Динамични характеристики на кораба като обект на управление

През последните години водоизместването на транспортните кораби (т) се е увеличило 10—20 пъти, скоростта на хода (V) —1,5—2 пъти. Следователно количеството на движение (тV), което е необходимо да се изменя при управление на движение­то на корабите, се е увеличило 15—40 пъти, достигайки 10⁶tm/s и повече.

Затова при сравнително малки управляващи силови въздей­ствия за изменение на режима на движение на кораба е необ­ходимо продължително време.

Съвкупността от навигационни свойства на кораба, осигуря­ващи преместването му в нужното направление с необходимата скорост, се нарича маневреност нЬ кораба.

Маневреността на кораба не е постоянна. Тя се изменя под влияние на скоростта, натоварването, крена, диферента, обра-стването на подводната част на корпуса, плитководието, вълне­нието, вятъра и т. н. Да разгледаме влиянието на най-съще­ствените от тях.

Преместването на кораба създава предпоставки за работа на руля, при това колкото по-голяма е скоростта на хода, тол­кова по-добре корабът се подчинява на руля. При заден ход скоростта спада, на руля престават да действуват струите на винтовете и в резултат на това поврътлнвостта на кораба се •влошава.

Оста на въртене на кораба преминава през центъра на си­лите на съпротивление и няма постоянно положение. При дви­жение на кораба напред тя се разполага по-близо към носа (на разстояние 0,2—0,3 от дължината на кораба от форщевена), а при движение назад тя се премества към кърмата. Зато-за моментът на силите, които завъртат кораба на преден ход, са по-големи, отколкото на заден.

Изменението на разположението на товарите води към пре­местване на центъра на тежестта и към изменение на момента на инерцията на кораба. Ако нрсовата или кърмовата част са много натоварени, корабът се завърта по-бавно и трудно се връща на курса. При крен корабът се отклонява към страната на възвишения борд. При диферент на носа скоростта на хода се намалява, появява се рискливост, но кърмата по-леко се от­клонява встрани под действието на руля и на винта. При ма­лък диферент на кърмата скоростта малко се увеличава, но управляемостта се влошава. Големият диферент на кърмата во­ди до рязко понижаване на скоростта.

Обрастването на подводната част на корпуса с морски орга­низми също води към намаляване на скоростта на хода и към влошаване на управляемостта.

При плаване в плитководие и в тези канали се създава до­пълнително съпротивление на водата при движението на кора­ба, който губи до 20—25% от скоростта си, появява се рискли-вост, наблюдава се отклонение на носа в страната на по-голе­мите дълбочини.

Вълнението помага за рискливостта на кораба. Винтът и рулят временно се оголват, ксето води към влошаване на ма­невреността.

Силно влияе вятърът на корабите, които имат високи над­

Течението влияе на управляемостта на кораба: при движе­ние срещу течението той се управлява по-добре, отколкото по течението; страничното течение отклонява кораба от курса.

Увеличаването на тонажа и употребата на булбообразни но­сови части също водят към влошаване на маневреността на ко­рабите.

Липсата на въртящи моменти на силите, които еднозначно определят движението на носовия и на кърмовия край на ко­раба при различни влияещи фактори, не позволява да се фор­мализират операциите на маневрирането и да се поставят изи­сквания към системата за автоматизация на тези процеси.

Управлението на еднсвинтов големотонажен кораб в сложни условия придобива характер на изкуство и се постига с продъл­жително натрупване на опит и навици в реални условия.

Това изисква да се съдействува за внедряване във флота на ефективни спомагателни маневрени средства (подрулиращи устрой­ства, активни рули, въртящи се наставки, нови типове движи-тели, спиращи устройства^, да се развръщат работите по коли­чеството и логическото описание на взаимните връзки между различните сили и фактори, които действуват на кораба, като се отчитат и типовите му особености.

На динамиката на кораба като обект на управление са пое" ветени голям брой фундаментални изследвания. В редица рабо­ти е показано, че с достатъчна за практическото използуване точност динамиката на изменение на курса и на скоростта на хода може да бъде описана със сравнително прости зависимо­сти, отразяващи натуралните наблюдения. Да разгледаме ня­кои резултати от тези изследвания.

Завъртването на ДР на кораба около вертикалната ос под действие на отклонението на руля (З_к се описва приблизително с диференциалното управление от втори ред

където k1, Т₁ са коефициентът на преобразуване и временна­та постоянна на кораба по ъгъл на завоя;

Решението на уравнение (3.49) се представя със зависимо­стите

и
(50)

където е установяващата се ъглова скорост на вър­тене. Графично тези функшш са дадени на фиг. 3.25, а, б (t_уСт = ЗТ₁).

където е установяващата се ъглова скорост на вър­тене. Графично тези функшш са дадени на фиг. 3.25, а, б (t_уСт = ЗТ₁).

В зависимост от натоварването на кораба, от скоростта на хода и от отклонението на руля параметрите k1 и Т1 за кора­бите от морския флот се изменят в гранилите k1 = 0,01 — 0,08 s*¹, Т1= 15-40 s.

За някои типове кораби от морския флот тези значения са дадени на табл. 3.1.

Характерът на изменението на k1 и Т₁ в зависимост от ве­личината на отклонението на руля и от скоростта на хода за танкер „Белград'' (с товар) е показан на фиг. 3.26, а, б с .ма­тематическите зависимости:

За пълен ХОД (ПХ)
при 5°<β<30°


за среден ход (СХ)
при 10°<β<30°

Едновременно с изменението на направлението на движение­то скоростта на хода на кораба значително спада. Величината

където е коефициентът на пропорционалност за даден танкер , той е равен на 0,33 възла/градус или 0,173 метра/сек.град.

По такъв начин процесът на изменение на скоростта на хо­да на циркулация може да се опише със съотношенията

Процесът на изменение на скоростта на движение при управ­ление с движителя се описва с функции от два вида. На фиг. 3.29 са показани експерименталните данни за намаляване на скоростта на хода при спиране и реверс на винта.

Както се вижда при реверс процесът протича равнозакъснително (криви 1, 2, 3), а при намаляване на оборотите и при спиране на винта проце­сът се подчинява на експоненциалния закон (криви 4, 5, 6).

При маневриране даже при ростта на хода при спиране и реверс на винта. Както се вижда, такива радикални въздействия като реверс на машината, от „пълен ход напред" на „пълен ход назад" спирачният път и времето за спиране представляват значителни величини.

За различните типове кораби с различно водоизместване те­зи параметри са дадени в табл. 3.2.

При този вид въздействия е необходимо да се отчита време­то за закъснение t_у при отработването на управляващия сигнал от системата. Това време характеризира взаимодействието на комплекса управляващ орган — регулатор — силова установка. В зависимост от типа на силовата установка и от средствата за предаване на сигнала това време може да е сравнително голямо — до 50—60 s — и при частично изменение на скоростта да достига до 25-30% от времето на преходния процес.




фиг.3.29 фиг.3.30

С отчитане на това закъснение процесът (фиг. 3.30) на из­менение на скоростта на хода VД(t) ще се описва със следните съотношения:

Тук T_Т е времето за пълно спиране при реверс; Vд.уст — установената (зададената) скорост на хода;

T_В — временната постоянна на кораба, свързана със спада­нето на скоростта на хода при намаляване на оборо­тите на винта.

Зависимостите (3.49), (3.51), (3.53), (3.54) позволяват да се намерят предавателните функции на тези части на системата за управление на кораба (СУК), които се получават в следния вид:

при изменение на направлението на вектора на скоростта на движение на центъра на тежестта на кораба

(3.56)
при намаляване скоростта на хода при изменение на режима на работа на движителя (винта)

На фиг. 3.31, 3.32 са дадени кривите на изменение на вре­мето и относителният диаметър на циркулация О_ц на корабите във функция от ъгъла на отклонение на руля (З_к (крива ) — на танкер „София"; 2 — на параход „Джанкой", 3 — на параход „Углегорск"). Те потвърждават известните положения за раз­личната поврътливост на кораба на ляв и на десен борд (л/б, д/б) и характеризират необходимите резерви от време и сво­бодно пространство за извършване на маневрата. Например при ъгъл на отклонение на руля 20° за извършване на циркулация на параход „Джанкой" са необходими около 800 т свободно пространство и 7,5 гшп време.

5. СТРУКТУРА НА СИСТЕМАТА ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА КОРАБА, ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ОСНОВНИТЕ Й ЗВЕНА
Управлението предвижда въздействие върху обекта с цел да го приведе от едно състояние в друго. При това се подразбира, че управляващата част на системата достатъчно точно отразя­ва даденото състояние на обекта, което трябва да се постигне, както и начините на изработване на подходящи въздействия.

Липсата на яснота в законите на движение на обекта под влияние на управляващите въздействия, ограничеността в избора на самите въздействия и външните случайни смущения създа­ват разсъгласуване на ефекта на управление със съставената програма.

Необходимо е своевременно да се коригират управляващите въздействия или да се измени програмата и да се избере един. от запасните варианти за постигане на целта. Колкото по-го­леми са възможностите за привеждане на обекта от едно състоя­ние в друго, толкова по-леко е управлението. Колкото по-гриж­ливо са изучени информационните връзки и динамичните ка­чества на елементите на системата за управление, колкото по-точно са изработени алгоритмите за управление, толкова по-точени ще бъдат ефектът и границите на управление.

" Структурната схема на СУК, включваща корабоводителя /, е дадена на фиг. 3.33 и се отнася към системата „човек-тех­ника".

Информацията за външната обстановка и за текущото състоя­ние на управляемия обект 8 постъпва по различни канали от приборите 2, 3 и ст системите 10 за измерване на навигацион­ните параметри.

Към изпълнителната част на СУК са отнесени основните системи за "управление на винта 4, на руля 5, както и спома­гателните - подрулирващи, спирачни и котвени устройства 6, които в определени условия може да се използуват отделно и съвместно. В обратната връзка на СУК е внесен насрещният кораб 7, спрямо който се управлява движението на обекта при разминаване на корабите.

В сложни условия на плаването в системата за управление се включва допълнителният контур на управляващата част на СУК —капитанът, който поема редица задължения по управле­нието. Възникват.допълнителни дублиращи информационно-кон-тролни връзки 10, 11. Аналогично е включването в СУК на информационно-управляваща изчислителна машина (ИУИМ) 9, с което значително се подобряват качествените показатели на системата за управление — бързодействие, точност, надеждност, пропускателна способност.

Структурата на системата и изборът на информационните и управляващите канали обикновено се изменят в зависимост от условията и ограниченията на външната среда, от надеждността на техническите средства и от другите обстоятелства на плава­нето. При добра видимост работи главно контурът корабоводител / — изпълнителни системи (4, 5, 6)—обект 8—информацион­ни блокове (2, 3, 7, 10). При ограничена видимост сигналите на информационните блокове 2, 3 се преобразуват от корабово­дителя в показатели на реалната обстановка. Това преобразува­не е една от най-трудните умствени дейности и изисква развито образно мислене.

Техническите характеристики и особеностите на експлоата­цията на приборите и на системите, които влизат в техническа­та част на СУК, се излагат в съответните курсове на корабо-водителската специалност.

Работата и задълженията на корабоводителя като управля­ващо звено на СУК може да се разделят на три части, изпъл­нението на всяка от които изисква от него различни качества, които се свеждат до следното:

Задължения по експлоатяпията и наблюдението (_За курса, скоростта, външната обстановка), различни изчисления (изчисле­ното или обсервованото място, поправките на приборите и т. н.), действия по водене на кораба към пункта на пристигането по из­образения маршрут.

на обкръжаващата обстановка и да са насочени към осъществя­ване на рейса при най-благоприятни обстоятелства от гледна точка на икономиката, безопасността и качественото доставяне на товара. За изпълнението им е необходимо да се следят ме­теорологичните условия на плаването (местните, в пункта на пристигането и прогнозираните), умело да се избират пътят на движение, маневрите при разминаване и т. н.

Работи, рядко възникващи, но съвършено необходими, които корабоводителят изпълнява извън работното си място и изискват добра физическа подвижност, спокойствие и хладно­кръвие.

Корабоводителят, и то изкусният корабоводител, е човек, овладял необходимите специални знания, притежаващ разумна инициативност и способност критично да оценява обстановката и да предвижда събитията, т. е. такива качества, които са ха­рактерни за човешкия ум. Той организира процеса на движение и координира работата на всички елементи на СУК, като ги свързва в единно цяло.

От друга страна, активната му дейност зависи от различни фактори,като влияние на обкръжаващата обстановка,здравословно­то състояние, режима и продължителността на изпълняваната рабо­та. Тези фактори може да намалят ценността му като специа­лист или да повишат неговата способност и активност.

Особено голямо влияние върху качеството на дейността на корабоводителя оказва появяващата се в процеса на работата умора. Умората намалява качеството на възприемане на обкръжа­ващата обстановка, води към спадане на енергията и бързината на реакцията, влошава умствената дейност, което на свой ред предизвиква грешно насочени действия. Умората на човека опе­ратор не влияе еднакво на отделните видове работа. Особено ра­но започват да се влошават своевременността и надеждността на откриване на светлинни сигнали и оценката на информаци­ята, както и способността за вземане на решения, свързани с оценката на голям брой фактори и нееднозначни алгоритми

на решение.

Времето, необходимо за оценка на опасността от сближение на корабите в носови курсови ъгли, понякога достига 80% от цялото време за намиране на знака на насрещния кораб на екрана на РЛС. Очевидно при тези ситуации създаденият дефи­цит от време води към избор на решения и действия в условия­та на някаква неопределеност в знаенето на обстоятелствата на сближение, което съществено влияе върху резултата.

Загубите на време за разпознаване на опасния кораб по от­ношение на цялото време за намирането му на екрана на РЛС, също и през време на вахтата, непрекъснато нарастват, като в края на В)ахтата достигат 50—90%.

Времето за оценка на информацията и за вземане на реше­ние в значителна степен зависи и от тренировката на оператив­ното мислене на корабоводителя.

Изследванията на сравнително прост тренажор показват ефек­тивността от тяхното използуване (фиг. 3.34). Математически кривите (1, 2, 3) за обучаване на корабоводителя в зависимост от броя на тренировките може да се изразят с. Формулата

където п е броят тренировки 1, 2, 3, . . .;

кретните групи обучаеми (табл. 3.3).

Величината В = 1--2 гшп може да се приеме за критерий на обучаемост на корабоводителя по оценката на радиолокационна-та информация и по вземането на решение за маневра.
Използуването на тренажорите, които възпроизвеждат реална­та картина на процеса с отчитане на логиката и динамиката на поведение на насрещния кораб, позволява да се изработят навици за бързо намиране на вярното решение във всяка кон­кретна ситуация, тъй като тя ще се представи във вид на из­вестна, вече решена задача.

Фиг. 3.34

След тренировката у корабоводите­ля се формират по икономични алго­ритми на търсене. Извършват се обе­диняване на параметрите на ситуация­та и формиране на някои обобщени оценки, спрямо които се разпределят възприеманите обекти във всеки кон­кретен случай. Създаването на систе­ми за индикация, в които са обединени информационните сигнали в пространст-зено-временни структури, които най-пълно отразяват тези оценки, е ефек­тивен метод за намаляване ка греш­ките и за повишаване на пропускна-та способност на корабоводителя.

Общото време за преминаване на сигнала по контура на СУК включва

времето за получаване на изходната информация от контрол-

но-измервателните системи '— ,

времето за преработване на информацията, за оценка на резул­тата и за вземане на решение — ,

времето за реализиране на решението — формирането на ко­манди и предаването им на изпълнителния орган —

времето за изменение на състоянието на обекта (маневрата)

на преходния процес —

Продължителността на изпълнение на всеки етап в едни или други условия от конкретна СУК в общ случай е случайна ве­личина с някакво математическо очакване.

Оценката на времето може да се получи въз основа на из­числените преходни процеси, от статистически наблюдения или в резултат на експериментални данни. В последния случай се получават така наречените песимистични t_пj и оптимистични t_0j оценки за продължителността на изпълнението.

Песимистичното време е онази максимална продължителност» с която се изпълнява етапът при най-малкозероятни и небла­гоприятни обстоятелства, а оптимистичното — минималната про­дължителност на изпълнение на дадения етап при най-благо­приятни условия.

Както се вижда, най-значителни са загубите на време за по­лучаване и обработване на радиолокационната информация и за изпълняване на маневрата за изменение на скоростта на дви­жение в условията на лоша видимост.

Нормалното функциониране на техническата част на СУК от гледна точка на осигуряване на безопасността на плаване зави­си от много фактори (конструктивни, условия на експлоатация, организация на обслужване).
Приблизителните оценки на надеждностните характеристики на основните звена на СУК на горския флот, получени от ре­дица изследвания, са дадени в табл. 3.5.

Всяко техническо звено има достатъчно висока вероятност р(24) за безотказна непрекъсната работа в течение на деноно­щията. Ако обаче системата за корабоводене включва комплекса от звена 1—6, вероятността за това, че тон ще функционира нормално в течение на 24 Ь, е равна само на р_Нф(24) = 0,70. Тъй като не може да се осигури дълга и непрекъсната работа в

продължителните рейсове, на корабите широко се прилага дуб­лирането и заменянето (фиг. 3.35) на техническите средства, работещи на различни физически принципи (осигурява се добра ремонтоспособност). Човекът не може да се изключи от структу­рата" на СУК, тъй като осигуряването на нормалната работа на техническите й възли е основно задължение на членовете на еки­пажа на кораба.

Техническото осъществяване на автоматично получаване, обра­ботване и индикация н!а обобщена информация за външната обстановка и за параметрите на движение на надводните обекти чрез система РЛС—ЦИМ е предпоставка за автоматизация на процесите на разминаване на корабите в море.

На автоматизация подлежат функциите на първичното обра­ботване на получените сигнали (отделяне на полезните сигнали, отразени от интересуващите ни външни обекти и цели, на фо­на на смущенията; оценка на координатите на откритите обекти; преобразуване на информацията в кодове за ЦИМ) и на вто­ричното обработване на информацията (определяне на 'раекто-риите на движещите се обекти по съвкупността на периодично получаваните от РЛС сигнали; изчисляване на параметрите на движение на обектите — курс, скорост и т. н.; намиране на преди изчислените координати за някакъв интервал от време и следенето им; индикация на обкръжаващата обстановка и управле­ние на изображението й на екрана).

Автоматизацията на тези функции може да бъде частична и пълна.

В полуавтоматизираните системи от типа „Омега", Дека-ТМ-96" са автоматизирани само операциите на вторичното обработване, тъй като те имат изчислителен характер, а задачите на първично­то обработване се изпълняват с помощта на оператора корабо-водител.

Опростената схема на работа на полуавтоматизираната систе­ма за обработване на радиолокационната информация е пока­зана на фиг. 4.1.

Операторът корабоводител открива на екрана и маркира (стробира) интересуващата го цел (знака на целта /, траекто­рията на движение на маркера 2,Т_ОГ — периода на оглеждане) със специално устройство — маркер или подвижен кръг за ди­станция (ПКД) — ис визира, като изпълнява тази операция 2—3 пъти. В изчислителното устройство се изработват екстрапо-
лираните координати на целта и скоростите на тяхното измене­ние, |с които се движи след това изображението на целта на екрана. При това операторът изпълнява ролята на елемент за сравнение и за изправяне на разсъгласуването на действителния знак с маркера и работата на системата се ограничава до спо­собностите му да изпълнява тези операции.

В някои системи („Дата Бридж" на фирмата „Норконтрол", „Спери-Ренд") автоматичното й захващане и по-нататъшното сле­дене на целта се извършват, след като маркерът се постави вър­ху изображението й.

В по-съвършените системи („Бриз'\ „Диджиплот" и др.) функциите на първичното обработване на информацията, т. е. на откриване на целите, на автоматичното им захващане, из­мерване на координатите, тяхното кодиране и по-нататъшното предаване на данните, са напълно автоматизирани.

Блок-схемата на такава система е дадена на фиг. 4.2. Освен обикновения комплект РЛС в системата влизат редица специфич­ни устройства [15] за откриване на отразени сигнали, за кодиране на координатите на целите и за предаването им, буферно за­помнящо устройство, цифрова изчислителна машина, допълни­телен контролен индикатор — екран.

Около получения знак 1 на целта ЦИМ формира пръстен с външен радиус, равен на Vmах- Тоб, и с вътрешен - V_тmin. Тоб.

По такъв начин ЦИМ непрекъснато наблюдава всяка цел поотделно и координатите на нито една цел не може да се сбъркат с координатите на друга, тъй като се анализират траекториите на тяхното движение (фиг. 4.4).,

Случайното загубване на целта при някакъв цикъл на оглеждане не прекъсва следенето й. В този случай вместо действителните координати се отчитат предварително изчислените координати за.предидущия цикъл от измервания за изчисляване на предварителни координати за следващия цикъл, т.е. извършва се изчисляване на координатите на движещата се цел. Машината като че ли възстановява целта при случайно и кратковременно загубване.

Грешките в екстраполацията на координатите намаляват разрешаващата способност на РЛС -ЦИМ, особено при първите (след появяване на целта) цикли на измервания на координатите, когато траекторията на целта не е достатъчно ясна. При следващите цикли на измерване на координатите законът за преместване на целта се определя по-точно и областта на не-определеност автоматично се намалява. В края на краищата областта на неопределеност ще харак-теризира. само неточното определяне на траекторията на целта (поради грешки в измерването на координатите и- поради възможностите оелите да извършват маньовър през врем е на екстраполацията).

Тъй като при изчисляване на скоростта на целта по измерените й координати се получават по-големи грешки, траекторията на целта и нейното прогнозиране (екстраполация по време) се определят чрез изглаждане и усредняване на величината и посоката на скоростта на движение на целта.

Изглаждането се състои в това, че координатите на целта л скоростите на изменението им се определят, като се отчитат редица предидущи измервания. Предидущите измервания трябва да се отчитат така, че ролята на по-ранните измервания постепенно да се намалява. Затова редица измервания се усредняват, като всяко от тях се умножава на тегловен коефициент, който намалява по някакъв закон при преминаване към по-ранните измервания.