Моделирование и оптимизация характеристик управляемости водоизмещающих судов

Современный уровень развития вычислительных средств таков, что позволяет программным путем решать многие проблемы, возникающие при автоматическом управлении движением объекта, в частности, речного водоизмещающего судна, по заданной траектории. Особенности объекта этого типа таковы, что авторулевой с классическим непрерывным алгоритмом управления — пропорционально-интегрально-дифференциальным — обеспечивает удовлетворительные показатели качества только при определенных внешних условиях — на тихой и глубокой воде. При ухудшении условий плавания качество управления, как автоматического, так и ручного, понижается: увеличивается амплитуда рыскания судна около заданного направления, возрастают количество и амплитуда перекладок руля [79, 84]. Это связано с тем, что водоизмещающее судно как объект управления обладает некоторыми особенностями, которые отражает характеристика управляемости — статическая характеристика по управлению со (а), которую Р. Я. Першиц предложил называть диаграммой управляемости, где ю — угловая скорость поворота, а — угол перекладки руля. Диаграмма управляемости имеет нелинейный «Б — образный» вид и меняет свою топологию при изменении внешних условий: 1) изменяется положение точки симметрии характеристики, т. е. смещаются нулевые значения угловой скорости поворота и управления- 2) возрастает величина критических перекладок руля ±-акр, внутри которых реакция судна на изменение управления неоднозначна, т. е., «вытягивается» нелинейная «Б — образная» часть характеристики- 3) с ростом критических углов перекладки руля ±-акр увеличивается фазовое пятно — область пониженной реакции на управление [7 9], что приводит к необходимости при управлении судном использовать значительные перекладки руля. Эти проблемы и являются причиной отключения авторулевых с классическим алгоритмом управления.

Для решения указанных проблем и расширения условий, при которых возможно использование авторулевого, в последние годы стали переходить к разработке интеллектуальных цифровых алгоритмов управления, которые учитывают особенности поведения объекта управления в различных условиях внешней среды и могут обеспечивать определенный экономический эффект в процессе эксплуатации. Но, как правило, такие интеллектуальные алгоритмы не являются универсальными, так как разрабатываются специально для конкретного объекта и выбранных для него органов управления.

Возможен другой подход к решению данной проблемы, который может позволить расширить условия использования авторулевых с непрерывными алгоритмами управления проектировать суда с улучшенной характеристикой управляемости: 1) уменьшенной зоной нелинейности (Б — образной частью), то есть с уменьшенным критическим углом перекладки руля акр- 2) увеличенной в допустимых пределах угловой скоростью самопроизвольного поворота при непереложенных рулях и увеличенной крутизной характеристики и, таким образом, улучшенной поворотливостью при управлениях в диапазоне обычных рабочих перекладок.

Российский Речной Регистр устанавливает требования не на все указанные параметры, то есть, не регламентирует жестко вид диаграммы управляемости. Для безопасности судоходства Регистр требует от проектировщиков судов соблюдения ряда норм, обеспечивающих остойчивость, ходкость, непотопляемость. С 2004 года Регистр включил в Правила нормы, предъявляемые к маневренности судов и, в частности, к поворотливости и устойчивости на курсе. Так, в разделе 15 главы (части) 1 Правил классификации и постройки судов внутреннего плавания содержатся требования, предъявляемые к маневренности водоизмещающих самоходных грузовых судов длиной 40 м и более, а также для водоизмещающих пассажирских, разъездных (для перевозки не более 12 пассажиров) и судов специального назначения длиной 20 м и более. Судно признается отвечающим требованиям в отношении маневренности, если оно удовлетворяет критериям поворотливости, устойчивости на курсе, критерию управляемости при неработающих движителях и некоторым другим.

Под критерием поворотливости по Правилам Российского Речного Регистра понимают наименьший, полученный при максимально допустимой перекладке руля, относительный диаметр установившейся циркуляции {Рц1Ь)т{а (то есть отношение наименьшего возможного диаметра циркуляции Д/тт/ выполняемой судном на глубокой тихой воде при одинаковой до начала маневра и более не регулируемой частоте вращения всех гребных винтов, к длине судна Ь по конструктивной ватерлинии). Поворотливость считается удовлетворяющей требованиям Правил, если наименьший относительный диаметр установившейся циркуляции отвечает условию (Д, /Ь)Ып < 2 .

Наименьший относительный диаметр установившейся циркуляции связан с максимальной безразмерной угловой скоростью поворота судна соотношением.

V?)min= 2/Qmax.

В Руководстве Р.006−2004 Российского Речного Регистра «Расчет маневренности и проведение натурных маневренных испытаний судов внутреннего и смешанного плавания» значение?? max находится как абсцисса точки пересечения двух кривых: характеристики корпуса Cyk (Q.) и графика безразмерной поперечной силы ДРКС. Характеристика корпуса Cyk (Q) зависит от типа судна: в Руководстве различают грузовые и пассажирские суда, причем для последних учитывается, в каком диапазоне находится величина коэффициента общей полноты корпуса. Также характеристика корпуса зависит от отношений главных размерений BIT, TIL и угла дрейфа. Вид графика безразмерной поперечной силы ДРК зависит от типа движительно-рулевого комплекса («рули за открытыми гребными винтами», или «гребные винты в поворотных насадках» и «гребные винты в поворотных насадках и средний руль», или «рули за гребными винтами в насадках»), угла перекладки рулей, угла натекания воды на ДРК и некоторых других факторов.

Оценка устойчивости судна на курсе является несколько более сложной проблемой, т.к. практически все подвижные объекты, в том числе и водоизмещающие речные суда, при непереложенных рулях выходят на самопроизвольную циркуляцию с большим или меньшим радиусом, т. е. теоретически являются неустойчивыми на заданном направлении. Для таких объектов было введено понятие эксплуатационной устойчивости [33], практический смысл которого заключается в ограничении числа перекладок руля в минуту. По новым Правилам Российского Речного Регистра устойчивость на курсе считается удовлетворительной, если диаметр установившейся самопроизвольной циркуляции (при нулевом угле перекладки руля) ?)1(0 составляет 10 длин судна или более. На практике это выражается в том, что судно удерживается на заданном направлении не более чем 5−7 перекладками в минуту, что соответствует понятию эксплуатационной устойчивости.

Относительный диаметр установившейся циркуляции при нулевом угле перекладки рулей связан с безразмерной угловой скоростью соотношением.

Вц/Ц0=2/П0, причем в упомянутом выше Руководстве значение предлагается определять, аналогично^тах, графически.

Как уже было отмечено, требования Регистра не регламентируют вид диаграмм управляемости, в частности, не накладывают ограничения на величину критических управлений, крутизну характеристики и радиусы циркуляции при рабочих перекладках руля (5° - 7°). Также Регистр не устанавливает, за счет каких конструктивных параметров судна проектировщик будет выполнять требования на устойчивость и поворотливость. Известно, что существует зависимость указанных свойств управляемости от ряда факторов, и задача оценки маневренных качеств судна по его конструктивным характеристикам является весьма сложной задачей [5, 6, 21, 23, 52, 55].

Вопросам оценки управляемости, конструкции корпуса и движительно-рулевого комплекса посвящено достаточное количество работ, авторами которых являются: А.Ш. Афре-мов, A.M. Васин, Я. И. Войткунский, А. Д. Гофман, В.М. Кор-чанов, Ю. М. Мастушкин, А. И. Немзер, В. Г. Павленко, А. Е. Пелевин, Р. Я. Першиц, A.A. Русецкий, Г. В. Соболев, К. В. Федяевский, Г. Э. Шлейер (Острецов) и др. Следует отметить также работы авторов Нижегородских вузов и организаций: A.B. Ваганова, A.B. Васильева, В. А. Дементьева, A.B. Преображенского, Е. П. Роннова, U.M. Рыжова, В. В. Са-таева, Н. Ф. Соларева, A.B. Соловьева, М. И. Фейгина, A.B. Чернышова, М. М. Чирковой, М. Г. Шмакова, В. М. Шмакова.

Обоснование выбора главных размерений при заданном водоизмещении судна проводят обычно из условия обеспечения мореходных качеств: уменьшения сопротивления воды и повышения скорости движения, обеспечения остойчивости и т. д. [58, 60].

Как следует из работ, посвященных теории и расчету управляемости судов, в том числе, судов внутреннего плавания, маневренные качества судна, его поворотливость в большой степени зависят от органов управления судном, то есть от типа ДРК (движительно-рулевого комплекса), поэтому разработке данного вопроса посвящено множество исследований [8, 21, 22, 30, 45, 46, 49, 50, 53, 57, 72, 88]. Анализу связи «главные размеренияуправляемость» уделено меньше внимания. Маневренность также зависит от таких параметров объекта управления, как отношения главных размерений BIT, TIL и LIB, коэффициент общей полноты корпуса судна, форма диаметральной плоскости, тип носовых и кормовых шпангоутов, величина кормового подзора и других. В теоретическом плане оценить влияние многих из указанных факторов на управляемость возможно лишь качественно. В связи с этим величины гидродинамических сил и моментов для судов с разными конструктивными параметрами исследователи получали как в натурных экспериментах, так и в модельных испытаниях. Полученные в модельных испытаниях данные после проверки принципиальной возможности применения с соответствующими поправками к реальным судам также включались в «базу данных». Таким образом, был накоплен большой объем информации в виде графиков и номограмм, а также составлены некоторые аппроксимирующие выражения, пригодные для обработки с помощью вычислительной техники [21, 23, 70, 71]. Также, в виде графиков, имеются данные о коэффициентах присоединенных масс воды и присоединенного момента инерции, зависящих от соотношений главных размерений судна [21] .

Оказалось, что в изученной литературе нет подробных обобщающих данных о степени влияния и аналитическом виде зависимости того или иного отношения главных размерений на управляемость судна, отсутствуют практические рекомендации по методике выбора параметров Ь, В и Т для достижения наилучшей управляемости.

В Руководстве Российского Речного Регистра Р.006−2004 обобщена имеющаяся теоретическая и экспериментальная информация и применен комплексный подход к определению поворотливости и устойчивости, учитывающий геометрию корпуса судна, характеристики взаимодействия ДРК с корпусом, безразмерную поперечную силу для четырех различных типов ДРКС. Однако рассмотренные способы оценки поворотливости и устойчивости не позволяют оценить критические углы перекладки рулей и топологию областей пониженной управляемости, что весьма важно для улучшения работы авторулевых. Это обстоятельство можно отнести к недостаткам предложенной методики оценки управляемости судов.

Таким образом, проблема оценки влияния главных раз-мерений корпуса судна на его управляемость, в том числе, при рабочих перекладках, на значения критических углов перекладки рулей не решена и является актуальной.

Целью работы является разработка методов оценки влияния конструктивных параметров (факторов) судна: ширины — В, осадки — Г, коэффициента полноты корпуса — 5 при заданной длине I, на его управляемость.

Достижение поставленной цели требует рассмотрения следующих задач: выбор и обоснование частных критериев оценки управляемости судна;

— определение областей допустимого изменения этих критериевразработка математических моделей, связывающих частные критерии с факторами — главными размерениями судна В и Т, а также коэффициентом полноты водоизмещения 5- постановка многокритериальной задачи улучшения показателей управляемости судна;

— разработка методики поиска квазиоптимальных значений факторов, обеспечивающих нахождение величины критериев в некоторой заданной области.

Научная новизна работы состоит в следующих результатах :

1. Введены и обоснованы частные и обобщенные статические и динамические показатели управляемости судна, обоснованы области их допустимого варьирования;

2. Построены математические модели, связывающие показатели качества с главными размерениями судна;

3. Определена область безопасного допустимого варьирования главных размерений судна, внутри которой показатели управляемости удовлетворяют наложенным на них требованиям.

Значимость результатов работы для теории и практики. Полученные результаты и методики могут быть использованы при проектировании судов для обеспечения норм управляемости, установленных Российским Речным Регистром, и расширения диапазона состояний внешней среды, допускающих управление судном авторулевым. Результаты работы дополняют имеющуюся научную информацию о влиянии геометрических характеристик корпуса судна на его управляемость. Возможно использование дополнительных новых динамических показателей управляемости для более полной оценки маневренных качеств эксплуатирующихся судов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических форумах: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ «Транспорт — XXI век» (г. Нижний Новгород, 2003 г.);

— на научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья» (г. Нижний Новгород, 2003 г.);

— на XXX Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В. А. Трапезникова (г. Санкт-Петербург, 2003 г.) ;

— на VI Международном конгрессе по математическому моделированию, ННГУ (г. Нижний Новгород, 2004 г.);

— на XXXI Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В. А. Трапезникова (г. Адлер, 2004 г.);

— на IV Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», БЮРИО^ОЬ, ИПУ РАН им. В. А. Трапезникова (Москва, 2005 г.) — на конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (г. Нижний Новгород, 2005 г.);

— на международном научно-промышленном Форуме «Великие реки-2006» (г. Нижний Новгород, 2006 г.);

— на XXXIII Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В. А. Трапезникова (г. Анапа, 2006 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 4 приложенийсодержит 112 страниц основного текста, 53 рисунка и список литературы из 92 наименований.

Выводы по главе 4.

1) Показана необходимость и возможность решения задачи поиска компромисса между требованиями устойчивости и поворотливости.

2) Предложены варианты решения задачи поиска компромисса: а) путем выбора сочетаний ширины В и осадки Т с помощью графика линий равного уровня и б) путем введения обобщенных критериев управляемости и поиска квазиоптимальных значений ширины и осадки.

3) Обоснованы диапазоны допустимого изменения частных критериев управляемости и построена область допустимых безопасных отклонений В и Т, в которой частные критерии удовлетворяют наложенным на них ограничениям.

4) Проанализированы результаты применения обобщенных аддитивных критериев двух типов, а также мультипликативного критерия. Показано, что различные обобщенные критерии дают одно решение, что свидетельствует о его объективности.

5) Доказана возможность улучшения показателей управляемости за счет допустимого безопасного выбора главных размерений судна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1.Показано, что ряд судов, успешно эксплуатируемых на внутренних водных путях, удовлетворяют только одному требованию Регистра — на устойчивость с большим запасом и практически все не удовлетворяют требованиям поворотливости.

2. Для оценки управляемости судна введены и обоснованы дополнительные показатели С0, Ср, акр, по величине которых можно оценить а) наличие и размеры области пониженной управляемости (акр) — б) скорость развития процесса ухода судна на самопроизвольную циркуляцию (С0) — в) скорость развития реакции на изменение управляющего воздействия (Ср) .

3.Получены математические модели, связывающие показатели управляемости с некоторыми конструктивными параметрами судна, что позволило решать задачу повышения управляемости за счет оптимизации рассматриваемых параметров.

4. Введены обобщенные показатели управляемости, найдена область допустимых сочетаний размерений судна, обеспечивающих квазиоптимальные значения показателей. Проведен анализ зависимости частных и обобщенных показателей управляемости судна от конструктивных факторов. Показана возможность улучшения управляемости за счет незначительного изменения главных размерений судна.