CC BY
12Л.С. Грошева, В.И. Плющаев
Адаптивный алгоритм удержания судна с колесным движителем на курсе ка, к т , к0,— коэффициенты пропорциональности.
При использовании алгоритма, реализованного на базе вспомогательной функции (2) в системе возникает статическая ошибка при ветровом воздействии (отклонение от заданной траектории). Существенное влияние на ее величину оказывает коэффициент к0. Его увеличение снижает величину отклонения от заданной траектории, но увеличивает колебательность переходного процесса [4]. В [5] предложен алгоритм управления с автоматическим выбором величины к0, обеспечивающий минимизацию величины отклонения судна от курса при сохранении устойчивости в любых условиях плавания. Однако указанный алгоритм не обеспечивает полное устранение статической ошибки.
Влияние направления ветра на судно (при одной и той же скорости ветра) продемонстрировано на рис. 1. При боковом ветре (ф = п/2) наблюдается максимальное отклонение судна от траектории (около 2 м). Ошибка снижается до нуля при попутном ветре (ф = 0).
¿У, М 2.5 2 1.5 1
0.5 0
-0.5 -1 -1.5
1 1ГН1 ';пп чип /то кпп кпп /пп нпп
X, м
ф = п/2 _
ф = п/3
- L-— ф = п/6 _
ф = 0
V- г г ф = -п/3 - г г г г
100
200
300
400
500
600
700
800
Рис. 1. Зависимость величины отклонения судна от заданной траектории от направления ветра
Один из способов снижения статической ошибки - компенсация ветрового воздействия за счет изменения величины и направления вектора тяги гребных колес (формально это сводится к изменению заданного значения курса а2 в (2) в зависимости от условий плавания - поворот носа судна к заданной траектории движения):
а7= а7 - Да,
где Да - вводимая поправка.
С введением поправки Да можно получить любое отклонение от заданной траектории. На рис. 2 приведены траектории судна при введении различных поправок в (2). Однако выбор величины поправки Да затруднен тем обстоятельством, что она зависит от трех переменных: силы ветра, направления ветра и скорости судна.
Легко подобрать значение поправки для постоянных условий плавания. На рис. 3 приведены траектории движения судна с V = const, v = const. Без поправки отклонение составляет 2 м, с поправкой - отклонение отсутствует. Однако изменение внешних условий (направление ветра меняется с ф =п/2 на ф = п/4) приводит к значительному увеличению отклонения (примерно до -1 м) при сохранении неизменными двух других параметров V = const, v= const.
Ду,м 25 2
1.5
1
0 .5 0
-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5
Да = О0
¡[\_ Да = 70 '
\
\ Да = 140 .
100
200
300
400
500 600
х,м
Рис. 2. Влияние поправок Да на величину отклонения судна от заданной траектории
Ду,м 2.5 2 1.5 1
0.5 0
-0.5 -1
0
100
200
Ф = п/4 с коррекцией
300 400 500
600 х,м
700
Рис. 3. Влияние поправок Да на величину отклонения судна от заданной траектории при изменении направления ветра
Величину поправки курсового угла при ветровом воздействии (Vе) можно вычислить как
(
Да = агс8т
V1
\
зт(ф-а г ) =
2 + V2 + 2 2 *яи(ф-а)
= аГС8т(Ж) 8Ш (ф - а )
В графическом виде зависимость Да (3) представлена на рис. 4. Выбор значения поправки, лежащего на поверхности (3) обеспечивает нулевое отклонение судна от заданной траектории. Однако на практике, для выбранной на поверхности (3) точки
имеем некоторое значение параметра V жестко обуславливающее взаимосвязь между векторами скоростей ветра и судна. При «подстройке» под действующий ветер (что осуществляется изменением скорости судна и изменением его курса), параметр V изменяется (т.е. рабочая точка покидает поверхность рис. 4). Это приводит к возникновению ошибки (отклонению судна от заданной траектории). Однако величина этой ошибки не превышает десятков сантиметров, что приемлемо для практики.
Аа, рад
2
ф-аг, рад
Рис. 4. Зависимость поправки от условий плавания
На рис. 5 представлены результаты моделирования при трех значений ветрового воздействия V на судно с корректирующей поправкой (вычисленной по (3)) и без нее. Коррекция существенно снижает отклонение судна от заданной траектории при воздействии ветра.
Рис. 5. Зависимость величины отклонения судна от заданной траектории с коррекцией по (3) и без для ф = п/2
Изменение положения диаметральной плоскости судна (угла дрейфа) при выходе на заданную траекторию движения (для V = 0,2 и ф = п/2) представлено на рис. 6. Точки на траектории движения расположены через равные промежутки времени. Картина имеет качественный характер. Угол дрейфа равен
адр = агсщ
\Дх
где Ау и Ах - проекции линии диаметральной плоскости на оси у и х, соответственно. Поскольку масштабы по осям существенно отличаются, углы дрейфа на рис. 6 не соответствуют действительным.
Ау, м
1.5
0.5
-0.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
а). Ах, м
Ау, м
2
1.5 -
0.5 -
-0.5 -
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
б).
Ах,
Рис. 6. Изменение положения диаметральной плоскости судна (для V = 0,2 и ф = п/2 ): а). без корректирующего воздействия; б). с корректирующим воздействием, вычисленным по (3)
0
м
Действительные значения углов дрейфа приведены на рис. 7. В обоих случаях (с корректирующим воздействием и без) в равновесном состоянии устанавливается один и тот же угол дрейфа, но использование корректирующего воздействия (формула (3)) форсирует установление оптимального угла дрейфа, и как следствие, существенно снижает отклонение от заданной траектории. Это проиллюстрировано на рис. 8.
г, с
Рис. 7. Изменение угла дрейфа (для V = 0,2 и ф = п/2 ): 1 - без корректирующего воздействия; 2 - с корректирующим воздействием, вычисленным по (3)
На рис. 8 приведено сечение фазового пространства в плоскости отклонение от траектории - угол дрейфа (кривая 1 - без коррекции, кривая 2 - с коррекцией) для трех значений параметра V, определяющего силу ветра (направление ветра - ф = п/3). На рисунке через точки равновесия (установившееся движение по заданной траектории с фиксированным углом дрейфа) проведены пунктирные линии, т.е. алгоритм обеспечивает формирование оптимального угла дрейфа при введении начальной коррекции курсового угла и любом направлении ветра, снижая при этом отклонение от заданной траектории.
V = 0,3 V = 0,2 V = 0,1
адр, рад
Рис. 8. Изменения отклонения от траектории и угла дрейфа при выходе на стационарные режимы для трех значений V и ф = п/3: 1) без коррекции; 2) с коррекцией
Таким образом, проведенные исследования показывают:
- алгоритм управления, для формирования которого используется вспомогательная функция (2), обеспечивает удержание судна на заданной траектории при внешних возмущающих воздействиях;
- введение поправки для курсового угла (формула (3)) снижает величину отклонения судна от заданной траектории при внешних воздействиях до десятков сантиметров, что приемлемо для практики.
Список литературы:
[1] Грошева Л.С., Плющаев В.И., Соловьев Д.С. Моделирование динамики судна с колесным движительно-рулевым комплексом с учетом ветрового воздействия // Вестник Астраханского государственного технического универсистета. Сер.: Морская техника и технология. - 2013 -№2 - С. 21-26.
[2] Мерзляков В.И. Математическая модель комплекса корпус - движитель судна с колесными гребными движителями // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2012. - № 1. - С. 56-61.
[3] Грошева Л.С., Мерзляков В.И., Плющаев В.И. Синтез алгоритма управления движением судна с колесным движительно-рулевым комплексом // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. -2012. - № 2. - С. 34-39.
[4] Грошева Л.С. Плющаев В.И. Поляков И.С. Соловьев Д.С. Исследование устойчивости и качества системы автоматического управлении удержанием судна с колесным движительно-рулевым комплексом на заданной траектории при изменении условий плавания // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер.: Морская техника и технология. - 2014 - №2 - С. 21-26.
[5] Плющаев В.И., Соловьев Д.С. Снижение влияния внешних воздействий на процесс удержания судна с колесным движителем на курсе// Вестник волжской государственной. академии водного транспорта. - 2014. - №40. - С. 61-65.
THE ADAPTIVE ALGORITHM OF KEEPING THE VESSEL WITH THE PADDLE WHEELS ON THE COURSE
L.S. Grosheva, V.I. Pluyshchaev
Keywords: vessel with the paddle wheels, adaptive algorithm
Fundamentally new vessels with wheel propulsion and steering system have appeared in Russia. The vessels do not have a traditional steering wheel. The vessels handling is carried out by the changing of the paddle wheel rotating frequency ratio. It provides improved vessel handling and at the same time makes it very difficult for the navigator to hold the vessel on a given course. The article proposes the adaptive algorithm for holding the vessel with wheel propulsion and steering system on a given path, taking into account the impact of external influences.
УДК 551.46.086
B.И. Мерзляков, к.т.н., ст. преподаватель ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
C.В. Перевезенцев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» В.И. Плющаев, д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОРГАНИЗАЦИЯ КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ВОЛНОМЕРНОГО БУЯ НА БАЗЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Ключевые слова: волномерный буй, каналы передачи данных, АИС
В статье приводится описание способа организации передачи данных от волномерно-го буя на береговую станцию с использованием автоматической идентификационной системы.
Волномерные буи (ВБ) востребованы для решения широкого круга задач - обеспечения безопасности судоходства, получения данных для проектирования гидротехнических сооружений и т.п. ВБ выпускают десятки фирм. Одной из основных проблем при конструировании ВБ является организация каналов передачи информации с ВБ потребителям. Например, нидерландская фирма Datawell BV выпускает несколько модификаций ВБ DirectionalWaveriderMKIII, DWR-G, DWR-G4, DWR4/ACM (рис. 1).
Передача данных в этих ВБ реализована различными способами: по радиоканалу в УКВ диапазоне (до 50 км), через спутниковые системы A^s, Iridium, Inmarsat (глобальное покрытие), через сети сотовой связи GSM (в пределах действия сетей) [1]. Также возможно организовать передачу данных с помощью спутниковых систем связи Orbcomm, Globalstar.
Использование любого из перечисленных каналов связи требует дополнительных затрат на организацию «береговой» инфраструктуры приема и передачи заинтересованным службам полученной с ВБ информации, кроме того пользователи должны оплачивать передачу данных в этих сетях.
Рис. 1. Волномерный буй Directional Waverider MK III (Нидерланды)
При размещении на ВБ автоматической идентификационной станции (АИС) передачу данных в направлении ВБ-берег можно реализовать с использованием избирательных и циркулярных сообщений АИС [2]. В этом случае, при использовании ВБ на внутренних водных путях единой глубоководной системы Европейской части Российской Федерации появляется возможность их интегрирования в единое информационное поле АИС, создание которого завершается в рамках программы «АИС на ВВП» (система AIS-Network производства компании Транзас [3]). При этом исключаются дополнительные затраты на создание береговой инфраструктуры и передачу данных, отпадает необходимость согласования и получения разрешения на рабочие частоты.
Система AIS Network (включающая в свой состав сеть базовых станций АИС, центральный сервер обработки данных, центральный сервер хранения данных, сервер обслуживания On-Line клиентов, сервер обслуживания WEB клиентов, сервер рассылки бинарных сообщений) позволяет [3]:
- идентифицировать судно;
- определить местонахождение судна;
- получить статические данные судна (тип, размеры, наличие и вид груза и пр.) и его динамические параметры (направление и скорость движения, скорость поворота и пр.);
- установить связь с судами, находящимися в пределах AIS Network;
- обеспечить рассылки различной информации через сеть базовых станций АИС с использованием стандартных и бинарных широковещательных и адресных телеграмм (по безопасности, сводки погоды, навигационные данные и пр.);
- хранить все данные, циркулирующие в AIS Network, для дальнейшего анализа;
- обеспечить эффективный поиск данных по заданному критерию (географическая область, номер MMSI, дата и время, тип АИС-сообщения и др.) и их экспорт;
- обеспечивать зарегистрированным клиентам получение информации об интересующих его судах по сети Интернет;
- обеспечивать обмен текстовыми сообщениями между судовыми транспондерами АИС и абонентами посредством SMS или электронной почты и ряд других функций.
Использование АИС на ВБ позволяет реализовать передачу данных ВБ потребителям как в составе развернутой системы AIS Network на ВВП, так и организовав локальные системы передачи данных.
В первом случае АИС ВБ передает данные ближайшей базовой береговой АИС, сеть которых развернута на внутренних водных путях единой глубоководной системы Европейской части Российской Федерации. Следует заметить, что реализация данного способа требует сравнительно небольшой модификации программного обеспечения AIS Network (прием, архивирование и отправка специфических посылок ВБ). Для передачи информации целесообразно использовать сообщение № 6 (Addressed Binary Message) - адресное двоичное сообщение объемом до 920 бит. Адрес абонента (базовой станции) контроллер ВБ вычисляет, анализируя принятые сообщения №4, периодически передаваемые базовой станцией. Стандартный интервал сообщения составляет 10 с. Интервал сокращается до 3 1/3 с в случае назначения береговой станции источником синхронизации для других станций. Сообщение №4 содержит номер опо-знавателя морской подвижной службы (MMSI) береговой станции, ее координаты и время передачи текущего слота (в котором передается сообщение №4), привязанного к секундной метке шкалы времени UTC. Контроллер ВБ, приняв сообщение №4, выделяет из него MMSI береговой станции и формирует сообщение №6 с технологической информацией для адресной передачи на береговую станцию (по полученному MMSI адресу). Для инициализации передачи контроллер ВБ формирует и отправляет в АИС ВБ соответствующее АВМ предложение[2].
Передача сообщения №6 повторяется 4 раза с интервалом 5 с. После передачи адресного сообщения АИС ожидает подтверждения доставки в течение 5 с. Если подтверждение не получено, то отправляется повтор сообщения и снова ожидается подтверждение. Если подтверждение не получено после трех повторов, отправка сообщения считается неуспешной. Успешный прием сообщений №6 базовая станция подтверждает ответным сообщением №7. Общий цикл передачи сообщения №6 имеет длительность около 30 с [4].
В реальных условиях посылка плановых сообщений ВБ о технологических параметрах будет проводиться 1-2 раза в час. Таким образом, использование сообщения №6 для передачи технологических параметра не приведет к заметной загрузке каналов связи АИС.
Согласно Рекомендации МСЭ ITU-R M.1371-1, каждое двоичное сообщение должно иметь идентификатор области применения (Application Identifier - AI), указываемый в заголовке поля двоичных данных. Идентификатор области применения включает два параметра: код обозначенного района DAC (Designated Area Code) и функциональный идентификатор FI (Function Identifier) [5-7]. Дунайской комиссией был принят стандарт для систем обнаружения и отслеживания судов на ВВП где рекомендуется использовать код обозначения района DAC для ВВП равным 200. Стандартом рекомендовано несколько функциональных идентификаторов для передачи динамических данных с целью обеспечения безопасности плавания и управления движением судов в среднесрочной и краткосрочной перспективе [7]. Сообщения с функциональными идентификаторами FI =1-5, 10, 21-24, 40, 55 определяются стандартом для систем обнаружения и отслеживания судов на внутренних водных путях, принятым Дунайской комиссией, и содержат информацию о местонахождении и состоянии судна, статистические данные о рейсе, времени подхода к шлюзам, мостам, терминалам (данные сведены в табл. 1).
Таблица 1
DAC FI Двоичные данные (920 бит)
200 Всего 0-63
16-19 зарезервировано ИМО
1-5,10, 21-24, 40, 55 данные по безопасности (Дунайская комиссия)
6-9, 11-15, 20, 25-39, 41-54, 56-63 Свободные идентификаторы
