Судно как управляемая система.

Введение

Изучение курса «Основы управления судном» преследует следующие цели:

- дать будущему судоводителю четкую физическую картину о сложных явлениях, возникающих при маневрировании судна в различных условиях плавания;

- дать представление об основных общепринятых практических методах определения усилий, действующих на судно и параметров его движения;

- дать рекомендации по использованию результатов теоретических исследований при практической эксплуатации судна.

Каждая новая публикация, связанная с вопросами управления судном, вызывает интерес у судоводителей.

Однако, зачастую, бегло просмотрев ту или иную брошюру, они возвращают её на полку. И дело не в том, что судоводители находят её неинтересной, а в том, что многие издания перенасыщены теоретическими выкладками и подходят больше для инженеров исследователей, для использования в компьютерных расчетах при проектировании судов и для создания различных компьютерных программ на судоводительских тренажерах. Для студентов, впервые открывающих такую книгу по одной из основных дисциплин будущей специальности, она представляется не в меру сложной и запутанной.

А где много неясного, там появляется неуверенность и, как следствие, падение интереса к излагаемому материалу.

В судовых же условиях у капитана и его помощников возможности по производству каких-либо теоретических расчетов ограничены общей организацией службы, чрезмерной занятостью. Судоводители часто отмечают, что управление судном, особенно в стесненных условиях плавания, является скорее формой искусства, чем наукой. Нередко оно основывается на интуиции, когда требуется определение динамического баланса между силами, действующими на судно для сохранения контроля над его движением. С другой стороны, именно научные теоретические и экспериментальные исследования позволяют заранее определить параметры движения и критерии обеспечивающие эффективность того или иного маневра в конкретных условиях плавания.

В связи с этим материал, изложенный в данном пособии, в достаточно упрощенной форме содержит основы теории управляемости.

При этом, автором сделана попытка максимально возможного разъяснения, в каком виде получаемые теоретические результаты могут быть использованы на ходовом мостике при управлении судном.          

Основные понятия и определения.

Судно как управляемая система.

       На судно всегда оказывает влияние ряд факторов, которые при суммарном воздействии и определяют его способности маневрирования. Условно их можно разделить на три группы.

    К первой относятся средства, полностью подчиненные контролю судоводителя:

    - режим работы двигателей и соответственно частота вращения гребных винтов;

    - рулевые органы ( в т.ч. подруливающие устройства);

    - якорное устройство;

    - швартовное устройство;

    - вспомогательные суда.

    К второй относятся факторы, которыми судоводитель может управлять только косвенно путем изменения режима работы двигателей: силы инерции, влияние мелководья, гидродинамические силы присасывания и отталкивания с другими судами и берегом.

    К третьей группе можно отнести силы, которые не поддаются контролю судоводителя: воздействие ветра, течения, волнения.

    От того, насколько полно и правильно судоводитель может оценить и учесть в совокупности влияние всех отмеченных факторов, во многом зависит успех выполнения того или иного маневра.

    В настоящее время в дисциплине «Управление судном» сложились следующие основные понятия, которые определяют маневренные характеристики судов.

    Ходкость – способность судна осуществлять движение с заданной скоростью.

    Управляемость – способность судна к безопасному и эффективному маневрированию в различных эксплуатационных условиях. Под маневрированием следует понимать преднамеренное изменение каких-либо параметров движения судна.

    Классическое определение управляемости судна включает в себя две основные характеристики:

    - устойчивость на прямом курсе (т.е. способность сохранять заданный судоводителем курс);

    -поворотливость (способность изменять курс по заданной судоводителем траектории дв

ижения).

    Из приведенных определений видно, что устойчивость на курсе и поворотливость являются противоположными качествами. Т.е. при улучшении устойчивости поворотливость ухудшается, и наоборот.

    Таким образом, можно считать, что судно обладает управляемостью, если судоводитель знает, как оно поведет себя после тех или иных его действий.

    При этом целью управления судном является поддержание и измерение каких-либо величин, определяющих характер его движения (например, безопасный курс и скорость). В этом смысле судно является управляемой системой. Все эти величины по виду воздействия на судно можно разделить на 2 группы: входные и выходные.

    Под входными понимают такие, изменение которых ведет к изменению параметров движения судна. В распоряжении судоводителя в ходовой рубке таких входных (управляющих) величин только две:

    - изменение частоты вращения движителей;

    - изменение положения рулевого органа (а при наличии на судне и включение в работу дополнительных средств управления, таких, как подруливающее устройство, опускающиеся рули и т.п.).

    Под выходными величинами понимают наблюдаемые параметры управляемого движения судна:

    - линейная скорость;

    - угловая скорость;

    - угол курса;

    - угол скорости; угол дрейфа;

    - кривизна траектории движения и др.

    Именно значения выходных параметров и определяют управляемость судна. Считается, что управляемость обеспечивается, если тот или иной выходной параметр поддерживается или изменяется в желательном направлении (например, выбранный судоводителем курс судна) Маневренность судна определяется скоростью изменения его выходных управляемых параметров.

    Из вышеприведенного следует, что управляемость характеризует преднамеренное сохранение или изменение выходного (управляемого) параметра в нужном направлении без учета скорости этого изменения, т.е. принципиальную возможность совершения какого-то заданного маневра.

    Тогда под маневренностью следует понимать возможность обеспечения заданной судоводителем скоротечности выполнения маневра.

    Очевидно, что потеря маневренности приводит и к потере управляемости, т.к. выполнение любого маневра невозможно с нулевой скоростью.

    Как и любая другая управляемая по выходным параметрам система, судно состоит из:

    - объекта управления (корпус судна, движители);

    - средства управления (движительно-рулевые органы и другие технические средства с помощью которых к судну прикладываются различные усилия);

    - управляющее устройство (подсистема, осуществляющая управление: авторулевой, судоводитель).

    Принципиальная блок-схема судна, как управляемой системы может быть представлена в следующем виде (рис.1).

                        Рис. 1 Блок-схема судна, как управляемой системы

  Другими словами, при ручном управлении, когда рулевой удерживает судно на заданном курсе по компасу, чувствительным элементом является картушка компаса и глаза рулевого, преобразующим элементом – его мозг, исполнительным – руки рулевого, средством управления – рулевое устройство, которым манипулирует рулевой, объектом управления – корпус судна.

    Такое представление судна в виде управляемой системы позволяет от общих понятий перейти непосредственно к процессу управления судном.