4.3. Система стабилизации путевого угла

Предположим, что система стабилизации курса идеально реализует свою функцию управления и угол рыскания судна в любой момент времени равен нулю. Продольная ось корабля направлена по заданному курсу (рис. 4.5). Однако этого оказывается недостаточно, чтобы достигнуть заданной конечной точки прямолинейного галса. Вектор скорости корабля отклоняется, от продольной оси на угол дрейфа под влиянием боковых сил внешнего воздействия. В результате появляется боковой снос, скорость которого определяется выражением

.

Для большинства морских подвижных объектов, двигающихся со значительными скоростями, в нормальных ходовых режимах величина угла дрейфа невелика и скорость бокового сноса существенно меньше скорости продольного перемещения. Но в некоторых случаях боковой снос оказывается существенным. Это прежде всего относится к судам на воздушной подушке, которые, не имея непосредственного контакта с водой, могут двигаться с углами дрейфа . Соответствующий боковой снос составляет при этом от прямолинейного пути. На каждых 10 милях уклонение от маршрута составит мили. Это отрицательно сказывается на всем процессе плавания судна и выполнении им своего функционального назначения.

Рис. 4.5. Неконтролируемый боковой снос судна.

Рис. 4.6. Ориентация вектора скорости судна в горизонтальной плоскости.

Значительные углы дрейфа имеют и некоторые водоизмещающие суда, которые по своему назначению вынуждены двигаться с малыми скоростями хода, соизмеримыми со скоростями течений в океане. К ним относятся научно-исследовательские суда, выполняющие геолого- геофизические исследования или поисково-разведочные работы. По условиям работы технологического оборудования эти суда имеют скорости хода в диапазоне . При этом боковое течение со скоростью может привести к существенному неконтролируемому сносу.

Избежать некотролируемого бокового сноса позволяет система стабилизации путевого угла (СПУ), которая осуществляет автоматическую ориентацию вектора скорости судна в заданном направлении движения. Функция управления такой системы заключается в минимизации отклонения путевого угла от заданного курса (рис. 4.6).

Цель управления может быть достигнута путем компенсации или парированием дрейфа. В первом случае технические средства управления должны создавать боковую силу, способную компенсировать влияние возмущающих факторов. Такими возможностями располагают подруливающие устройства и винтовые движительно-рулевые колонки. Если на судне они имеются, то управление движением может быть организовано таким образом, чтобы угол дрейфа был равен нулю. Тогда система стабилизации курса одновременно обеспечивает и стабилизацию путевого угла (4.7).

Парирование дрейфа (рис. 4.8) достигается поворотом судна в направлении действия боковых возмущающих сил на угол рыскания, равный углу дрейфа . Достоинство такого способа управления движением является возможность обходиться без специальных технических средств, создающих управляющую боковую силу. Обычный вертикальный руль может обеспечить требуемый разворот корабля в ходовом режиме. Кроме того, парирование дрейфа сопровождается меньшими энергетическими затратами, так как движение с косым обтеканием корпуса потоком жидкости или воздуха при ненулевых углах дрейфа происходит с меньшим сопротивлением, чем преодоление бокового потока при компенсации дрейфа.

Рис. 4.7. Компенсация дрейфа судна.

Рис. 4.8. Парирование дрейфа судна.

Система стабилизации путевого угла (ССПУ), построенная по принципу парирования дрейфа, представляет собой модификацию системы стабилизации курса. Она должна содержать дополнительную обратную связь по углу дрейфа. Поэтому в закон управления добавляется одно слагаемое

Кроме того, поскольку основной стабилизируемой переменной является отклонение путевого угла, для обеспечения структурного астатизма системы интегрирующая обратная связь организуется по разности углов рыскания и дрейфа. По этой же причине оценку качества работы ССПУ следует вести по средневзвешенному дисперсионному критерию, который содержит слагаемое, пропорциональное дисперсии путевого угла вместо дисперсии угла рыскания

Для реализации закона управления (4.9) необходимо, чтобы информационное обеспечение системы измеряло полный вектор состояния управляемого объекта и исполнительного органа. В дополнение к приборам измерения состояния, которыми располагает система стабилизации курса, на борту МПО нужен измеритель угла дрейфа. В существующих приборах дрейф определяется путем замера боковой и продольной скоростей поступательного движения центра масс относительно неподвижной базы

Такими приборами являются двухкоординатные абсолютные лаги -измерители скорости, построенные на принципе Доплера.

Доплеровские измерители скорости (ДИС) существуют в двух исполнениях, различающихся по несущей частоте излучения.

Суда на воздушной подушке имеют высокую скорость хода, неподвижной базой для них может считаться поверхность воды. Относительно воды определяются скорости перемещения СВП. Для этого используют ДИС с радиоизлучением, которое распространяется в воздухе и отражается от воды. Радиоизлучению свойственна высокая несущая частота, это определяет сравнительно небольшие массу и габариты прибора.

Для водоизмещающих судов неподвижной базой может считаться только поверхность дна. Поэтому на них используют гидроакустические ДИС. Сравнительно низкая несущая частота гидроакустического излучения приводит к значительным массогабаритным характеристикам приборов.

Двухкоординатные абсолютные лаги в настоящее время представляют собой достаточно сложные и дорогие устройства. Это ограничивает область применения систем стабилизации путевого угла.