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) и управляющего устройства (что управляет — автомат или человек).

Управление в обобщенном понимании это такая организация того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей, соответствующих задаче управления. При этом цель управле­ния сводится к поддержанию или изменению какой-то величины, от которой зависит состояние системы в процессе управления. Такие ве­личины в теории управления называются координатами, а та из них, поддержание или изменение которой является целью управления, — управляемой координатой.

Так, например, при плавании в открытом море вдали от навига­ционных опасностей, задача управления заключается в переходе судна из одной точки в другую по прямолинейной траектории, что достига­ется выдерживанием заданного курса с периодической его корректи­ровкой после получения обсерваций. В этом случае курс является уп­равляемой координатой, а поддержание его постоянного значения и периодические коррекции являются в соответствующие периоды вре­мени целью управления.

Мгновенными значениями ряда координат управляемой и неуправ­ляемых определяется состояние судна (управляемЬ# системы) в дан­ный момент. В рассмотренном примере такими координатами являют­ся курс, скорость, угол дрейфа, поперечное смещение относительно линии генерального курса и т. п. Такие координаты, определяющие состояние системы и сами являющиеся следствием управления, назы­ваются выходными координатами. В отличие от них координаты, яв­ляющиеся причинами управляемого движения, называются входными. В приведенном примере входными координатами являются угол пе­рекладки руля й частота вращения гребного винта.

При выборе значений входных координат, характеризующих со­стояние средств управления (руль, гребной винт), управляющее уст-

ройство (судоводитель, рулевой или авторулевой), руководствуются значениями выходных координат. Такая связь между следствием и причиной называется обратной связью.

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.

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

Отметим, что точно такая же по форме задача управления рас­сматривается и в курсе «Навигация», однако указанное совпадение задач управления имеет лишь формальный характер.

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 анали-

Рис. 1.1. Классификация средств управления

зировать и оценивать обстановку, быстроты реакции, способности об­основанно принимать ответственные решения, а также умения орга­низовать работу людей, участвующих в процессе управления.

Рассмотрим в общих чертах 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 также разгоном и торможением в продольной плоскости (вперед или назад), и устройства, управляющие угловым движением, т. е. курсом и угловой скоростью.

Схема классификации СУ представлена на рис. 1.L В соответст­вии с данной классификацией к ГСУ относятся главные двйжитель- ные устройства (ГДУ) и рулевые устройства (РУ), а к ВСУ — подру­ливающие устройства (ПУ) 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 движителы^о-рулевые устрой­ства (ВДРУ), относящиеся к ВСУ. Отметим, что приведенная схема классификации СУ (см. рис. 1.1) не является общепринятой. В раз­личных литературных источниках по управляемости судов встречают­ся и другие варианты классификации.

Те устройства, которые способны создавать боковую силу при не­работающем главном двигателе и (или) отсутствии хода судна относи­тельно воды, принято называть средствами активного управления (САУ). На схеме (см. рис. 1.1) САУ обведены пунктирной линией.

Характеристики САУ, а также ДТУ будут рассмотрены в 4 гл. настоя­щего раздела.

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_B, шага Я, дискового отношения 0 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.

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 (ДП). 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 высота h (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.

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.

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 ^х\_-(х—' у г значит аэро- и гидродинамичес­кий моменты относительно вер- р_ис j 2. Гидродинамическая сила R_t при- тикальной оси. Эти данные в со- ложенная к корпусу судна, и ее проекции четанин 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 траверзного 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.

На рис. 1.2 в качестве примера показаны гидродинамическая си­ла R и ее составляющие (подъемная /?_гюд и лобового сопротивления Ялов), а также проекции силы R на судовые оси (поперечная R_y и продольная /?_х). Очевидно, что поперечная гидродинамическая сила R_y создает относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести (ЦТ) судна, момент R_vIr.

Отметим, что ЦБС располагается всегда вблизи ЦТ, а положе­ние ЦП зависит от архитектуры надводной части и от дефферента судна.

Все силы, действующие на судно, по принятой в настоящее время классификации разделяются на три группы: движущие, внешние и ре­активные.

К движущим относят силы, создаваемые средствами управления с целью придания судну требуемого линейного и углового движения. К таким силам относятся упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые 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 под действием движущих и внешних сил. 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 обычно, как уже отмечалось в п. 1.1, используется связанная с судном подвижная си­стема координат с началом в ц. т. Положительное направление осей: X — в нос; У — 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 при этом разворачивается 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. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

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

Эта система в несколько упрощенном варианте имеет вид: dV_v

{т-\ Х_п) -^--И/п+Хм) Vyv=—R_x — Р_рх + Р_е — А_х\ dV,,

(т | Х_а2)—~ < (m-ЬХц)Ух <•> -= Я гг -Рру-\ Ау* 0*1)

йы

(J } Х*,) ^ - f Mq -\ М_А>

где т — масса судна;

Хн —присоединенная масса при движении i»o оси Х\

Я₂2 — присоединенная масса при движении по оси У;

V_x — проекция скорости судна на ось Х\

V_y — проекция скорости судна на ось Y\ о> — угловая скорость судна;

J — момент инерции судна относительно оси Z;

Хее — момент инерции присоединенных масс относительно оси 1\

R_x — продольная гидродинамическая сила на корпусе;

R_y — поперечная гидродинамическая сила на корпусе;

Я, — полезная сила упора гребного винта;

Яр* — продольная сила давления воды на руль;

Рр_У —поперечная сила руля;

А_ж —продольная аэродинамическая сила;

Ау —поперечная аэродинамическая сила;

Мл — момент гидродинамической силы на корпусе;

М_р — момент поперечной силы руля;

Мл — момент аэродинамической силы.

В левых частях системы (1.1) стоят инерционные силы и момен­ты: в первых двух уравнениях — соответствующие проекции силы ннер- цин и центробежной силы, а в третьем уравнении — инерционный мо­мент относительно вертикальной оси. В правых частях стоят неинер­ционные силы и моменты, записанные в общем виде. Все неннерцион- ные силы и моменты, входящие в систему (1.i), выражаются нелиней­ными зависимостями от поступательной и угловой скоростей, поэтому данная система не может быть проинтегрирована до конца при строгой постановке. Однако система в принципе может решаться численными методами с помощью ЭВМ для моделирования движения судна при маневрировании. Решение же в конечном виде возможно только для частных случаев движения и при некоторых упрощающих допущениях.

Так, первое уравнение системы (1.1) характеризует движение суд­на по оси X при разгоне и торможении, поэтому его решения позво­ляют оценивать инерционно-тормозные характеристики судов. Реше­ния второго уравнения, описывающего закономерности поперечного смещения, позволяют получить зависимости для дрейфа судна на цир­куляции и под влиянием ветра. Третье уравнение, характеризующее угловое движение, используется при оценке управляемости судов.

В последующих главах при более подробном рассмотрении ука­занных характеристик судов мы будем обращаться к соответствую­щим уравнениям системы (1.1).

Контрольные вопросы. 1. Из каких частей состоит любая управляемая система в соответствии с теорией управления? 2. В чем заключается различие между замкну­той и разомкнутой управляемыми системами? 3. Какие координаты являются вход­ными по отношению к судну как объекту управления? 4. В чем заключается основная особенность средств активного управления? 5. При каком условии сила инерции суд­на по продольной оси равна нулю? в. При каком условии отсутствует центробежная сила инерции судна?

Глава 2. СВЕДЕНИЯ ОБ УПРАВЛЯЕМОСТИ 2.1. Устойчивость на курсе и поворотливость

Управляемость зависит как от свойств самого судна, определяе­мых комплексом корпус — рулевое устройство — винт и скоростью, так и от внешних условий: ветра, волнения, глубины и рельефа дна при плавании на мелководье, глубины и ширины канала при плавании в узкосшх. Следует особо остановиться на оценке влияния скорости судна на его управляемость, гак как это влияние проявляется неодно­значно. Гидродинамические силы и моменты на руле и корпусе судна пропорциональны квадрату скорости набегающего потока, поэтому при движении судна с установившейся скоростью независимо от ее ибсо- лютного значения, соотношения между указанными силами и момента­ми остаются постоянными. Следовательно, на разных установившихся скоростях траектории (при одинаковых углах перекладки руля) со­храняют свою форму и размеры. Но если в процессе маневра изме­нить частоту вращения винта, то изменится скорость потока, набегаю­щего на руль, расположенный за винтом. При этом момент, создавае­мый рулем, изменится сразу же, а гидродинамический момент на кор­пусе судна будет изменяться медленно по мере изменения скорости самого судна, поэтому прежнее соотношение между этими моментами временно нарушится, что приведет к изменению кривизны траектории. При увеличении частоты вращения винта кривизна траектории увели­чится (радиус кривизны уменьшится), и наоборот. Когда скорость судна придет в соответствие с новой частотой вращения винта, кри­визна траектории снова станет равной первоначальному значению.

Все сказанное выше справедливо для случая штилевой погоды. Ес­ли же судно подвергается воздействию ветра определенной силы, то в этом случае управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем больше влияние ветра на управляемость.

Управляемость характеризуется главным образом двумя свойст­вами судна: устойчивостью на курсе и поворотливостью.