CC BY
17Бычков В.Я., ГрошеваЛ.С., Плющаев В.И.
Область применимости алгоритма удержания судна с колесным движительно-рулевым ...
УДК 629.5.061.11
Бычков Владислав Ярославич, инженер кафедры радиоэлектроники ФГБОУВО «ВГУВТ», e-mail: [email protected]
Грошева Людмила Серафимовна, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ», e-mail: [email protected]
Плющаев Валерий Иванович, заведующий кафедрой, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ», e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО «ВГУВТ»)
603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНИМОСТИ АЛГОРИТМА УДЕРЖАНИЯ СУДНА С КОЛЕСНЫМ ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВЫМ КОМПЛЕКСОМ НА КУРСЕ
Ключевые слова: судно, колесный движительно-рулевой комплекс, алгоритм удержания судна на курсе, качественные показатели системы управления.
Аннотация. Строящиеся в России суда с колесным приводом не имеют на борту традиционного руля, изменения направления движения осуществляется изменением частоты вращения гребных колес. Математическое моделирование процесса управления позволило выработать алгоритм для идеальных условий эксплуатации (отсутствие ветра, волны и т.д.). Внесение в модель возмущающих воздействий, а именно воздействия ветра разной силы и направления вносит ограничения в возможности управления удержанием судна на курсе.
В статье проводятся исследования по поиску коэффициентов для расширения области управляемости в условиях наличия возмущающих воздействий.
В настоящее время в России эксплуатируется 3 судна с колесным движительно-рулевым комплексом (КДРК), ведется строительство четвертого крупного пассажирского судна пассажировместимостью 180 человек с размерами 81,6 * 13,8 * 9,5 м, имеющего осадку всего 1,2 м [1, 2, 3]. У судов данного типа отсутствует руль, управление осуществляется за счет выбора соотношения частот вращения двух гребных колес, расположенных в кормовой части. Использование частотных приводов и асинхронных приводных электродвигателей гребных колес позволяет регулировать соотношение частот вращения колес практически с любой заданной точностью во всем возможном диапазоне изменения частот вращения (от нуля да максимальной частоты вращения вперед, назад или враздрай). Судно с КДРК остро реагирует на изменение соотношения частот вращения гребных колес, что при ручном управлении требует высокой квалификации судоводителя (управление частотами вращения гребных колес производится двумя независимыми джойстиками). Эта проблема решается при автоматизации процесса управления. На эксплуатируемых судах с КДРК установлены компьютеризированные системы управления (рис. 1), разработанные ВГАВТ [4].
Рис. 1. Компьютеризированная система управления судна с КДРК
Судоводитель одним джойстиком задает скорость движения судна, вторым - направление движения. Система автоматически подбирает соотношение частот вращения гребных колес для реализации заданного режима движения. Высокие качественные показатели системы управления подтверждены опытом эксплуатации судов с КДРК.
Наличие двух независимых каналов управления гребными колесами позволяет реализовывать различные варианты формирования управляющих воздействий на них при изменении курса:
- поочередное управление гребными колесами (управление формируется для первого колеса, после его отработки формируется и отрабатывается управление для второго колеса, затем цикл повторяется);
- одновременное формирование и отработка управления двумя гребными колесами (увеличение частоты вращения одного колеса и уменьшение частоты вращения другого колеса на одну и ту же величину);
- одновременное формирование и отработка управления двумя гребными колесами (увеличение частоты вращения одного колеса и уменьшение частоты вращения другого колеса на разные величины) и другие варианты.
В работах [5,6] предлагалось использовать алгоритм, основанный на первом варианте управления. «В алгоритме применялась вспомогательная функция, позволяющая оценить степень отклонения судна от курса:
Я = ка • (а - аг) + кш-ю + ко • (у - уг), (1)
где: а, а. - угол курса и заданный угол; т - угловая скорость поворота судна; у - уг - отклонение судна от заданной траектории уг = /(х); ка, кт, ка - коэффициенты пропорциональности.
Управление на приводы гребных колес формируется следующим образом:
Бычков В.Я. , Грошева Л.С., Плющаев В. И.
Область применимости алгоритма удержания судна с колесным движительно-рулевым
при Я > 0 ; при Я < 0 ;
при Я < 0; при Я > 0 ,
(2)
где и 1:2 ход - заданное судоводителем управляющее воздействие, обеспечивающее требуемую скорость движения судна (индексы «с» и «н» обозначают текущее значение параметров и вновь формируемое), и1,2тах - максимальное значение управляющего воздействия.
Такое управление обеспечивает поворот судна за счет увеличения частоты вращения одного из гребных колес, при этом скорость движения судна при маневрировании не снижается (может даже увеличиваться). При скоростях близких к максимальному значению время переходного процесса затягивается (из-за невозможности значительного увеличения частоты вращения одного из гребных колес). В этом случае маневр выполняется за счет снижения частоты вращения другого гребного колеса, при этом скорость судна может снижаться» [5, 6].
Цель данной статьи:
- разработка алгоритма, обеспечивающего движение судна с КДРК по заданной траектории, использующего одновременное формирование и отработку управления двумя гребными колесами (увеличение частоты вращения одного колеса и уменьшение частоты вращения другого колеса на разные величины);
- определение области применимости указанного алгоритма в реальных условиях с учетом ветровых воздействий.
В этом случае управление на приводы гребных колес будет формироваться следующим образом:
где K - коэффициент распределения управления между колесами.
Результаты моделирования движения судна при реализации (3) представлены на рис. 2 (в момент времени t появляется боковой ветер в правый борт V =7 м/с или 25,2 км/ч).
При появлении ветрового воздействия переходный процесс заканчивается примерно через 320 с, отклонение судна от заданной траектории не более 0,3 м, угол дрейфа составляет 2-3°.Это вполне приемлемо для практического применения, учитывая значительное влияние ветра на управляемость судна (это свойственно судам любого типа имеющим большую длину [7,8,9]).
Судно сохраняет скорость, близкую к заданной ходовой ^^ = 10,5 км/ч. Изменение частот вращения гребных колес при этом не превышает 30% от максимального значения.
и1в + Я ■ К ■ (и 1ша - и1в) и,н =К - Я ■ и1с ■ (1 - К)
при Я > 0 ; при Я < 0 ; при Я ■ Я < 0;
(3)
и2с - Я ■ К ■ (и2тса - и2с)
и 2н =]и 2с - Я ■ и 2с ■ (1 - К)
2 ток
при Я < 0 ; при Я > 0 , при Я ■ Я < 0;
а)
о 0.25 с 0.2
0.15 0.1
0 -'-1-1-1-1-
0 100 200 300 400 500 600
1, С
б)
Рис. 2. Траектория движения судна (а) и частоты вращения гребных колес п и п2 (б) при ветровом воздействии
Представляет практический интерес поиск оптимального значения коэффициента К в (3). Были проведены исследования динамики судна при изменении эксплуатационных параметров в пределах:
- скорость судна V до 17,5 км/ч (максимальное проектное значение для судна);
- коэффициент К от 0 до 1;
- скорость ветра V от 0 до 36 км/ч (в правый борт).
Зависимости отклонения судна Д от заданной траектории при изменении указанных параметров и коэффициента К представлены на рис. 3.
Бычков В.Я., ГрошеваЛ.С., Плющаев В.И.
Область применимости алгоритма удержания судна с колесным движительно-рулевым
Д. м
Л. ы
б)
Л. М
11, 1с
11. 1 /с
11. 1 /с
п, 1/с
Ю.047 5 0,095 0.19 | 0.285 I 0.38 10,47 5
п, 1/с
■ 0,047 5
0.095
■ 0.19
■ 0.285
■ 0.38
■ 0,475
п, 1/с
10,047 5 0,095 0,19 I 0,285 I 0,38 Ю,475
в)
Рис. 3. Зависимости отклонения судна от заданной траектории при изменении V, V и К ( а) V = 10 м/с, б) 7 м/с, в) 4 м/с)
Аналогичные исследования были проведены для направления ветра в корму (справа). Результаты представлены на рис. 4.
л. м
0.38 0,19
0 0,1 0.2 ' о 4 ^ (-Р ~ т 1-1--^'°.0475
°-4 0.8 о.9 1
К
11, 1/с
п, 1/с
■ 0,0475
0,095
■ 0.19
■ 0.285
■ 0.38
■ 0.475
Рис. 4. Зависимости отклонения судна от заданной траектории при изменении V и К (V = 7 м/с)
Полученные результаты позволяют выбрать значение К для алгоритма управления, обеспечивающего удержание судна на курсе в заданных пределах при изменении скорости судна и скорости ветра в широком диапазоне.
Была проверена возможность снижения механических нагрузок в приводах гребных колес за счет уменьшения числа переключения приводов (снижение частоты формирования управляющих воздействий). Результаты моделирования при снижении частоты выдачи управляющих воздействий в 3 раза представлены на рисунке 5.
0.8
0.6
* 0.4
0.2
-0.2
0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 X, М
а)
II
0 100 200 300 400 500 600
I, С
б)
Рис. 5. а) Траектория движения судна при ветровом воздействии и при снижении частоты выдачи управляющих воздействий б) Частоты вращения гребных колес п1 и п2 при ветровом воздействии и при снижении частоты выдачи управляющих воздействий
Бычков В.Я. , Грошева Л.С., Плющаев В. И.
Область применимости алгоритма удержания судна с колесным движительно-рулевым ...
Отклонение от траектории увеличилось до 0,5 м (на рис. 2а оно составляет 0,3 м), но при этом частоты переключений приводов уменьшалась более чем в 2 раза (в сравнении с результатами, представленными на рис. 2б). Таким образом, возможно подобрать оптимальную величину частоты выдачи управляющих воздействий при сохранении допустимой величины отклонения от траектории при значительном уменьшении нагрузки на механические приводы.
Таким образом, предложенный алгоритм управления гребными колесами, обеспечивающий удержание судна на курсе при внешних воздействиях и использующий одновременное формирование и отработку управления двумя гребными колесами (увеличение частоты вращения одного колеса и уменьшение частоты вращения другого колеса), обладает высокими качественными показателями и может быть рекомендован для реализации в составе компьютеризированной системы управления судна с КДРК.
Список литературы:
[1] Российский патент № 2225327 от 30.11.2001.
[2] Галкин Д.Н. и др. Уникальный туристический теплоход, или как развивать отрасль в современных условиях. //Речной транспорт (XXI век)). 2016. - № 2(78). - с. 21-23.
[3] Галкин Д.А., Малый Ю.А. От «Суры» к «Золотому кольцу». //Речной транспорт (XXI век)). 2015. - №2(73). - с. 32-33.
[4] Галкин Д.Н., Итальянцев С.А., Плющаев В.И. Компьютеризованная система управления пассажирским колесным теплоходом. Речной транспорт (XXI век). Москва. №6. 2014 - с. 29-31.
[5] Грошева Л.С., Мерзляков В.И., Плющаев В.И. Синтез алгоритма управления движением судна с колесным движительно-рулевым комплексом // Вестник Астраханского государственного технического университет. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. -2012. - №2. - С. 34-39.
[6] Грошева Л.С., Плющаев В.И. Адаптивный алгоритм удержания судна с колесным движителем на курсе. // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 43. - Н. Новгород: Изд-во ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2015. - С.48-55.
[7] Szelangiewicz Т., Wisniewski B., Zelazny K. The influence of wind, wave and loading condition on total resistance and speed of the vessel. polish maritime research 3(83) 2014 Vol. 21; pp. 61-67.
[8] Fossen, T. I., Perez T. Ship Motion Control and Models // One-day Tutorial, CAMS'07, Bol, Croatia, 2007. - 27 с.
[9] Andersen I. M. V. Wind Forces on Container Ships Fluid Mechanics, Coastal and Maritime Engineering, Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark, Nils Koppels Allé, 2800, Kgs. Lyngby, Denmark - 12 c.
THE FIELD OF APPLICABILITY OF THE ALGORITHM KEEP THE VESSEL WITH WHEELED PROPULSION-STEERING COMPLEX ON THE COURSE
Bychkov Vladislav Y., engineer of the Department of Radioelectronics Volga State University of Water Transport
Grosheva Lyudmila S., candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department of Radioelectronics Volga State University of Water Transport Plyushchaev Valery I., head of the Department, doctor of technical Sciences, Professor of the Department of Radioelectronics Volga State University of Water Transport 5, Nesterov st, Nizhniy Novgorod, 603951
Keywords: vessel, wheel propulsion and steering complex, the algorithm of keeping the vessel on the course, quality indicators of the control system.
In Russia, ships with a wheeled propulsion-steering complex are being built, which do not have a traditional steering wheel. Control of the vessel is carried out by changing the ratio of the frequency of rotation wheels located on the sides in the aft of the vessel. The article discusses the applicability of the algorithm to keep the ship on course, implementing simultaneous control of two propeller wheels, taking into account external influences.
References:
[1] Rossiyskiy patent № 2225327 ot 30.11.2001.
[2] Galkin D.N. i dr. Unikal'nyy turisticheskiy teplokhod, ili kak razvivat' otrasl' v sovremennykh usloviyakh. //Rechnoy transport (KhKhI vek)). 2016. - № 2(78). - s. 21-23.
[3] Galkin D.A., Malyy Yu.A. Ot «Sury» k «Zolotomu kol'tsu». //Rechnoy transport (KhKhI vek)). 2015. - №2(73). - s. 32-33.
[4] Galkin D.N., Ital'yantsev S.A., Plyushchaev V.I. Komp'yuterizovannaya sistema upravleniya passazhirskim kolesnym teplokhodom. Rechnoy transport (XXI vek). Moskva. № 6.2014 - s. 29-31.
[5] Grosheva L.S., Merzlyakov V.I., Plyushchaev V.I. Sintez algoritma upravleniya dvizheniem sudna s kolesnym dvizhitel'no-rulevym kompleksom // Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universitet. Seriya: Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika i informatika. - 2012. - №2. - S. 34-39.
[6] Grosheva L.S., Plyushchaev V.I. Adaptivnyy algoritm uderzhaniya sudna s kolesnym dvizhitelem na kurse. // Vestnik Volzhskoy gosudarstvennoy akademii vodnogo transporta. Vypusk 43. - N. Novgorod: Izd-vo FGBOU VO «VGUVT», 2015. - S. 48-55.
[7] Szelangiewicz Т., Wisniewski B., Zelazny K. The influence of wind, wave and loading condition on total resistance and speed of the vessel. polish maritime research 3(83) 2014 Vol. 21; pp. 61-67.
[8] Fossen, T. I., Perez T. Ship Motion Control and Models // One-day Tutorial, CAMS'07, Bol, Croatia, 2007. - 27 с.
[9] Andersen I. M. V. Wind Forces on Container Ships Fluid Mechanics, Coastal and Maritime Engineering, Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark, Nils Koppels Allé, 2800, Kgs. Lyngby, Denmark - 12 c.
Статья поступила в редакцию 28.06.2019 г.
