4.2. Система стабилизации курса

Система стабилизации курса (ССК) судна предназначена для автоматической ориентации его продольной оси в заданном направлении движения.

Если заданный курс судна на частном галсе , а его истинный курс в любой момент времени , то разница между ними образует угол рыскания:

Функция управления автоматической системы стабилизации курса заключается в том, чтобы поддержать значения угла рыскания близкими к нулю: .

На рис. 4.2 показано произвольное положение судна в горизонтальной плоскости, определяемое взаимным расположением полусвязанной координатной продольная ось которой ориентирована в направлении частной цели движения на заданном галсе, и подвижной системы координат жестко связанной с корпусом судна. В совмещении этих координатных систем заключается основная функция управления для этого вида системы управления движения МПО.

Рис. 4.2, Ориентация судна в горизонтальной плоскости.

Вспомогательная функция ССК состоит в автоматическом изменении курса на величину которая представляет собой разницу между двумя значениями заданного курса:

ее называют градусной поправкой. Допустимая величина градусной поправки не превосходит , что позволяет отнести автоматическое изменение курса судна к режимам малого маневрирования МПО в отличие от циркуляции, являющейся примером глубокого маневрирования.

Добиться нулевого значения угла рыскания в любой момент времени практически невозможно. Под влиянием ветро-волновых возмущений, вследствие несимметрии корпуса, неравномерности работы главных механизмов и т. п. корабль постоянно уходит с заданного курса. Система стремится компенсировать эти отклонения, вернуть его на заданный курс с помощью имеющихся на борту технических средств управления направлением движения. В большинстве случаев для этой цели используют вертикальный руль, если скорость судна достаточно высока, чтобы обеспечить необходимую величину скоростного напора и, следовательно, требуемый уровень гидродинамической (или аэродинамической) силы на руле.

Мгновенное значение угла рыскания зависит от интенсивности ветро- волновых возмущений, которая определяется скоростями течения и ветра отнесенными к скорости хода корабля, а также поперечной составляющей приведенного угла волнового склона . Расчет при действии возмущений и управляющего воздействия вертикального руля, определяемого углом перекладки выполняется с помощью частной линейной модели возмущенного движения рыскания, которая для широкого класса МПО имеет вид

Элементы матрицы параметров С и вектор внешних возмущений формируются в соответствии с выражениями для сил и моментов, приведенными в гл. 3. Сравнительно простая форма ветро-волновых возмущений в (4.1) когда получается в предположении постоянства скоростного напора. При течении и ветре в борт судна (угол встречи ) это соответствует максимальным значениям боковой силы и поворотного момента, и расчет на основании (4.1) приводит к наибольшим значениям угла рыскания.

Модель управляемого объекта (4.1) должна быть дополнена уравнением динамики исполнительного органа. Вертикальный руль является средством управления, и его перекладка осуществляется согласно выражению

Если пренебречь инерционностью привода рулевого устройства, которая существенно меньше инерционности МПО, то при отсутствии обратной связи по углу перекладки руля выражение (4.2) может служить моделью исполнительного органа, а сигнал управления приобретет смысл скорости перекладки руля.

Волновое возмущение МПО случайно. Случайный характер носят также изменения всех координат состояния, в том числе и угла рыскания. При больших временных интервалах процесса управления судном так же, как и могут считаться случайными стационарными функциями времени, удовлетворяющими условию эргодичности. Интегральными характеристиками угла рыскания как случайной стационарной функции являются математическое ожидание (среднее значение по времени)

и дисперсия

которые не зависят от времени.

Чтобы избежать необходимости анализа процесса управления на бесконечном временном интервале, можно воспользоваться оценками математического ожидания и дисперсии

При этом интервал доверительности выбирается таким образом, чтобы интегральные характеристики случайной функции и их оценки мало различались между собой

Математическое ожидание угла рыскания определяет статическую ошибку системы управления, дисперсия (или среднеквадратичное отклонение ) - переменную составляющую мгновенного значения отклонения судна от заданного курса. С учетом случайного характера рыскания функция управления системы стабилизации курса, заключающаяся в минимизации угла может быть выражена через допустимое значение статической ошибки при минимуме дисперсии.

Реализация функции управления (4.3) - не единственное требование к системе. Важно, чтобы оно было достигнуто при минимуме затрат. Так как интенсивная работа руля сопровождается ростом сопротивления движению и повышенным боковым сносом, необходимо, чтобы цель управления была достигнута при ограниченном значении среднего угла перекладки руля и минимуме его дисперсии

Аналогичные ограничения накладываются и на скорость перекладки руля с целью облегчить условия работы и уменьшить износ механизмов управления судном. В силу (4.2) и требование к характеру сигнала управления заключается в минимизации его дисперсии

Требования (4.3) - (4.5) противоречивы. Действительно, повысить точность стабилизации выходной переменной управляемого объекта можно только за счет интенсификации управления. Нельзя одновременно выполнить условия (4,3) и (4.4). Оптимизация процесса управления достигается на основе компромисса между ними путем минимизации критерия вида

при обеспечении заданной статической точности согласно (4.3).

В состав критерия оптимальности отдельные слагаемые входят со своими весовыми коэффициентами , которые определяют соотношение между требованием точности работы системы и ограничением на затраты управления. Они дают возможность разработчику системы варьировать удельный вес этих факторов, добиваясь разумного компромисса между характером рыскания судна и режимом работы рулевого устройства. Весовые множители определяются путем экспертных оценок, предварительных расчетов или пробных решений.

Иногда критерий качества работы системы стабилизации курса дополняется слагаемым, пропорциональным дисперсии угловой скорости рыскания . Поэтому общая форма средневзвешенного дисперсионного критерия оценки качества работы ССК имеет вид

Достижение поставленной цели осуществляется путем формировав сигнала управления по закону

и организацией соответствующих отрицательных обратных связей по состоянию управляемого объекта и исполнительного органа. Первое слагаемое в (4.7) соответствует обратной связи по основной управляемой переменной. Кроме нее в системе предусмотрена демпфирующая обратная связь обеспечивающая устойчивость и требуемые динамические свойства системы, и интегрирующая связь благодаря которой достигается структурный астатизм системы и появляется возможность исключить статическую ошибку стабилизируемой величины. Внутренняя отрицательная обратная связь по углу перекладки руля повышает качество функционирования привода рулевого устройства и обеспечивает следящий режим его работы.

Совместное рассмотрение (4.2) и (4.7) с учетом того, что все обратные связи в системе отрицательны приводит к следующему выражению для угла перекладки руля:

где - символ дифференцирования. Оно показывает, что в системе стабилизации курса реализуется пропорционально-интегрально-дифференци- альное регулирование по выходной переменной . Основная постоянная времени и коэффициент передачи исполнительного органа определяются коэффициентом внутренней отрицательной обратной связи

Значения коэффициентов обратных связей в (4.7) находят из решения оптимизационной задачи минимизации критерия (4.6).

Реализация закона управления (4.6) предполагает, что формирующие его переменные величины поддаются измерению. На корабле устанавливается гирокомпас (или гирокурсоуказатель), представляющий собой гироскопический прибор, на выходе которого напряжение постоянного или переменного тока пропорционально углу рыскания.

Угловая скорость рыскания может измеряться с помощью датчика угловых скоростей (ДУС). Он также является гироскопическим прибором, но его выходной электрический сигнал пропорционален производной угла рыскания. В некоторых вариантах системы вместо ДУС используют дифференцирующие электромеханические или электронные устройста, работающие непосредственно по сигналам гирокомпаса. Такого же типа интегрирующие устройства применяют для обратной связи вида . В создании обратной связи по углу перекладки руля участвует линейный вращающийся трансформатор (ЛBT). Его ось механически связана с баллером руля, и напряжение выходной обмотки изменяется в соответствии с углом перекладки.

Перечисленные приборы составляют информационное обеспечение систем стабилизации курса.

Для выполнения градусной поправки в системе предусматривается возможность введения в устройство формирования сигнала непосредственно от штурвала управления судном напряжения пропорционального требуемому изменению курса.

Система стабилизации курса, известная под названием "авторулевой" (в зарубежной литературе автопилот), получила самое широкое распространение и находит применение практически на всех типах морских подвижных объектов. В большинстве вариантов реализация закона управления (4.7) осуществляется с помощью аналогового вычислительного устройства электромеханического или электронного типа. В последнее время начали появляться авторулевые в цифровом исполнении, в которых управление (4.7) реализуется программными средствами.

На рис. 4.3 приведена развернутая функциональная схема автоматической системы управления курсом судна типа "Аист" с гидроприводом ГП руля, выпускаемой отечественной промышленностью.

В системе "Аист" используется сельсиноизмерительное звено курса, которое состоит из сельсина-датчика , связанного с гирокомпасом и сельсина-приемника курса . Механическая передача МП осуществляет алгебраическое суммирование углов поворота и штурвала , которым устанавливается заданный курс.

Рис. 4.3. Развернутая функциональная схема авторулевого.

Угловое перемещение на выходе МП пропорционально углу отклонения судна от заданного курса, т. е. углу рыскания . Сельсин-датчик управляющего сигнала преобразует угол рыскания в переменное напряжение управляющего сигнала. Блок коррекции который состоит из дифференцирующего ДУ и интегрирующего ИУ устройств, вырабатывает сигналы, пропорциональные первой производной и интегралу от угла рыскания. Электродвигатель исполнительного механизма ИМ через редуктор и рычажную передачу управляет гидроприводом ГП (рулевой гидравлической машиной). Сельсин работающий в трансформаторном режиме, вырабатывает сигнал обратной связи по положению руля , а сельсин служит для получения сигнала обратной связи по положению штока золотника гидроусилителя.

Рис. 4.4. Принципиальная схема авторулевого "Аист"

На входе усилителя У суммируются управляющий и корректирующие диф. сигналы, а также сигналы обратных связей .

На принципиальной схеме соединения приборов (рис. 4.4) показано, что суммирование сигналов происходит на переменном токе (частота 50 Гц). Для этого обмотки сельсинов , а также выходные трансформаторы дифференцирующего и интегрирующего устройств соединены последовательно и подключены на вход полупроводникового усилителя, который усиливает сигнал и подает его на управляющую обмотку двигателя исполнительного механизма.

Конструктивно система оформлена в виде пульта управления и гидравлического привода. В пульте управления ПУ расположены сельсины блок БК (включающий в себя фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, дифференцирующее и интегрирующее вычислительные устройства на базе усилителя постоянного тока УПТ и преобразователя , а также полупроводниковый усилитель У. На пульте управления установлен штурвал, который служит для управления курсом в автоматическом и следящем режимах. Штурвал связан с механическим дифференциалом МД и муфтой проскальзывания установленной для того, чтобы не сломать штурвалом механический ограничитель сельсина , так как штурвал имеет неограниченный угол поворота.

На лицевой панели пульта управления расположены шкалы грубого и точного отсчета курса и шкала указателя руля, подвижный индекс, стрелки заданного и истинного положений руля, переключатель режимов управления на три положения, рукоятки устройств настройки, регулирующих коэффициенты дифференцирующего звена и обратной связи по рулю.

В качестве исполнительного механизма для управления насосом регулируемой подачи используется прибор ИМ (см. рис. 4.4). В приборе ИМ расположен двигатель исполнительного механизма с редуктором сельсин пружинный нульустановитель и рукоятка управления. Исполнительный механизм размещается непосредственно на насосе.

На судах устанавливают две независимые, резервирующие друг друга системы управления, что обеспечивает высокую надежность процесса управления курсом судна.

При нажатии на пульте управления кнопки "Автомат" СУ переходит в режим автоматического удержания, и судно идет прямым курсом, совершая около него небольшие колебания (рыскание). При отклонении от заданного курса под влиянием возмущающих воздействий гирокомпас отмечает величину этого отклонения с помощью (см. рис. 4.4). Сельсин , связанный с синхронной передачей, повернется на тот же угол и соответственно развернет . В результате на выходе появится напряжение пропорциональное углу рыскания. Так как напряжение с сельсина поступает на блок коррекции то в нем

вырабатывается напряжение пропорциональное первой производной от . Сигналы суммируются на входе усилителя У. Усиленный сигнал поступает на , который через редуктор поворачивает и одновременно через рычажную передачу РП перемещает шток системы золотник-поршень гидроусилителя . Последний приводит в действие насос регулируемой подачи , осуществляющий перекладку пера руля с помощью гидравлического привода к баллеру ГП.

Сигналы обратной связи, снимаемые с сельсинов и вычитаются из основных сигналов, и, когда эта разность равна нулю, вращение прекратится, а руль будет переложен на определенный угол. Под действием момента, создаваемого рулем, судно начнет возвращаться на заданный курс. При этом СДК вращается в обратную сторону и СПК возвращает сельсин в нулевое положение.

Если рыскание судна несимметрично, то начинает работать интегрирующее устройство, сигнал которого автоматически смещает руль на определенный угол так, чтобы компенсировать момент внешних сил, вызывающих несимметричное рыскание. Гирокомпас отметит величину и направление сноса с помощью сельсина . Принимающий сельсин курса повернется на этот же угол и через механическую цепь повернет ротор сельсина-датчика . Сигнал с поступит на вход усилителя и одновременно на вход блока . С выхода БК напряжение ииит поступит на вход усилителя У и просуммируется с основным сигналом рассогласования по курсу. Руль переложится на угол, соответствующий входному суммарному сигналу. В результате судно начнет возвращаться на заданный курс, а руль займет положение, отличное от нулевого и обусловленное величиной . При этом сигнал, снимаемый с равен нулю, а напряжение скомпенсировано напряжением обратной связи, снимаемым с сельсина . Угол руля автоматически будет выбран таким, чтобы гидродинамический момент, создаваемый рулем, равнялся моменту, создаваемому возмущающим воздействием. В этом случае судно идет заданным курсом.

Рассмотрим работу системы при вводе градусных поправок. Предположим, что требуется изменить курс судна на вправо. Поворотом штурвала вправо перемещают ротор сельсина-датчика на угол, соответствующий изменению курса на Напряжение сигнала, пропорциональное углу поворота штурвала поступит на вход с усилителя и далее на электродвигатель. Перекладка руля вправо приведет к тому, что судно тоже начнет поворачиваться направо. Когда угол поворота судна достигнет сельсин гирокомпаса через синхронную связь с сельсином возвратит в нулевое положение, и руль вернется в исходное состояние.

Возможна работа системы в следящем режиме управления рулем. При этом отключается сельсин-приемник курса (главная обратная связь) и блок . В основном схема работает так же, как и в режиме изменения заданного курса путем введения градусных поправок. Угловое положение руля при этом соответствует угловому положению штурвала пульта управления.

Конструкция системы позволяет варьировать коэффициенты закона управления (4.7) путем изменения усиления в канале обратной связи по рулю и в дифференцирующем устройстве. Этим создается практическая возможность оптимизации работы авторулевого согласно критерию (4.6) при изменении условий плавания (скорости и направления хода, интенсивности волнения, ветра, течений, загрузки судна и т. п.).