели исполнительного механизма системы

§~ 2 В

1.2.6.Разработка математических моделей обратных связи системы TS~2B

I, Анализ совершенных систем управления авторулевым.

Современные транспортные задачи морского флота и стремление к понижению себестоимости грузоперевозок привели к резкое росту водоизмещения, скорости и интенсивности судоходства.

Одновременно в последнее время значительно повысились требования к обеспечению безопасности мореплавания. Это обусловлено ростом интенсивности судоходства на морских путях, увеличением стоимости судов и перевозочных грузов, а также необходимостью защиты окружающей среды от загрязнения. В таких условиях сильно повысились требования к качеству систем управления движением судна. Они продиктованы как соображениями безотказности плавания, так и большими экономическими выгодами из-за уменьшения потерь эксплуатационной скорости хода. Так, по данным японских публикаций /112/ автоматизация управления движением крупнотоннажного судна /ок. 100000т/ может привести к повышению эксплуатационной скорости хода на что для такого судна соответствует уменьшению на 10% расхода топлива. Увеличение скорости судна при той же мощности силовой установки может быть реально достигнуто за счет улучшения качества удержания судна на курсе.

Движение судна по курсу испытывает возмущения трех типов:

- отклонения от заданного курса, обусловленные сравнительно низкочастотными воздействиями, спектр которых находится в полосе частот пропускания рулевого устройства. К воздействиям такого типа относятся: асимметрия обводов корпуса, упора винтов, статический крен судна, ветер ;

- отклонения, вызываемые воздействиями, спектр которых находится вне полосы частот пропускания рулевого устройства. Примером таких воздействий являются волнение, порывы ветра, удары о лед ;

- возмущения, вызывающие изменение гидродинамических характеристик управляемости судна.

Это вызывается тремя основными причинами: изменением скорости хода судна, его загрузки и глубины под килем. Эти изменения могут быть столь велики, что устойчивое на курсе при определенной скорости и на больших глубинах судно становится неустойчивым при уменьшении скорости и переходе на мелководье. Для автоматического удержания судов на заданном курсе еще в 40-х годах текущего столетия были созданы специальные автоматические ре гулят оры-авт оруле-вые /18/, получившие широкое распространение в коммерческом флоте всего мира. Все разновидности этих авторулевых, разработанные в различных странах, обладают одним общим серьезным недостатком, сохранившимся вплоть до нашего времени /70/. Они малоэффективны именно в сложных условиях плавания: при движении на развитом волнении силой от 5 баллов и более, когда суда подвергаются влиянию значительных непрерывно действующих случайных возмущений и при изменениях динамических свойств судов как объектов регулирования вследствие изменения скорости хода, загрузки, осадки и глубины под килем. В результате действия указанных факторов авторулевые для требуемой точности поддержания заданного курса при движении на волнении вызывают слишком частые включения рулевых машин и перекладки руля, что приводит к сокращению срока службы и снижению надежности рулевых приводов, а также увеличению потерь скорости хода за счет управления. Причина недостаточной эффективности существующих авторулевых состоит в том, что они конструируются исходя из предположения, что динамические свойства судов неизменны при всех условиях плавания. Кроме того, современные серийно выпускавмые авторулевые не содержат в своей функциональной структуре эффективных средств для фильтрации шумов в сигналах от датчиков курса, что позволило бы существенно повысить качество управления при движении судов на волнении. Для устранения излишне частых включений рулевых машин и перекладок руля в некоторых типах авторулевых предусматриваются специальные устройства. Так, например, в цепь рассогласования по курсу вводятся устройства с зоной нечувствительности, применяется низкочастотные фильтры на входе авторулевого либо выходе дифференцирующего устройства, вводится запаздывание в контур управления. Однако при развитом сильном волнении такой способ не приводит к снижению частоты включений рулевых машин и в описанных условиях судоводители вынуждены отключать авторулевые и переходить на ручное управление курсом судов. Что касается возмущений третьего типа, то для их компенсации необходима автоматическая перестройка параметров регулятора /закона управления/. В противном случае управление судном не является оптимальным. Неоптимальное управление выражается в пропульсиввнх потерях и дополнительном расходе топлива за счет управления. Эти потери складываются из удлинения пути вследствие рыскания на курсе, дополнительного сопротивления корпуса вследствие бокового смещения /дрейфа/, торможения судна инерционного происхождения /за счет взаимодействия угловой скорости рыскания и линейной скорости бокового смещения/, дополнительного сопротивления из-за перекладок руля. Наибольшее значение имеют два последних фактора, создавая дополнительное сопротивления до 2,5% от полного сопротивления движению судна для крупнотоннажного танкера и до 1,2% для обычного сухогрузного судна. В настоящее время в мировой практике насчитывается несколько типов разработанных авторулевых с автоматической самонастройкой. Они могут быть классифи цированы по двум основным группам:

- авторулевые с автономной адаптацией ;

- авторулевые, в которых для адаптации используется внешняя информация.

В автономных авторулевых формирование сигналов, воздействующих на параметры управления осуществляется на основе анализа качества удержания судна на курсе по наблюдаемым или моделируемым переменным состояния. В неавтономных адаптивных авторулевых используется зависимость качества управления от внешних условий, которые измеряются с помощью датчиков /эхолота, лага, измерителя параметров качки/. Среди авторулевых первого типа представляет интерес адаптивный авторулевой, разработанный Технологическим университетом в Дельфте /Голландия/ в I972-1973 гг. /97/, а также авторулевой DP-780 новой фирмы RACAL- DECCA MARINE CONTROLS LTD . Существенной особенностью этих систем является наличие нелинейной математической модели судна, с помощью которой моделируется угловая скорость. Разность пС" измеряемой скорости вращения судна и полученной с модели служит для вычисления коэффициента усиления при угловой скорости поворота, обеспечивающего минимум функционала f(e) - k-e2

Примером неавтономного авторулевого может служить шведский авторулевой ASAP , разработанный фирмой "Аэро-Телав", подсистема DATA PILOT в составе комплексной навигационной системы DATA BRIDGE фирмы NORCONTROL/Норвегия/, а также авторулевой UPG с приставкой адаптивного управления ASM фирмы S PERRY Применение адаптивных авторулевых для судовой практики позволило, по данным фирмы ROCAL DECCA , уменьшить расход топлива на 2%, Надо подчеркнуть, что создание автоматизированных навигационных комплексов расширило возможности современных авторулевых. Однако сложные навигационные комплексы могут найти широкое применение на крупнотоннажных и некоторых специализированных судах. Поэтоьу остается нерешенным вопрос о создании эффективных систем регулирования курса для остальных типов судов. Повышение эффективности систем регулирования курса достигается путем:

- ручной или автоматической перестройкой структуры управляющего воздействия в зависимости от характера движения ;

- фильтацией входного сигнала /фильтр Калмана/ ;

- адаптацией к изменению скорости, загрузки и глубины под килем ;

- адаптацией к волнению ;

- автоматической оптимизацией по критерию минимизации потерь скорости за счет управления ;

- автоматической оптимизацией по критерию минимизации оценки бокового смещения ;

- ограничением максимально допустимых управляющих воздействий ;

- автоматической коррекцией заданного курса поправкой на снос судна ;

- автоматической коррекцией заданного курса по программе ;

- стабилизацией судна на заданной траектории ;

- прогнозированием и отображением траекторий судна в результате введенного управляющего воздействия.

В данной работе рассматривается вопрос повышения эффективности CAV курсом судна путем применения авторулевого типа ТS /Польская Народная Республика/ и системы адаптации к волнению. Вследствие отсутствия проверенных данных основным методом решения этой задачи является моделирование системы CAY курсом судна с использованием реального авторулевого TS , оборудованного реальной системой адаптации к волнению, работающей в условиях нерегулярного морского волнения.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Вопросы повышения эффективности средств управления, которые применяются на судах, являются весьма актуальными. Многие из них не разработаны. Особенно недостаточно разработаны вопросы адаптивных систем управления судами. Трудности исследования этих систем связаны со сложностью динамических свойств судов как объектов регулирования, а также с тем, что внешнее случайное возмущение , действующее на судно, сильно меняет свои характеристики не только в зависимости от метеорологических факторов, но также от параметров движения судна таких, как скорость и угол курса относительно бега волн. Система, например, стабилизации курса судна может хорошо работать при встречном волнении высокой бальнос-ти, а может быть непригодной на попутной волне даже при незначительном волнении. Аналитическое решение задачи усложняется наличием нелинейности в характеристике поворотливости большинства современных судов, нелинейным преобразовании по частоте спектров морского волнения. Кроме того, современные авторулевые содержат ряд нелинейностей, особенно в исполнительной части. Эти особенности направляют исследования в область приближенного решения с помощью средств моделирования. При этом, по-прежнему стоит вопрос точности математической модели судна для определенных условий, дополнител ьно возникают проблемы восстановления кажущихся спектров /точнее случайных функций с кажущимся спектром/. В случае, когда моделирование ведется с реальной аппаратурой,нельзя,.пркм^енят1 метод т.н."заменяющей задачи" - управлять системой заменяющей функцией времени, а все сигналы должны быть образованы в реальном времени. Учтивая, что на попутной волне кажущийся спектр смещается относительно спектра волнения в сторону меньших частот, возникает вопрос об источниках случайных функций, которые обеспечили бы желаемые спектры. В предлагаемой диссертационной работе выполнен ряд важных, с точки зрения выше указанных вопросов, работ.