W Y Ż S Z A	Zakład Automatyki Okrętowej				Nazwisko i imię
S Z K O Ł A M O R S K A w S Z C Z E C I N I E WYDZIAŁ MECHANICZNY	Nr ćw.	Temat ćwiczenia: Układy sterowania śrubą nastawną
Data wyk. ćwicz. 02-02-2000	Data odd. spr. 09-02-2000		Ocena	Podpis wykł.	GRUPA IV MA

Schemat układu sterowania

Układ sterujący

OBIEKT silnik główny śruba nastawna kadłub

Obiekt sterowania stanowią: silnik napędu głównego z regulatorem prędkości obrotowej, śruba nastawna z serwomechanizmem zmiany skoku i regulatorem skoku oraz kadłuba statku. 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 (Y z , Y i ) , wypracowuje takie nastawy dla silnika i śruby , aby z jednej strony , spełnić wymaganie jazdy z zadaną prędkością , z drugiej zaś , aby zadana prędkość utrzymana była przy pracy zespołu napędowego z maksymalną sprawnością .

Sterowanie programowe zespołem napędowym

Jest realizowane za pomocą automatycznej regulacji 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 minimalnego zużycia paliwa dla różnych prędkości statku lub na podstawie charakterystyk silnika , śruby , kadłuba z uwzględnieniem warunku maksymalnej sprawności pracy zespołu napędowego .

Program wyznaczony jest dla warunków przyjętych za najbardziej typowe dla statku . Przewidując trasy statku i opory kadłuba należy wyznacza się program zmiany nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej .Sterowanie wg tak określonego programu w warunkach innych niż te , dla których został opracowany jest zawsze związane ze spadkiem sprawności .

Stosowane na statkach układy sterowania pracują wg następujących programów :

1. H = f(n) - skok śruby w funkcji prędkości obrotowej

2. M = f(n) - moment obrotowy silnika w funkcji prędkości obrotowej

Ad 1. Warunki pływania określa krzywa T _D1 , w których będzie pływał statek . Przecinając charakterystykę H = f(n) tworzy z nią punkt pracy dla tych warunków (A) .

Przy zmianie warunków pływania z T _D1 na T _D2 otrzymujemy punkt pracy (B) . Warunki zewn. uległy pogorszeniu , wzrósł moment obrotowy śruby oraz obciążenie . Przyrost momentu obrotowego śruby może być tak duży , spowoduje przeciążenie silnika napędzającego śrubę . Z tych względów układy sterowania pracujące wg tego programu powinny być wyposażone w urządzenia zabezpieczające silnik przed przeciążeniem . pogorszenie warunków zewn. spowoduje również spadek sprawności śruby , a przez to i układu napędowego .

Ad 2. Praca programu odbywa się po prostej M = f(n) . Przy zmianie warunków pływania z T_D1 na T _D2 punkt pracy przesuwa się z (A) na (D) . Spadek sprawności jest teraz mniejszy niż w przypadku poprzedniego programu .Inną zaletą pływania wg tego programu jest to , ze nie wymaga specjalnego zabezpieczenia silnika przed przeciążeniem . Nadążając za zmianami warunków zewnętrznych układ sterujący będzie dobierał taki skok śruby , aby nie spowodować przeciążenia silnika .

Sterowanie optymalne zespołem napędowym

Dla danej prędkości statku istnieje tylko jedna para nastaw ( n , H ) przy której występuje maksymalna sprawność zespołu napędowego . Położenie optymalnego punktu pracy uzależnione jest od szeregu wielkości o charakterze stochastycznym , jak warunki zewnętrzne , stan kadłuba , stan śruby czy silnika . Celem wyznaczenia optymalnej pary nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej , wymagana jest znajomość aktualnych charakterystyk silnika , śruby i kadłuba lub wypadkowa charakterystyka napędowa całego zespołu napędowego .

System doboru optymalnych nastaw stanowi klasyczny układ doradczy , w którym dane z zespołu napędowego w postaci skoku śruby H , prędkości statku v , prędkości obrotowej n , momentu obrotowego na wale M są wprowadzane poprzez układ pomiarowy do pamięci komputera .

Rozwiązanie tego typu odznacza się zwiększonym bezpieczeństwem jego stosowania . Jego zadaniem jest określenie optymalnych nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika dla proponowanej prędkości statku . Również w przypadku awarii systemu komputerowego nie ma problemu przejścia na klasyczne sterowanie bez wspomagania .

Algorytm sterowania składa się z dwóch zasadniczych części : pomiarów okresowych ( charakterystyka zespołu napędowego ) oraz wyznaczenia - z uwzględnieniem aktualnego stanu obciążenia - optymalnych wartości nastaw ( n , H ) dla zadanej prędkości statku .

Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem

Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem można zrealizować na różne sposoby , np. : przez zastosowanie układu redukującego skok śruby gdy nastawa listwy paliwowej ( obciążenie silnika ) osiąga wartość maksymalną lub przez zastosowanie urządzenia , w którym program program sterowania zmieniał się będzie płynnie wraz ze zmianą prędkością statku .

Optymalny punkt pracy - różnica w stosunku do stanu wyjściowego

	Stan pierwotny	stan optymalny	śruba ciężka	śruba lekka
M [%]	75	78,8	82,00	65
N [kW]	4799	4654	5247	1459
H [dz]	40	45	40	40
n [obr/min]	130	121	130	130
v [w]	14	14	11,2	18
G [kg/h]	967,2	938,2	1056,4	840,9

Wnioski z ćwiczenia

Porównując stan pierwotny do stanu optymalnego stwierdzam, że silnik jest bardziej dociążony momentem obrotowym, moc zapotrzebowana do uzyskania tej samej prędkości statku jest mniejsza. Nastąpiło to kosztem zmniejszenia prędkości obrotowej silnika i zwiększeniem nastawy skoku śruby napędowej. Uzyskaliśmy dzięki temu mniejsze zużycie paliwa, a punkt współpracy silnika ze śrubą napędową statku przesunął się w kierunku większej sprawności.

Porównując stan pierwotny ze stanami w różnych warunkach pływania stwierdzam że nastawa skoku śruby oraz nastawa prędkości obrotowej silnika są nieprawidłowo dobrane do zaistniałych warunków zewnętrznych.

W przypadku śruby ciężkiej statek porusza się z prędkością 11.2 [w], zaś przy optymalizacji nastaw (H=44 n=134) uzyskalibyśmy prędkość wynoszącą 12.4 [w]. Warunki optymalne przesunęły się w kierunku wyższych prędkości obrotowych i większego skoku śruby. Obserwujemy tu znaczny przyrost obciążenia, mocy oraz godzinowego zużycia paliwa. Sytuacje tą możemy porównać do jazdy samochodem pod górkę.

Porównując zaś stan pierwotny do lekkich warunków pływania obserwujemy znaczny wzrost prędkości statku, spadek momentu obrotowego, mocy oraz godzinowego zużycia paliwa. Mimo tych zysków nie trafiliśmy jednak w punkt pracy optymalnej, gdzie układ pracowałby z najwyższą dla tych warunków sprawnością. Przy optymalnych nastawach (H=49 n=136) uzyskalibyśmy prędkość odpowiadającą 20.8 [w]. Sytuację tą można porównać do jazdy samochodu z górki.

Na wykresie ze strony pierwszej przedstawiono także położenia poszczególnych punktów optymalnych dla realizacji różnych prędkości pływania. Zaobserwowałem, że układ zaleca zmianę prędkości statku w zakresie 16 do 10 węzłów poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika napędu głównego przy zachowaniu stałego skoku śruby napędowej. Dalsza regulacja realizowana poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika jest ograniczona przez charakterystykę minimalnych obrotów silnika. Regulacja prędkości statku ralizowana jest więc poprzez zmianę skoku śruby przy zachowaniu stałej prędkości obrotowej silnika napędowego.

B

(H/D)₂

M=f(n)

H=f(n)

K_QA

K_QB

K_Q

(H/D)₁

T_D1

T_D2

A

C

D

J

X

Z

H_z

n_z

Y_i

Y_i

v

---