ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ

 

4.1. Судно как объект управления

 

Транспортное морское судно совершает движение на границе двух сред: воды и воздуха, испытывая при этом гидродинамические и аэродинамические воздействия.

 

Для достижения заданных параметров движения, судном необходимо управлять. В этом смысле судно является управляемой системой. Каждая управляемая система состоит из трех частей: объекта управления, средства управления и управляющего устройства (автомата или человека)

 

Управление – это такая организация процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели, соответствующей задаче управления.

 

При плавании судна в открытом море, задача управления заключается в обеспечении его перехода из одной точки в другую по прямолинейной траектории, удерживая заданный курс и периодически корректируя его после получения обсерваций. В этом случае курс является управляемой координатой, а процесс поддержания его постоянного значения является целью управления.

 

Мгновенное значение ряда координат определяет состояние судна в данный момент. Такими координатами являются: курс, скорость, угол дрейфа, поперечное смещение относительно генерального курса и т.п. Они являются выходными координатами. В отличие от них координаты, являющиеся причинами управляемого движения, называются входными. Это угол перекладки руля и частота вращения гребного винта. При выборе значений входных координат, управляющее устройство (авторулевой, судоводитель), руководствуются значениями выходных координат. Такая связь между следствием и причиной, называется обратной связью.

 

Рассмотренная управляемая система является замкнутой, т.к. в ней действует управляющее устройство (судоводитель). Если же управляющее устройство перестанет функционировать, то система становится разомкнутой и поведение объекта управления (судна), будет определяться тем состоянием, в котором зафиксированы средства управления (угол перекладки руля, частота и направление вращения гребного винта).

 

В дисциплине «Управление судном» изучаются задачи управления судном, движение которого происходит в непосредственной близости от препятствий, т.е. на расстояниях, сопоставимых с размерами самого объекта управления, что исключает возможность рассматривать его как точку (например, как в курсе «Навигация»).

 

 

4.2. Силы и моменты, действующие на судно в процессе управления при маневрировании

 

Все силы, действующие на судно, принято разделять на три группы: движущие, внешние и реактивные.

 

К движущим относят силы, создаваемые средствами управления для придания судну линейного и углового движения. К таким силам относятся: упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного торможения (САУ) и т.п.

 

К внешним относятся силы давления ветра, волнения моря, течения. Эти силы, обусловленные внешними источниками энергии, в большинстве случаев создают помехи при маневрировании.

 

К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна. Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей. По своей природе реактивные силы и моменты разделяются на инерционные и неинерционные. Инерционные силы и моменты обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Эти силы возникают только при наличии ускорений – линейного, углового, центростремительного. Инерционная сила всегда направлена в сторону, противоположную ускорению. При равномерном прямолинейном движении судна инерционные силы не возникают.

 

Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью забортной воды, следовательно, являются гидродинамическими силами и моментами, При рассмотрении задач управляемости используется связанная с судном подвижная система координат с началом в его ц.т. Положительное направление осей: Х – в нос; Y – в сторону правого борта; Z – вниз. Положительный отсчет углов принимается по часовой стрелке, однако, с оговорками в отношении угла перекладки, угла дрейфа и курсового угла ветра.

 

За положительное направление перекладки руля принимают перекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т.е. перекладку на правый борт (перо руля разворачивается при этом против часовой стрелки).

 

За положительный угол дрейфа принимается такой, при котором поток воды набегает со стороны левого борта и, следовательно, создает положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе судна. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

 

Общий случай движения судна описывается системой из трех дифференциальных уравнений: двух уравнений сил по продольной Х и поперечной Y осям и уравнений моментов вокруг вертикальной оси Z.

Эта система имеет следующий вид:

 

(4.1)

 

 

где m - масса судна;

- присоединенная масса при движении по оси Х;

- присоединенная масса при движении по оси Y;

- проекция скорости судна на ось Х;

- проекция скорости судна на ось Y;

- угловая скорость судна; 2

J - момент инерции судна относительно Z: J = m x R

- момент инерции присоединенных масс относительно оси Z;

R_x - продольная гидродинамическая сила на корпусе;

R_{y -} поперечная гидродинамическая сила на корпусе;

P_{e -} полезная сила упора гребного винта;

P_{px -} продольная сила давления воды на руль;

P_py- поперечная сила руля;

A_x - продольная аэродинамическая сила;

A_y - поперечная аэродинамическая сила;

M_R -момент гидродинамической силы на корпусе;

M_P -момент поперечной силы руля;

M_{A -} момент аэродинамической силы.

 

В левых частях системы (1.1) стоят инерционные силы и моменты. В первых двух уравнениях – соответствующие проекции силы инерции и центробежной силы, а в третьем уравнении – инерционный момент относительно вертикальной оси. В правых частях находятся неинерционные силы и моменты, записанные в общем виде. Эта система может быть решена численными методами с помощью ЭВМ с целью моделирования движения судна при маневрировании. Решение в конечном виде возможно лишь для частных случаев и при некоторых допущениях

Так, первое уравнение системы характеризует движение судна по оси Х при его разгоне и торможении, поэтому оно позволяет оценить инерционно-тормозные характеристики. Решение второго уравнения, описывающее поперечное смещение, позволяет получить зависимости для дрейфа судна на циркуляции и под влиянием ветра. Третье уравнение, характеризующее угловое движение, используется при оценке управляемости судов.

 

4.3. Маневренные характеристики судна

 

Маневренными характеристиками судна называют совокупность параметров, которые позволяют судить о физических процессах, происходящих при изменении его движения. Их подразделяют на две основные группы инерционно-тормозные и циркуляции (рис.4.1).

Для использования режимов движения в практических целях, установлены градации числа оборотов и соответствующей им скорости переднего хода, а также числа оборотов заднего хода: передний полный ход (ПП); передний полный маневренный ход (ППм); передний средний ход (ПС); передний малый ход (ПМ); передний самый малый ход (ПСМ); задний полный ход (ЗП); задний средний ход (ЗС); задний малый ход (ЗМ); задний самый малый ход (ЗСМ).

 

 

 

В соответствии с требованиями РШСУ-98 инерционно-тормозные характеристики и элементы циркуляции судна учитываются при: плавании в районах со стесненными условиями, выборе безопасной скорости, расхождении со встречными судами, маневрировании на акватории портов, подходах к причалам и других видах маневрирования в сложных условиях, когда это необходимо для обеспечения безопасности судна.

следующих изменений режима движения судна:

· полный передний – стоп (ПП - стоп)

· полный передний маневренный – стоп (ПП_м - стоп)

· средний передний – стоп (ПС – стоп)

· малый передний – стоп (ПМ – стоп)

· полный передний – полный задний (ПП - ЗП)

· полный передний маневренный – полный задний (ПП_м -ЗП)

· средний передний – полный задний (ПС – ЗП)

· малый передний – полный задний (ПМ – ЗП)

· самый малый передний – полный задний (ПСМ – ЗП)

 

У судов с ВРШ устанавливают условные деления на шкале рукоятки управления для разворота лопастей, которые соответствуют установленным режимам движения судна.

 

 

4.4. Требования к содержанию информации о маневренных характеристиках судна

 

Согласно Резолюциям ИМО № А-209 и № 285, каждому судну рекомендуется иметь на борту «Информацию капитану о маневренных элементах судна». Наставлением по организации штурманской службы на судах Украины (РШСУ-98) предусмотрен минимум сведений, включаемых в такую «Информацию», а также форма их представления.

 

Поворотливость судна представляется в «Информации» в виде вычерченных в масштабе траекторий движения судна на циркуляции при перекладке руля «на борт» и на 15 градусов вправо и влево. На траектории указываются точки, соответствующие определенным изменениям курса с начала циркуляции, а именно: в первой четверти циркуляции – через 10 градусов, во второй – через 30 градусов и далее – через 90 градусов.

 

По инерционно-тормозным характеристикам в «Информацию» включаются сведения о пассивном торможении и торможении полным задним ходом, соответственно, с полного морского, полного маневренного, среднего, малого и самого малого передних ходов. Эти сведения для каждого маневра приводятся в виде линейного вертикального графика, вертикальная длина которого в принятом масштабе выражает тормозной путь. Через каждую минуту времени от начала торможения на линейных вертикальных графиках делаются засечки, против которых указывается скорость судна в данной точке. В начале графика, внизу, указывается начальная скорость для данного маневра.

 

Графики для активного торможения строятся до полной остановки судна, а для пассивного – до скорости, составляющей 20% от скорости полного хода судна. Элементы поворотливости, разгона и торможения строятся для двух состояний судна – в грузу и балласте. В «Информацию» включаются также элементы ходкости в виде таблиц и графиков зависимости скорости судна от частоты вращения винта в грузу и балласте.

Маневренные элементы могут определяться любыми способами, обеспечивающие точность конечных результатов, не хуже +/- 10% от измеряемой величины. Натурные измерения допускается производить при ветре до 4 баллов и волнении до 3 баллов.

 

Линейные графики, рекомендованные ИМО неудобны для практической работы из-за трудности интерполяции, при выборке t и V на нелинейной шкале. Несмотря на рекомендацию ИМО, трудоемкость выборки данных, большая плотность информации, отсутствие промежуточных данных для конкретных режимов, очевидно, делают такие графики нецелесообразными для использования их на мостике.

 

4.5. ИНЕРЦИОННО-ТОРМОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

 

4.5.1 Общие сведения об инерционно-тормозных свойствах судна

 

При управлении судном на акватории портов, рейдов, в узкостях, при расхождении в море с другими судами, а также в аварийных ситуациях возникает необходимость в изменении скорости судна. Изменение скорости судна, обладающего большой массой, происходит главным образом под воздействием двух сил: силы упора движителя и силы сопротивления воды. При этом масса судна при его ускорении или замедлении (положительном или отрицательном) порождает силу инерции, всегда препятствующую изменению скорости движения.

 

Способность судна изменять скорость своего движения во времени под совместным влиянием перечисленных сил при различных начальных условиях принято называть инерционно-тормозными характеристиками (ИТХ).

Движение судна в процессе изменения скорости, описывается первым уравнением системы (1.1). Для случая прямолинейного движения, при отсутствии ветра и прямом положении руля, когда сила Ах и Ррх несущественны, имеем:

 

 

(4.2)

где m_x - масса судна с учетом присоединенной массы воды при движении по оси Х

m_x = () кг;

R - сила сопротивления воды, Н;

P_e - сила упора винта (винтов), Н.

 

Знак минус перед силой сопротивления указывает на то, что она всегда направлена против движения, а знак плюс перед силой упора винта означает, что упор направлен вперед, а знак минус – назад.

Произведение массы на ускорение представляет собой силу инерции.

При торможении судна ускорение имеет отрицательный знак, т.е. происходит его замедление. Присоединенная масса воды при движении по оси Х часто принимается равной 10% массы судна . При этом условии масса судна с учетом присоединенной массы воды рассчитывается по формуле:

, (4.3)

где D - водоизмещение судна, т.

 

Сила сопротивления воды обычно принимается пропорциональной квадрату скорости, т.е.

(4.4)

 

где k – коэффициент пропорциональности;

V - скорость судна, м/с.

 

Сила сопротивления воды, равна:

, (4.5)

, (4.6)

где - безразмерный гидродинамический коэффициент полного сопротивления,

зависящий от формы (обводов) и состояния его поверхности (шероховатости);

- массовая плотность воды (принимается в расчетах = 1020 кг/м³)

- площадь смоченной поверхности, м².

 

Расчет пассивного торможения

 

Движение судна в период пассивного торможения описывается дифференциальным уравнением:

(4.7)

где m - масса судна с учетом присоединенной массы воды, кг;

k - коэффициент общего сопротивления, кг/м.

Решение этого уравнения позволяет получить значение пути пассивного торможения:

в метрах (4.8)

 

в кабельтовых

 

и значение времени (с) и скорости (м/с) на любом участке торможения

(4.9)

(4.10)

 

Универсальная диаграмма торможения: страница 351 книги С.И Демина и страница 109 книги В.И. Снопкова 2004 года издания.

 

 

Сила упора изолированного винта (без учета взаимодействия с корпусом) определяется по формуле:

(4.11)

где - частота вращения гребного винта;

D_в – диаметр винта, м;

К_р - коэффициент упора винта.

Таким образом, сила упора зависит от диаметра винта, частоты вращения, шагового отношения , дискового отношения , числа лопастей z и поступи винта

(4.12)

Сила упора изолированного(без учета взаимодействия с корпусом) винта определяется для установившегося движения передним или задним ходом по формуле

(4.13)

Эта формула дает надежные результаты для установившегося движения, но если движение происходит с изменением скорости, то возникают переходные процессы существенно влияющие на силу упора, что особенно проявляется в режиме торможения, когда судно движется вперед, а винт работает задним ходом.