AUTOMATY-ĆWICZENIA-IIIKOŁO

AUTOPILOT-LO2

ZADANIA AUTOPILOTA: --stabilizaja kursu, --stabilizacja trajektorii, --zwroty o stałym promieniu, --zwroty przy stałej prędkości kątowej.

W naszym przypadku najbardziej interesuje nas stabilizaja kursu

Ruch statku maożemy zobrazować w ten sposób

1-ψ,2-Δψ, 3-wektor prędkości,4- rzeczywisty tor ruchu (tylko kadłuba) myszkowanie, 5-tor ruchu śr ciężkości, 6-błąd, 7-A, 8-B

WNOISKI WYNIKAJĄCE Z RYSUNKU: --Zatem wystarczy trzymać kurs nie gożej niż Δψ, w drodz do punktu docelowego B., --Gdy statek myszkuje to nie wnosi przyrostu drogi a jedynie przyrost czasu, --Jeżeli występuja zakłucenie (prąd) to statek ma wypadkową prędkość,

Działanie Autopilota w zależności od warunków pogodowych: -Dobra pogoda - statek pali mniej bo zmiany kursu są bardziej wydatne i rzadsze, --Zła pogoda - stosowanie pilota jest niecelowe zmiany kursu duże i częste w nastepstwie czego maszyna sterowa się przegrzewa.

Szybkość zmiany wychylenia płetwy sterowej w przypadku przełożenia steru na z burty 35° na burtę 30° . Moc maszyny musi pozwalać na wykonanie tego dziłania w czasie max 28 sek.

Budowa Autopilota

Autopilot to układ automatycznej regulacji ze sprzężeniem zwrotnym podobnie jak każdy stabilizator.

Schemat działania układu sterowania statkiem

1-Energia, 2-Maszyna sterowa,3- β,4-β kat wychylenia, 5-zakłócenia, 6-Regulator kursu, 7-błąd kursu, 8-kurs zadany,9- kurs rzeczywisty, 10-żyrokompas, 11-sterowanie nadążne, 12-sterowanie awaryjne,

Nas najbardziej interesuje regulator kursu. Jego dokładny schemat możemy przedstawić w sposób następujący:

1-K_p⋅Δψ P, 2- K_d⋅ω D, 3-K_i⋅∫Δψdt I, 4-β_o, 5-Δψ, 6-ω, 7-Δψ, 8-żyro i czujnik omega

P- dopycha statek do kursu, D- zatrzymuje ruch obrotowy statku,

J-symetryzuje myszkowanie

MAMY WPŁYW NA PARAMETRY: Kp (1-5) czyli szybkość zmiany wychylenia, Kd czyli symetryczność myszkowania i przestawienie zera steru

Ki tłumienie wahań zmian kursu

ALGORYTM STEROWANIA MUSI ZAPEWNIAĆ: --realizowanie kryteriów jakości, --zapewnienie stabilizacja dynamicznej, --nie przeciążanie maszyny sterowej, --ograniczenie przechyłu przy zwrotach

KRYTERIA JAKOŚCI DO OCENY UTRZYMANIA KADŁUBA STATKU POD ODPOWIEDNIM KĄTEM: --kryteria ekonomiczne aby statek w danych warunkach płynął jak najszybciej, --kryterium dokładności sterowania, --statek powinien myszkować z minimalną możliwą amplitudą, --Przeregulowanie przy wejściu na nowy kurs nie powinno być większe niż 10%

KRYTERIA SUBIEKTYWNE:--średnia amplituda myszkowania przy V>6 kn nie większa niż :1° (3°B), 3° (6°B), 5° (>6°B)

nie przeciążenie maszyny sterowej, średni kurs nie gorzej niż 1°

AUTOPILOT: ZADANIA: stabilizacja kursu, stabilizacja trajektorii, zwroty ze stałym promieniem, zwroty ze stałą prędkością.

MYSZKOWANIE: działanie śruby, siły ssące na płytkowodziu.

WADY AUTOPILOTA: działanie prądu powoduje konieczność wprowadzania poprawek, skracanie po loksodromie (nie najkrótszą drogą), przy złej pogodzie przeciążenie maszyn sterowych. ZALETY: dobra pogoda- krótsza droga.

MASZYNA STEROWA: przełożenie 35⁰ LB- 35⁰PB 28sekund przy CN, szybkie zwroty, mała maszyna sterowa- lepsza stateczność.

STOSOWANE KRYTERIA JAKOŚCI DO OCENY UTRZYMANIA kadłuba pod odpowiednim kątem: 1) kryterium ekonomiczne: statek tak powinien być sterowany aby w danych warunkach płynąć jak najszybciej. 2) Dokładne sterowanie: statek powinien myszkować z możliwie najmniejszą amplitudą

Ze względu na duże zmiany parametrów obiektu (statku) parametry regulatora (autopilota) powinny być ciągle uaktualniane. Automatycznie nastawiane parametry uzyskuje się w regulatorach adaptacyjnych. Istnieją dwie grupy autopilotów adaptacyjnych:

--Z ADAPTACJA AUTONOMICZNĄ: adaptacja w tym układzie polega na minimalizacji funkcji f(e) =ke², a następnie po określeniu minimum, przestrajaniu współczynnika wzmocnienia w trze prędkości kątowej zwrotu statku.

-- Z ADAPTACJĄ NIEAUTONOMICZNĄ; ten rodzaj adaptacji polega na porównaniu wcześniej ustalonej jakości sterowania z jakością rzeczywistą uzyskaną w określonych warunkach zewnętrznych. W wyniku porównania zachodzi przestrajanie parametrów autopilota w celu uzyskania zadanej jakości sterowania.

-- ADAPTACJA UPROSZCZONA: polega ona na ręcznym wyborze nastaw autopilota- dla statku załadowanego lub pod balastem.

PYTANIA: 1) nary schemat blokowy ukl aut stabli polożenia płaszczyzny symetrii kadłuba wzgl południka (przy stabilizacji kursu)opisac elementy schematu, opisac role regulatora D .

1) (cw16)-budowa ukl regulacji kaskadowej, zasady doboru nastaw.

REGULACJA KASKADOWA:

RYS 1

W układach regulacji kaskadowej są stosowane dwa regulatory. Regulator główny (Rg) i pomocniczy (Rp).

Rp- jest zawsze regulatorem typu p (proporcjonalny)

Rg-typ pI (proporcjonalno calkujący).

Układ regulacji rp jest ukł szybkodziałającym, natomiast ukł z regulatora Rg jest ukł wolnodziałającym, przeciwdziała on głównie tym zakłóceniom które wpływają na podstawową wielkość regulowaną (temp).

Rp- nie potrafi skompensować wpływu innych zakłóceń, np. zminy temperatury otoczenia.

RYS 2

O₁- wpływ wielkości nastawianej na wielkość y_p, ,

O₂- fragment dynamiki obiektu, symbolizuje on wpływ y_p na zasadniczą wielkość.

ZALETY UKL REGULACJI KASKADOWEJ: -- lineryzacja charakterystyki statycznej części obiektu O₁, --kompensacja zakłóceń, np. zmian napięcia.

RYS 3

Nastawy regulatora można dobierać według reguły Zieglera- Nicholsa, która polega na tym, że regulator pI należy nastawić na działanie tylko proporcjonalne tzn. nastawić Tc nieskończoność albo max, a następnie zwiększając stopniowo współczynnik wzmocnienia należy doprowadzić do nietłumionych oscylacji. Otrzymane wartości to: k_p krytyczne, T oscylacji. Kolejno dla normalnej pracy regulatora należy wprowadzić nastawy k_p=0,45k_p krytycznego, T_c=0,85T oscylacji.

REGULACJA KASKADOWA: W niektórych przypadkach można dla określenia obiektu wybrać pewną wielkość wy pomocniczą, na którą wszelkie zakłócenia wpływają znacznie wcześniej niż na wielkość regulowaną. Wykorzystanie tej wielkości pomocniczej w regulacji pozwala regulatorowi odpowiednio wcześniej wpłynąć na wielkość nastawianą niż to byłoby możliwe do chwili gdy uwidoczni się wpływ tego zakłócenia wielk regulowaną, dlatego też wprowadza się regulację kaskadową.

Gł. Wielkości regul jest temperatura „V”, typowym zakłóceniem w tym przypadku jest zmiana napięć zasilającego U_Z ,jego zmiany (gdyby nie było regul pomoc R_P) dopiero po pewnym czasie uwidoczniłyby się w zmianach temp pieca. Dlatego też wykorzystuje się zmiany napięcia zasil pieca jako pomoc wielkość regul. V. W regulacji kaskadowej regulator R_P jest zwsze typu P (reg. proporcjonalnym), zaś R_g typu PI. R_g nie potrafi skompresować wpływu innych zakłóceń np. zmiany temp otoczenia.

WŁAŚNOŚCI REGULACJI KASKADOWEJ:

1) Możliwość kompensacji mierzalnych zakłóceń. 2) Linearyzacja charakterystyki statycznej obiektu. 3) Neutralizujące działanie na własn dynamiczne części obiektu.

Nastawy regulatora można dobrać na podstawie met skoku jednostek. Jeżeli na obiekcie zainstalowany jest regulator typu

PID ( G_PID(s)= k(1+ 1/St_i + St_d)) wyłącza się działanie całkujące (T_i= max lub nieskończoność) następnie zwiększając stopniowo współczynnik „k” określa się taką wart jego (krytyczną) przy którym ukł znajduje się na granicy stabilności oraz mierzy w tym stanie okres oscylacji.

RYS 3

ĆWICZENIA AUTOMATY- KOLO II

Układy sterowania śrubą stałą

1) Funkcje zdalnego sterowania

PRZESTEROWANIE I ROZRUCH SILNIKA: Aby nastąpił rozruch silnika wykonujemy następujące czynności (podobnie podczas zmiany kierunku obrotów): --przesterownie silnika w żądanym kierunku NAPRZÓD lub WSTECZ, --Kontrola przesterownia silnika, --Podanie powietrza rozruchowego do cylindrów, --Ustawienie dawki rozruchowej paliwa, --Kontrola czasu trwania pojedynczego rozruchu i obrotów zapłonowych, --powtórzenie rozruchu w przypadku nieudanego rozruchu, --Zablokowanie możliwości dalszych rozruchów po przekroczeniu ustalonej liczby rozruchów nieudanych, --wytworzenie sygnału nieudanego rozruchu,--Przerwanie podawania powietrza po udanym rozruchu.

OBCIĄŻENIE SILNIKA:--jak poprzednio.

PRZEŁĄCZANIE STANOWISK STEROWANIA I ICH SYGNALIZACJA:-- Wytwarzanie sygnału żądania przełączenia sterowania na określone stanowisko, --wytworzenie sygnału o przejęciu sterowania, --Wytworzenie sygnału o aktualnie czynnym stanie sterowania, --Blokowanie nieczynnych stanowisk.

BLOKOWANIE CIĄGŁEJ PRACY SILNIKA W ZAKRESIE OBROTÓW KRYTYCZNYCH:--Przetrzymanie silnika na dolnym poziomie obrotów krytycznych, --Wytworzenie sygnału sterującego przejściem na górny poziom obrotów krytycznych, --Zadanie odwrotne do wyżej wymienionych przy redukowaniu obciążenia silnika.

FUNKCJE KONTROLNE: --Sygnalizacja stanów silnika i UZS, --Sygnalizacja alarmowa stanów awaryjnych.

Sytuacje alarmowe

Układ kontroluje czas podawania powietrza i gdy przekroczy wartość zadaną czasu przewidzianego na rozruch przestaje podawać powietrze. Także gdy silnik pracuje chwilę i gaśnie to układ podejmuje 3 kolejne próby (za każdym razem zwiększając ilość paliwa rozruchowego) a gdy dalej nie ma rozruchu to zgłaszany jest alarm.

2)Programowe obciążanie silnika

Założeniem programowego obciążenia silnika jest niedopuszczenie do przeciążenia termicznego i mechanicznego maszyny. Ponieważ najłatwiej jest przeciążyć momentem obrotowym konieczne jest sterowanie obrotami silnika. Należy także nie dopuścić do pracy silnika na zakresie obrotów krytycznych (obszar zakreskowany) gdyż grozi to wejściem w rezonans i zniszczeniem silnika (a nawet wyrwaniem z fundamentów). Może się zdążyć że są takie dwa zakresy. Prędkość ta musi być przekroczona skokowo. Czas T₁ konieczny jest do wejścia w termiczny reżim pracy i jest on nieregulowany. Czas T₂ powinien być większy od 30 min a jest to związane z naprężeniami termicznymi i dynamicznymi na silniku. Uruchomienie w czasie T₃ jest stosowany w sytuacjach awaryjnych z pominięciem obciążania programowego.

3)Funkcje układu bezpieczeństwa

WOLNE OBRACANIE: powinno być wykonane przed rozruchem silnika o ile jego postój trwał dłużej niż 30 minut. Podczas sterowania automatycznego wolne obracanie dokonuje się automatycznie w ramach cyklu rozruchowego, jeśli czas postoju przy sterowaniu automatycznym przekroczył 30 min. Przy sterowaniu ręcznym z CMK wolne obracanie uruchamia się ręcznie.

Układ bezpieczeństwa posiada oddzielne niż układ kontrolny czujniki pomiarowe, monitorujące wszystkie główne parametry pracy silnika. Te parametry to przede wszystkim: olej łożysk głównych (temp. i ciśnienie) , instalacja chłodząca (temp. i ciśnienie), układ wydechowy(temperatura). Może także śledzić szereg innych parametrów. Gdy wystąpi sytuacja awaryjna (np przeciążenie) to podejmowana jest decyzja np wyłączenie silnika. Sytuacje jakie mogą zaistnieć:-

SLOW DOWN- ograniczenie prędkości obrotowej (obciążenie silnika). W układach ze śrubą stałą ograniczenie obciążenia realizowane jest przez redukcję prędkości obrotowej silnika a w układach ze śrubą nastawną przez redukcję skoku śruby napędowej. Redukcję obciążenia powodują następujące parametry: --Niskie ciśnienie oleju łożysk głównych i łożyska oporowego, --Wysoka temperatura łożyska oporowego, --Wysoka temperatura powietrza doładowania, --Mgła olejowa w przestrzeni podtłokowej, -- Wysoka temperatura oleju (wody) chłodzącego tłoki, --Niskie ciśnienie oleju (wody) chłodzącej tłoki, --Wysoka temperatura wody chłodzącej cylindry, niskie ciśnienie, --Wysoka temperatura gazów wydechowych.

SHUT DOWN- zatrzymanie silnika głównego. Zatrzymanie pracy silnika może nastąpić w sytuacjach: --Przekroczenie prędkości obrotowej- zatrzymanie silnika następuje po przekroczeniu 110% obrotów nominalnych. -Niskie ciśnienie oleju łożysk głównych i oporowego jeżeli ciśnienie oleju smarowego spadnie poniżej wartości progowej (np.0,8MPa) zatrzymanie silnika. -Podobnie jest po przekroczeniu wysokiej temop łożyska oporowego, niskie ciśnienie oleju i innych zalecanych przez producenta bądź armatora.

. Dodatkowo stosuje się funkcję z podtrzymaniem czyli po zaistnieniu awarii należy potwierdzić parametr zatrzymujący (awarię).

4) Elementy stanowiska sterowania

Oprócz takich elementów jak manetki telegrafu ,regulatory prędkości obrotowej, obrotomierze, sterowanie sterami strumieniowymi, są także specjalne przyciski Emergency Run i Emergency Stop.

AWARYJNA PRACA (Emergency Run); służy do odłączenia układu bezpieczeństwa i programowalnego obciążenia silnika gdy zachodzi taka konieczność (sytuacja awaryjna). Po jego użyciu silnik nie może być zatrzymany przez układ zabezpieczający. Na ogół dotyczy odłączenia wszystkich układów bezpieczeństwa oprócz przekroczenia obrotów o 11% od wartości maxymalnej i rzadziej smarowania łożysk. Układ ten powinien być użyty tylko w przypadkach gdy wymaga tego bezpieczeństwo żeglugi. Nieodpowiednie użycie może doprowadzić do zniszczenia silnika.

AWARYJNY STOP (Emergency Stop): to przycisk pozwalający na zatrzymanie silnika w przypadku gdy zawiedzie układ sterowania a sytuacja wymaga zatrzymania, z ominięciem wszystkich modułów pośrednich (układów sterowania silnikiem). Naciśnięcie przycisku spowoduje podanie napięcia na cewkę odpowiedniego przekaźnika i odcięcie paliwa na pompach wtryskowych. Układ ten może być systemem samopodtrzymującym się i jego wyłączenie może nastąpić poprzez: --Ponowne wciśnięcie (awaryjny stop), --Wciśnięcie przycisku (awaryjna praca), .

SCHEMAT BLOKOWY UKŁADU STEROWANIA PROGRAMOWEGO; H= f(n): sterowanie programowalne zespołem napędowym polega na automatycznej realizacji związku funkcyjnego pomiędzy dwoma parametrami pracy zespołu, równolegle z utrzymaniem wartości zadanej prędkości statku lub mocy silnika. Programy wyznacza się bezpośrednio z charakterystyk napędowych stosując kryterium zużycia paliwa dla różnych prędkości statku lub na podstawie charakterystyk silnika, śruby, kadłuba z uwzględnieniem warunków max sprawności pracy zespołu napędowego.

SCHEMAT: 1-dźwignia sterująca, 2-pokrętło korekty programu, 3-regulator prędkości obrotowej, 4- mechanizm zmiany skoku.

Układ H= f(n) z ręczną korektą programu, zwykło to samo bez „2”.

K- krzywki, RYS 2

Przesunięcie dźwigni spowoduje zmianę wartości ciśnienia p₁ i p₂ na wyjściu zadajników co spowoduje zmianę zadanych wartości skoku śruby i prędkości obrotowej silnika poprzez układy nadążne.

SCHEMAT BLOKOWY UKŁADU STEROWANIA:

RYS 1

Y_i- sygnał o bieżącym stanie pracy zespołu napędowego, z- zakłócenia, h_z- zadana prędkość obrotowa, H_z- zadana wartość skoku śruby, X- sygnał zadany, V- pHdk statku.

FUNKCJE: --czasowe obciążenie silnika przy przejściach z jednego stanu pracy do drugiego, --zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem, --praca w stanach awaryjnych, --zabezpieczenie przed pracą w zakresie obrotów krytycznych, --kontrola przebiegu rozruchu i zatrzymanie silnika.

JAKIE FUNKCJE POWINIEN REALIZOWAĆ UKŁAD STEROWANIA OPTYMALNEGO ZESPOŁEM NAPĘDOWYM ZE ŚRUBĄ NASTAWNĄ: Istotną zaletą jest zwiększone bezpieczeństwo jego stosowania, a funkcje jakie powinien realizować to: 1) Wyznaczanie optymalnych ( ze względu na max sprawność śruby i silnika) nastaw prędkości obrotowej silnika i skoku śruby w każdych warunkach pływania dla każdej prędkości. 2) Wyznaczanie punktu pracy silnika w polu charakterystyki i orzekanie o określonym stanie obciążenia. 3) Wyznaczanie godzinowego, jednostkowego i globalnego zużycia paliwa dla całego zakresu prędkości statku. 4) Wyznaczenie aktualnej charakterystyki napędowej. 5)Wyznaczenie max i min prędkości statku przy których występuje przeciążenie silnika z uwzględnieniem warunków pływania. 6) Wyznaczanie powyższych wielkości dla przewidywanych warunków pływania np. przy wzroście oporu o 20%

CZY MECHANIK MA MOŻLIWOŚĆ INGEROWANIA W NASTAWY PRZESYŁANE Z MOSTKA DO SILNIKA: Jeżeli nawigator chce przełączyć sterowanie na mostek musi najpierw wcisnąć przycisk MOSTEK, który wskazuje mechanikowi o jego zamiarach (zapala się w CMK). Mechanik powinien potwierdzić przekazanie sterowania.

Sytuacja odwrotna jest możliwa w każdej chwili, tj. mechanik może w każdym momencie zabrać sterowanie do CMK lub na stanowisko przysilnikowe bez pytania o zgodę nawigatora. Wymagają tego względy bezpieczeństwa pracy siłowni. Takie bezpośrednie zabieranie sterowania powinno mieć miejsce jedynie w sytuacjach awaryjnych.

JAKIE OGRANICZENIA WPROWADZA ZAŁĄCZENIE PRĄDNICY WAŁOWEJ: Zastosowanie prądnicy wałowej uniemożliwia zmianę prędkości obrotowej silnika w trakcie eksploatacji. Stałe obroty prądnicy utrzymuje regulator prędkości obrotowej silnika głównego napędzającego prądnicę wałową. Zmiany prędkości statku realizowane są jedynie poprzez zmianę skoku śruby- ale poza tym charakteryzuje wieloma zaletami: zmniejsza koszty zużycia paliwa, zastosowanie silników nienawrotnych, obniża koszty, zmniejsza poziom hałasu i drgań w maszynie. Koszty inwestycyjne przeważają jedynie na niekorzyść prądnic wałowych.

SYSTEM COMBINATOR: Pojęcie Combinator określa sprzężone jednoczesne sterowanie prędkością obrotową i skokiem śruby przy pomocy jednej dźwigni sterującej- sterowanie programowe H= f(n). Ten tryb pracy jest dostępny podczas sterowania z mostku oraz z CMK- dźwignia sterowania skokiem. W celu zapewnienia maksymalnej sprawności i optymalnych warunków pracy układu napędowego silnik- śruba nastawna realizowano sterowanie programowe H= f(n).

UKŁAD STEROWANIA: w systemie sterowania statkiem układ sterowania zespołem napędowym jest układem, który otrzymuje z układu nadrzędnego (człowiek, komputer) sygnał wartości zadanej Y₂ ,natomiast z czujników sygnały o bieżącym stanie pracy zespołu napędowego Y_i. Układ sterujący stanowi jednostka główna z zapisanym w jej pamięci programem sterowania oraz zestaw urządzeń umożliwiających połączenie jednostki z różnego rodzaju czujnikami, dźwigniami sterującymi itp. Układ sterujący w oparciu o uzyskane informacje (Y₂, ,Y_i) wypracowuje takie nastawy dla silnika i śruby aby z jednej strony spełnić wymagania jazdy z zadaną prędkością, z drugiej zaś strony, aby zadana prędkość utrzymana była przy pracy zespołu napędowego z maksymalną sprawnością.

błąd

B

A

ψ

Δψ

s

kurs zadany

sterowanie awaryjne

zakłócenia

Obiekt regulacji (statek)

energia

β

v=const

sterowanie

błąd kursu

ω

Δψ

Δψ

β_o

---