АВТОРУЛЕВОЙ
Назначение. Авторулевые (АР) служат для ручного и автоматического управления движением судна по курсу на полном морском ходу и на маневренных скоростях.
Обычно с помощью АР решаются задачи стабилизации курса и выполнения поворотов. На некоторые АР возлагают также задачу определения курса следования в зависимости от заданного маршрута и отклонения судна от него.
На судах мирового флота используются авторулевые различных фирм, изготовленные в разное время. Кроме того, классификационные общества разных стран и судовладельцы предъявляют неодинаковые требования к компоновке, видам управления, средствам контроля и сигнализации авторулевых. Поэтому многообразие авторулевых достаточно велико. Охарактеризовать подробно все применяемые на судах типы авторулевых не представляется возможным. Для рассмотрения основных задач управления судном достаточно проанализировать только основные, существенные при управлении свойства авторулевых. Ниже дается обобщенная характеристика авторулевых, в которой особенности АР конкретных типов могут быть не отражены.
Классификация авторулевых. В настоящее время эксплуатируются АР различных типов.
В зависимости от элементной базы АР подразделяются на
электромеханические,
электронные аналоговые,
электронные цифровые.
В зависимости от вида рулевого привода, которым будет управлять АР, различают авторулевые:
Для электрических РП,
Для электрогидравлических РП с насосами постоянной производительности,
Для электрогидравлических РП с насосами регулируемой производительности.
Для различных видов РП.
В зависимости от вида настройки выделяют авторулевые:
С ручной настройкой (неадаптивные АР),
с частичной адаптацией,
адаптивные авторулевые.
При правильной настройке АР потери в эксплуатационной скорости судна могут быть снижены на 2*3%, а расход топлива - на 5+8%.
Типовые аналоговые авторулевые.
К основным техническим требованиям, предъявляемым к авторулевым, относятся следующие: они должны удерживать судно на с точностью 10 при скорости более 6 уз независимо от условий плавания и загрузки судна. Средняя амплитуда рыскания по курсу в заданном интервале скоростей для состояния моря до 3 баллов должна быть в пределах 10, до 6 баллов -2-30, свыше 6 баллов -4-50. Основной рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с одного борта на другой за время, не превышающие 28 с.
Авторулевые имеют обычно несколько режимов работы: ручной, следящий, автоматический.
Электромеханические авторулевые разрабатывались как автономные устройства управления, вследствие чего при решении задач автоматического плавания по маршруту они не в полной мере отвечают требованиям взаимодействия с автоматизированными судовыми навигационными подсистемами. Кроме того, они имеют и свои собственные недостатки, вот некоторые из них. Во-первых, это выработка частых неэффективных перекладок руля на волнении. Обычные авторулевые отвечают на любые отклонения от курса, что приводит на волнении к появлению частых перекладок руля, на которые судно не успевает нужным образом реагировать из-за своей большой инерционности. В результате происходит трата энергии на неэффективную работу рулевого привода и ускоряет его износ. Во-вторых, из-за ограничения настройки авторулевые на судах в большинстве случаев работают в неоптимальном режиме, что вызывает рост (по сравнению с качественным регулированием) сопротивления движению судна вследствие больших углов дрейфа, перекладок руля, торможения судна инерционного происхождения.
Адаптивные рулевые
В 80-х годах появился новый тип авторулевого - адаптивный, имеющий автоматическую настройку параметров схемы при изменении внешних условий плавания или скорости судна. Это обеспечивает оптимальный режим работы системы без участия человека-оператора.
Адаптивные авторулевые используются главным образом на крупнотоннажных судах для улучшения их управляемости, особенно при движении с малой скоростью, на мелководье и в стеснённых условиях плавания.
Адаптивными называют авторулевые, которые самостоятельно меняют характер управляющих воздействий, приспосабливаясь к изменению внешних и внутренних условий работы системы для обеспечения высокого качества регулирования. Адаптивные системы разделяются на самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообучающиеся.
Самонастраивающиеся системы - системы с параметрической адаптацией. Оптимальный режим работы в них обеспечивается за счет изменения коэффициентов закона регулирования, сам алгоритм регулирования остается неизменным.
В самоорганизующихся системах адаптация производится за счет изменения как вида закона управления (структурной схемы регулятора), так и коэффициентов этих законов. Самоорганизующиеся системы называются еще системами со структурной адаптацией.
Самообучающиеся системы при обеспечении наилучшего качества управления совершенствуют свою структуру на основе опыта функционирования. Это наиболее сложные, но в тоже время гибкие автоматические системы. Самонастраивающиеся и самоорганизующиеся системы можно рассматривать как частный случай самообучающиеся систем.
Основные законы управления АР, Несмотря на различия применяемых на судах АР, основным их законом управления при автоматической стабилизации курса является пропорционально-дифференциально-интегральный (ПИЛ) закон, а при изменениях курса и при работе в системе управления движением на траектории -пропорционально-дифференциальный (ПД) закон управления.
Внешние датчики информации. Для выполнения своих задач АР используют информацию определенных датчиков. Количество датчиков, которые присоединяются к авторулевому, зависит от его функциональных возможностей.
Основную информацию для управления судном по курсу дают компасы, датчики угловой скорости рыскания, датчики положения руля.
Современные авторулевые обеспечивают подключение: гирокомпасов, магнитных компасов с дистанционной передачей показаний и флюксгейт компасов. Эти приборы должны удовлетворять современным требованиям к взаимодействию навигационной аппаратуры.
В качестве датчиков угловой скорости для авторулевых используются специальные дифференцирующие курс устройства, либо гироскопические датчики угловой скорости поворота.
Для решения задачи проводки судна по заданному маршруту в АР должна поступать информация, определяющая этот маршрут и требования к его прохождению, а также информация о координатах текущего места судна. Для обеспечения этой информацией к АР могут подключаться автоматизированные приемоиндикаторы позиционных систем (GPS, DGPS, ГЛОНАСС и др.), а также судовая навигационно-информационная система, ECDIS или ECS.
Для улучшения качества работы и выполнения адаптации к изменяющимся условиям АР могут использовать информацию: относительного и/или абсолютного лага, эхолота, гироскопических датчиков угловой скорости бортовой и килевой качки, датчика скорости и направления ветра, приемоиндикатора DGPS.
При одновременном включении насосов левого и правого бортов скорость перекладки руля увеличивается до 5 град/сек, что положительно влияет на управляемость судна, особенно на малом ходу.
Внутренняя обратная связь в системе осуществляется с помощью устройства, механически связанного с баллером руля и вырабатывающего электрический сигнал, пропорциональный углу поворота руля.
Внешняя обратная связь обеспечивается гирокомпасом, который преобразует изменение курса судна в угол поворота сельсина-датчика курса, связанного с сельсином-приемником в авторулевом.
Все существующие системы автоматического управления курсом судна, независимо от конструкции отдельных звеньев, работают по принципу отклонения, т.е. в авторулевом непрерывно сравниваются фактическое и заданное значения курса и вырабатывается сигнал управления. Под действием этого сигнала рулевой привод перекладывает руль и возвращает судно к заданному курсу. Сигнал внутренней отрицательной обратной связи останавливает перекладку руля, а затем возвращает руль в среднее положение. Сигнал, пропорциональный скорости поворота судна, повышает чувствительность авторулевого при отклонении судна от заданного курса и обеспечивает сдерживание при возвращении на заданный курс.
Системы автоматического управления курсом удерживают судно на прямом заданном курсе в любую погоду при скорости хода более 5 узлов, а также позволяют изменять заданный курс при введении градусной поправки.
При правильной настройке авторулевой позволяет экономить до 3% ходового времени за счет более точного удержания судна на заданном курсе и уменьшения тормозящего действия корпуса и руля; углы перекладки руля при автоматическом управлении на 20—30% меньше, чем при ручном.
В настоящее время много транспортных и рыболовных судов оборудовано отечественными авторулевыми типа Аист, а также широко используются авторулевые иностранного производства Anschutz (Германия), АРКАС (Дания) и др.
Современные авторулевые обеспечивают:
автоматическое ведение судна по заданному курсу в течение морских переходов любой продолжительности при любой погоде (авторулевой не рассчитан на работу при движении судна на заднем ходу);
управление рулевым приводом в зависимости от угла и скорости ухода судна с курса; автоматическое устранение сноса судна, вызванного несимметричным рысканием под действием ветра, волнения и других причин;
изменение курса судна при автоматическом управлении на любую величину; управление рулевым приводом вручную, пользуясь штурвалом следящего управления;
изменение курса судна при помощи выносных постов управления в случае внезапного появления опасности.
Далее будет подробно рассмотрены назначение, конструкции и особенности эксплуатации современного авторулевого ANSCHUTZ NAUTOPILOT D (Германия).
Требования к авторулевым определены ИМО и классификационными обществами разных стран. Касаясь требований ИМО, необходимо отметить следующее.
Общие требования к электронным навигационным средствам определены Резолюцией ИМО А.694(17) - Recommendation on General Requirements for Shipborn Radio Equipment Forming Part of the Global Maritime Distress and Safety System (GMDSS) and for Electronic Navigational Aids. - 1991. Это - общие замечания к дизайну пультов управления, размерам и количеству органов управления, требования к настройке, к освещению, к работоспособности при различных погодных условиях и при изменении параметров электропитания, к шумности, к радиации и т.д. В полной мере эти требования относятся и к авторулевым.
Специальные требования к авторулевым обычных и скоростных судов установлены соответственно Резолюциями ИМО:
А. 342(ГХ) - Recommendation on Performance Standards for Automatic Pilots.-1975,
A. 822(19) - Performance Standards for Automatic Steering Aids (Automatic Pilots) for High Speed Craft.-1995.
Обобщенные требования к авторулевым могут быть представлены в следующем виде.
Основные положения. Авторулевые должны нормально работать в следующих условиях:
При скоростях хода от минимальной маневренной до максимальной. Для обычных судов максимальная скорость не превышает 30 узлов, для скоростных - 70 узлов;
При угловых скоростях поворота до 20%;
В диапазоне широт от 70N до 70S.
Необходимо в авторулевых предусматривать два вида управления: автоматическое и ручное.
Основной пульт управления авторулевых должен устанавливаться в диаметральной плоскости судна.
Требуется, чтобы в соединении с необходимыми датчиками информации в диапазоне перечисленных выше условий АР обеспечивали стабилизацию курса с точностью ±2°.
В режиме «Автомат» авторулевые в пределах способности судна должны выполнять повороты с предварительно заданной угловой скоростью либо радиусом поворота.
В автоматическом режиме управления следует иметь возможность выполнения экстренного поворота судна на любой угол, вплоть до полной циркуляции. После отмены команды экстренного поворота должно обеспечиваться возвращение на заданный курс и дальнейшее действие автоматического управления.
Авторулевые должны обладать способностью вручную или автоматически подстраиваться к изменению динамических характеристик судна при различной погоде и к степени загрузки судна.
Адаптивный авторулевой должен оставаться работоспособным при выходе из строя блока адаптации.
Требуется, чтобы в АР была возможность подключения гирокомпаса и/или электронного магнитного компаса.
Авторулевой должен снабжаться квалифицированным описанием его погрешностей, являющихся следствием высокой скорости, ускорений, изменений курса, состояния моря и ошибок подключенных к АР датчиков информации.
Переключение режимов. Требуется, чтобы переход с ручного на автоматическое управление и наоборот осуществлялся при любом положении руля.
Переключение с автоматического режима на ручной должно выполняться в любых условиях, включая выход из строя схемы автоматического управления.
При установке автоматического режима авторулевой должен выводить судно на предварительно заданный курс. Не следует иметь возможности иного изменения заданного курса, чем судовым персоналом.
Органы управления АР необходимо располагать близко друг к другу и к устройству отображения параметров управления.
Требуется обеспечивать индикацию активного в данный момент режима управления.
Сигнализация. Авторулевой следует снабжать звуковой и визуальной сигнализацией. Она должна:
• Сообщать о выходе из строя АР или о неполадках в его электропитании, которые могут влиять на безопасность функционирования;
Подавать четкий звуковой сигнал при отклонениях от курса, превышающих заданный предел;
Информировать об отсутствии сигнала датчика АР или о низком качестве его информации, которое может влиять на работоспособность АР.
Средства сигнализации АР следует располагать близко от его органов управления либо устройства отображения.
Органы управления авторулевым. На пульте АР необходимо иметь простой и надежно действующий орган для ручного управления рулем. Им может быть штурвал, ручка или кнопки.
Требуется в авторулевом иметь ручную или автоматическую настройку к изменению условий погоды.
В режиме автоматического управления задание курса следования может быть аналоговым или цифровым. Орган аналоговой установки должен поворачиваться вправо/влево при задании изменения курса вправо/влево. Для обычных поворотов судна в АР необходимо иметь только один орган задания нового курса. На установленный курс следования активация любых других органов АР не должна влиять.
Ограничение перекладок руля. Требуется иметь возможность в автоматическом режиме управления ограничивать величину максимальной перекладки руля. Величина вводимого ограничения должна индицироваться.
Разрешение свободного рыскания. Авторулевой должен иметь средства, предупреждающие излишние включения рулевого привода при нормальном рыскании на волнении.
Интерфейс. Устройства АР для подключения датчиков информации должны удовлетворять протоколу IEC 1162, 1994 г., установленном Международной электротехнической комиссией.
Лекция Интегрированная система радиосвязи.
Основные теоретические положения
Назначение системы.
ГМССБ — Глобальная морская система связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания (англ. Global Maritime Distress & Safety System, GMDSS) представляет собой созданный в соответствии с требованиями конвенции СОЛАС-74 комплекс мер по обеспечению оказания помощи в аварийных ситуациях в мировом океане и безопасности судоходства.
ГМССБ основана на том, что поисково-спасательные организации и суда в районе аварии должны быть в возможно короткий срок извещены о бедствии и соответственно могут принять участие в спасательной операции с минимальными затратами времени.
ГМССБ также обеспечивает связь, относящуюся к безопасности и срочности, а также в служебных целях, и передачу информации, необходимую для безопасности мореплавания, включая навигационные и метеорологические предупреждения.
Используемые в системе средства и методы связи обеспечивают автоматическую передачу и прием аварийных сигналов на любом расстоянии, независимо от метеорологических условий и условий распространения радиоволн.
ГМССБ предназначена для осуществления следующих функций:
Передача оповещений о бедствии – быстрая и надежная передача информации об аварии судам, находящимся в районе аварии, или спасательным координационным центрам (СКЦ), которые могут оказать помощь. Аварийное оповещение обычно поступает на СКЦ через береговую радиостанцию или береговую земную станцию системы ИНМАРСАТ на основе геостационарных спутников Земли на высокой орбите, после чего сообщение передается поисково-спасательным средствам и судам в районе аварии.
Средства связи должны обеспечить оповещение о бедствии независимо от района плавания судна в следующих трех направлениях:
• «судно–берег» по крайней мере, двумя отдельными и независимыми средствами радиосвязи;
• «судно–судно» (эффективно на расстоянии не более 100 миль);
• «берег–судно» (либо через традиционные средства связи на выделенных для этих целей частотах, либо через спутниковую систему связи ИНМАРСАТ).
Прием и передача сообщений для координации поиска и спасания – обмен информацией между СКЦ и руководителем проведения поисково-спасательной операции на месте аварии или координатором надводного поиска в районе аварии.
Для данного вида связи используются режимы телефонии или телекса с помощью спутниковых или традиционных каналов связи в зависимости от радиооборудования, установленного на судне и района бедствия.
Прием и передача сообщений на месте бедствия осуществляется в ПВ и УКВ диапазонах на частотах, специально выделенных для целей бедствия и безопасности. Выбор или предоставление частот на месте аварии входит в обязанности спасательной единицы, осуществляющей координацию поисково-спасательных операций. Предпочтительными частотами в радиотелефонии для связи на месте действия являются 156,8 МГц (16 канал УКВ) и 2182 кГц. Для связи в направлении «судно–судно» на месте бедствия можно также использовать частоту 2174,5 кГц, применяя узкополосную буквопечатающую телеграфию (телекс). Связь с авиационными средствами – на частотах 3023, 4125 и 5680 кГц (телефония).
Прием и передача сигналов для местоопределения и самонаведения. Данные сигналы передаются для облегчения поиска аварийного судна или определения местоположения потерпевших аварию. В ГМССБ для этих целей используются:
• радиолокационные маяки-ответчики (РЛО), работающие в частотном диапазоне 9,2 – 9,5 ГГц, совместно с радиолокационными станциями в 3-сантиметровом диапазоне;
• аварийные радиобуи (АРБ) системы КОСПАС-САРСАТ на основе низкоорбитальных спутников Земли.
Прием и передача информации по безопасности на море - передача навигационных и метеорологических предупреждений и другой срочной информации для обеспечения безопасности мореплавания. В СВ-диапазоне для передач данного типа выделена частота 518 кГц с использованием узкополосного буквопечатания (система автоматической передачи навигационных предупреждений НАВТЕКС), а также в ГМССБ могут использоваться частоты 490 кГц и 4209,5 кГц. Информация о безопасности на море может передаваться через спутник в полосе 1530÷1545 МГц – расширенный групповой вызов (РГВ). В ГМССБ предусматривается полный автоматический прием всех видов информации данного типа.
Обмен информацией общего назначения между судовыми и береговыми радиостанциями по вопросам управления и эксплуатации судна. Связь такого типа может осуществляться на любых частотах, включая частотные каналы для обмена частной информацией.
Прием и передача сообщений «мостик–мостик» используется для обмена информацией по УКВ радиотелефону на частоте 156.65 МГц (13 канал) между судами с целью обеспечения их безопасного движения.
Судовое радиооборудование для внешней связи.
Судовое радиооборудование для внешней связи включает в себя аппаратуру GMDSS:
УКВ радиостанцию; 7. Приемник службы
Радиостанцию ПВ; НАВТЕКС;
Радиостанцию ПВ/КВ 8. Приемник навигационной
Станцию Инмарсат-А; информации на КВ.
Станцию Инмарсат-С; 9. УКВ носимую радиостанцию;
Приемник расширенного К). Аварийный радиобуй; группового вызова; 11. Радиолокационный ответчик.
Аппаратура GMDSS обеспечивает радиосвязь в морских районах А1-А4.
Мировой океан разбит на 4 морских района ГМССБ: А1, А2, А3 и А4:
А1 – морской район ГМССБ в пределах действия, по крайней мере, одной береговой УКВ радиостанции, обеспечивающей постоянное наблюдение в режиме цифрового избирательного вызова (ЦИВ) на канале 70 и связь по УКВ-радиотелефону на 16-м канале (приблизительно 20 – 30 морских миль от береговой радиостанции);
А2 – морской район ГМССБ, за исключением района А1, в пределах действия, по крайней мере, одной береговой ПВ радиостанции, обеспечивающей постоянное наблюдение в режиме ЦИВ на частоте 2187,5 кГц и связь по радиотелефону на частоте 2182 кГц (приблизительно 150-200 морских миль от береговой радиостанции);
А3 – морской район ГМССБ, за исключением районов А1 и А2, в пределах действия системы геостационарных спутников ИНМАРСАТ, т.е. между 70° N и 70° S;
А4 – оставшаяся часть Мирового океана, за исключением районов А1, А2 и А3 (приполярные шапки).
Состав обязательного судового радиооборудования должен отвечать морскому району плавания, а не определяться водоизмещением или типом судна.
Каждое судно, снабженное оборудованием ГМССБ в зависимости от установленного района плавания, имеет возможность передать оповещение о бедствии, как минимум. с помощью двух независимых подсистем связи. Оно может связаться в случае бедствия с находящимися близко судами и береговыми радиостанциями в диапазонах УКВ, ПВ или КВ с помощью цифрового избирательного вызова (ЦИВ), через спутники ИНМАРСАТ с помощью судовой земной станции спутниковой связи, а также оповестить о бедствии через спутниковую систему КОСПАС-САРСАТ.