Материал: Sb97588

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В. М. АМБРОСОВСКИЙ А. Г. ШПЕКТОРОВ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СКОРОСТНОГО СУДНА

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

УДК 629.5.05 (07)

ББК О 42-05я7

А84

Амбросовский В. М., Шпекторов А. Г.

А84 Исследовательское проектирование системы управления движением скоростного судна: учеб.-метод. пособие к курсовой работе по дисц. «Системы управления морскими подвижными объектами». СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 35 с.

ISBN 978-5-7629-2414-6

Содержит указания по расчету и исследованию оптимального линейного закона стабилизации судна на воздушной подушке амфибийного типа на траектории. Подробно описаны особенности судна как объекта управления. Приведены теоретические основы синтеза и анализа системы стабилизации бокового отклонения.

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению 27.04.00 «Управление в технических системах».

УДК 629.5.05 (07)

ББК О 42-05я7

Рецензент: кафедра судовой автоматики и измерений СПбГМТУ (зав. кафедрой канд. техн. наук доцент С. А. Согонов).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсовой работы является выработка у студентов умения и практических навыков анализа судна на воздушной подушке амфибийного типа (СВП) как динамической системы, определения структуры и расчета параметров закона стабилизации бокового сноса СВП на основе теории оптимальных процессов, а также разработки структурной и принципиальной схем системы стабилизации бокового отклонения.

Курсовая работа включает в себя следующие основные этапы:

1.Постановку задачи, в ходе которой уточняются технические требования к рассчитываемой системе.

2.Исследование движения СВП в горизонтальной плоскости (определение установившихся режимов движения СВП в условиях безветрия и при ветре, анализ их устойчивости, определение областей притяжения устойчивых режимов, определение эффективности руля).

3.Расчет и исследование закона стабилизации бокового отклонения СВП (расчет оптимального закона управления, исследование корневых годографов оптимальной замкнутой системы, исследование зависимостей коэффициентов обратной связи от корней замкнутой системы).

4.Анализ динамики СВП с регулятором: исследование частотных характеристик и переходных процессов, сравнительный анализ реакции замкнутого и разомкнутого объекта управления на действие возмущения.

5.Разработка структурной и принципиальной схем системы стабилизации бокового отклонения.

1.ОСОБЕННОСТИ СВП КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Вцелях снижения сопротивления суда на воздушной подушке поднимаются над несущей поверхностью с помощью слоя сжатого воздуха (воздушной подушки). По способу образования воздушной подушки СВП подразделяются на амфибийные и скеговые. У большинства современных амфибийных судов воздушная подушка образуется по сопловой схеме, т.е. за счет сжатого воздуха, подаваемого из ресивера через специальные, обычно – гибкие сопла, расположенные по всему периметру воздушной подушки. Давление воздуха в ресивере создается осевыми или центробежными нагнетателями. Воздушная подушка амфибийных судов имеет гибкое ограждение – «юбку» и гибкие продольные и поперечные кили для секционирования воздушной подушки с це-

3

лью обеспечения продольной и поперечной остойчивости судна. Скеговые суда имеют корпус катамаранного типа. Воздушная подушка у этих судов только у носа и кормы ограничена гибким ограждением, а по бортам – водоизмещающими корпусами-скегами, постоянно погруженными в воду.

В качестве движителей на СВП амфибийного типа используют аэродинамические винты, а на скеговых судах применяют водометные движители или гребные суперкавитирующие гребные винты.

К средствам управления на амфибийных СВП относятся: вертикальные аэродинамические рули, создающие момент рысканья и боковую силу; побортно расположенные нагнетатели с заслонками, позволяющие регулировать подачу воздуха в ресивер и тем самым создавать момент крена, обеспечивать аварийную посадку судна; различного рода струйные рули или подруливающие устройства, создающие управляющие силы и моменты с помощью сжатого воздуха, находящегося в ресивере; побортно расположенные аэродинамические винты регулируемого или фиксированного шага, позволяющие плавно изменять тягу от полного хода вперед до полного хода назад с помощью механизма изменения шага или изменением оборотов.

СВП могут двигаться в водоизмещающем режиме и на воздушной п о- душке. В водоизмещающем режиме СВП ведет себя как обычное водоизмещающее судно. Динамические характеристики СВП при движении на воздушной подушке существенно различаются в диапазоне «догорбовых» (FrL < 0.5) и «загорбовых» (FrL > 1) скоростей.

Составляющие буксировочного сопротивления СВП приведены на рис. 1.1. Из рисунка видно, что на «догорбовых» скоростях на движение СВП существенное влияние оказывают гидродинамические силы, а на «загорбовых» скоростях значение гидродинамических сил становится меньше, приближаясь к аэродинамическим силам. Характер движения СВП на «загорбовых» скоростях близок к движению СВП над твердой поверхностью (экраном). Максимум буксировочного сопротивления СВП существенно зависит от его центровки (от смещения центра тяжести): чем больше начальный дифферент судна на корму, тем больше «горб» сопротивления [1].

Для амфибийных СВП, обладающих малым удлинением (малым отношением LAC/BAC), характерна система поперечных волн. Значение волнового сопротивления находится в зависимости от числа Фруда. С увеличением числа Фруда при FrL > 0.6…0.7 (после «горба» сопротивления) волновое сопротивление монотонно падает вследствие инерционности воды.

4

Гидродинамические характеристики СВП существенно зависят от скорости хода, центровки и дрейфа судна. На рис. 1.2 приведена примерная зависимость гидродинамического момента СВП от угла дрейфа [2]. При увеличении скорости хода значение гидродинамических сил уменьшается. На «догорбовых» и «загорбовых» скоростях гидродинамические силы могут иметь разные знаки.

Рис. 1.1

Вопросы стабилизации СВП на курсе или траектории, а также маневрирования очень сложны, особенно для амфибийных СВП, имеющих только аэродинамические средства управления, воздействие которых на движение судна сравнительно невелико. В отличие от водоизмещающих судов устойчивость амфибийных СВП на курсе существенным образом зависит от высоты подъема и дифферента [1]. При движении судна с дифферентом на корму точка приложения боковой силы гидродинамического взаимодействия гибкого ограждения смещена в корму относительно центра тяжести, что обеспечивает устойчивость судна на куре. При уменьшении ходового дифферента, вследствие увеличения скорости хода или изменения центровки, а также колебания по дифференту, указанное условие устойчивости судна на курсе мо-

5