1. Autopilot - urządzenie które zastępuje czynności sternika poprzez układ automatycznego sterowania

Autopilot jest bezpośrednio sprzężony z układem sterowym (urządzenie wykonawcze). Wpływa on bezpośrednio na wychylenie płetwy sterowej.

Obecnie statki morskie są w zasadzie sterowane ręcznie tylko podczas przechodzenia przez kanały oraz cieśniny morskie o dużym natężeniu ruch oraz w razie ciężkiej sztormowej pogody.

Obsługa maszyny sterowej odbywa się z kolumny sterowej na mostku lub na skrzydłach mostka

Wymagane jest również posiadanie stanowiska sterowania awaryjnego które polega na ręcznej obsłudze siłowników odpowiedzialnych za wychylanie płetwy sterowej.

2. Korzyści płynące z faktu korzystania z autopilota:

- wzrost średniej prędkości statku

- oszczędność w eksploatacji statku

- skrócenie czasu rejsów

- zmniejszenie zużycia paliwa

3. Urządzenie sterowe składa się z trzech elementów:

a) telemanipulator - steruje pracą maszyny sterowej

b) maszyna sterowa - wyróżnimy 2 rodzaje ze względu na sposób przekładni:

- mechaniczna - urządzenia elektroniczno-mechaniczne

- hydrauliczne - urządzenia elektroniczno hydrauliczne

c) ster

4. Wymagania stawiane Autopilotom:

- utrzymywanie statku na określonym kursie

- optymalna praca przy zmianach kursu dokonywanych na pełnym morzu

(zmiana wychylenia wpływa na prędkość statku i zużycie paliwa)
5. Sterowność i zwrotność statku:

Stateczność:

- Statek stateczny kursowo - po odchyleniu się statku od kursu pierwotnego statek kontynuuje ruch po nowym kursie

- Statek niestateczny kursowo Roz odchylony od kursu z czasem zwiększa to odchylenie. Sterowanie takim statkiem jest bardzo uciążliwe.

Zwrotność:

- jednaki zwrotniejsze posiadają pogorszoną stateczność kursową

- statki mające lepszą stateczność są mniej zwrotne

6. Zaburzenia o charakterze ciągłym:

- Statyczne działanie wiatru (są tak silne że czasami aby je równoważyć trzeba wychylić ster nawet o 10 stopni):

Statki zawietrzne - odchylają się od kursu z wiatrem

Statki nawietrzne - odchylają się od kursu pod wiatr

- Przechyły statku (rozmieszczenie paliwa, towaru, balastów)

- Działanie śruby (Płytkie akweny oraz nierówne dno)

7. Zaburzenia doraźne:

- Oddziaływanie dynamiczne fali - fale uderzając o kadłub odchylają go od kursu

- Praca steru - wychylenia na lewą i prawą burtę w celu utrzymania statku na kursie również powodują odejście statku z nakreślonej trajektorii

8. Utrzymywanie statku na żądanym kursie:

- Statki handlowe ze względu na dużą stateczność kursową same wracają na kurs bez pomocy steru,

- Sternik uruchamia ster przy odchyleniu od kursu większym od jednego stopnia,

- Przy większym wychyleniu steru sternik wychyla statek o niewiele większy kąt i przytrzymuje go dłużej w zadanej pozycji,

- Doświadczony sternik przewiduje tendencję ruchu statku

9. Automatyczne sterowanie statkiem;

- Układ Otwarty - Układ w którym nie ma oddziaływania wielkości wyjściowej na wielkość wejściową. Układy otwarte nie SA w stanie równoważyć zmian wewnętrznych własności obiektów sterowania oraz z zasady nie mogą sterować obiektami niestabilnymi

- Układ Zamknięty - układ w którym istnieje sprzężenie zwrotne. Jednym z podstawowych układów automatyki jest układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Układ ten charakteryzuje się mniejszym wpływem zakłóceń działających na układ regulacji w porównaniu z układem otwartym.

10. Statek jako dynamiczny układ sterowania :

W celu uzyskania kontroli nad systemem (statkiem) należy zastosować układ regulacji który będzie określał wpływ sygnałów u(t) i y(t) (wejście i wyjście) i będzie wypracowywał odpowiednią decyzję:

Statek jako obiekt składa się z następujących bloków:

- blok sterowania - autopilot

- blok maszyny sterowej - człon wykonawczy

- blok sprzężenia zwrotnego
- blok lokalnego sprzężenia zwrotnego - zwiększa stabilność całego układu.

Ogólna zasada działania układu:

Odchyłka kursowa = Kurs rzeczywisty - kurs zadany

a) Ma to na celu uwzględnienie wartości odchyłki kursowej i późniejszy powrót na zadany kurs.

b) Wewnętrzne sprzężenie zwrotne przekazuje sygnał wychylenia steru do regulatora i ogranicza tym samym ilość włączeń maszyny sterowej

c) Główne ujemne sprzężenie zwrotne jest realizowane przez człon miarowy którym jest żyrokompas-przekazuje do autopilota kurs rzeczywisty statku

11. Regulacja kursu:

Aby uzyskać dobrą regulację kursu statku konieczne jest dopasowanie nastaw regulatora kursu do własności dynamicznych statku

Regulatory stosowane w autopilotach morskich są najczęściej typu:

Adaptacyjnego - Ich własności dynamiczne są optymalizowane przez automatyczne dostosowanie się warunków pracy obiektu. Adaptacja dotyczy tutaj dostrajania parametrów regulatora zawierającego tor adaptacji, do zmiennych parametrów statku jako obiektu sterowania:

- kątem wychylenia steru

- prędkością obrotu śruby

- wiatrem

- falowaniem

Dodatkowo w Autopilotach stosuje się element nieliniowy o regulowanej strefie nieczułość aby zwiększać lub zmniejszać czułość ingerencji autopilota.

12. Parametry nastawcze regulatorów, programowanie autopilotów:

Parametry regulatora podlegające regulacji to:

- Wychylenie - powoduje zmianę kąta wychylenia steru oraz czas pozostawania płetwy sterowej w wychyleniu skrajnym, czyli zmianę współczynnika wzmocnienia, interpretacja członu P,

- Tłumienie - powoduje zmianę wartości współczynnika wagowego członu D,

- Czułość - powoduje zmianę zakresu strefy martwej regulatora, związanej z myszkowaniem statku, interpretacja członu całkującego I,

-Ograniczenie wychylenia steru - pozwala na ograniczenie maksymalnego kąta wychylenia płetwy sterowej podczas pełnej prędkości statku w czasie automatycznej pracy urządzenia sterowego.

- Przy spokojnym morzu - Czułość na wartość minimalną aby ograniczyć strefę martwa statku,

- Średni stan morza - Zwiększamy strefę martwą statku i tłumienie aby statek oscylował możliwie blisko wyznaczonego kursu,

- Wysoki stan morza - tłumienie i czułość na poziomie maksymalnym

- Fala nadążająca (od rufy) - zwiększamy wychylenie

13. Zadanie regulatora adaptacyjnego:

- dobór optymalnych parametrów nastawialnych autopilota

- wyprzedzenie ruchu steru w stosunku do ruchu statku

- zmniejszenie częstotliwości i wartości kąta wychyleń steru

Współczesne autopiloty adaptacyjne można podzielić na 2 grupy:

- autopiloty z adaptacją autonomiczną - wbudowany model odniesienia

- autopiloty, wykorzystujące do adaptacji informacje z zewnątrz - same przestrajają niektóre wartości układu sterowania ponieważ jest w stanie pobierać te informacje z echosondą, logiem, miernikiem kołysań.

14. Tendencje dotyczące rozwoju autopilotów:

- oparte o algorytmy genetyczne i regulatory neuronowe

- rozwój autopilotów które wykorzystywane są podczas pływania po akwenach ograniczonych które musza zapewniać stałą prędkość kątowa oraz stały promień zwroty przy zmiennych zdolnościach manewrowych statku.

- Autopiloty sprzęgane automatycznie z Echosondą, Logiem oraz Odbiornikiem GPS.

- Możliwość sterowania statkiem z poza mostka - kilka kontrolerów autopilota.

15. Wymagania Prawne:

- kurs z dokładnością do 1 stopnia przy 6 węzłach,

- amplituda myszkowania 1 stopień przy 3 stopniach skali Beauforta, a 4 stopnie przy 5 Beauforta,

- blokada wychylenia steru do 35 stopni na burtę

- ręczna regulacja czułości w zależności od warunków oraz regulacja w zależności od właściwości manewrowych statku,

- wskaźnik o maksymalnym wychyleniu steru bądź osiągnięciu maksymalnego wychylenia.

- urządzenie do ręcznego sterowania maszyną sterową na pulpicie autopilota

- łatwy i prosty układ sterowania bez skomplikowanych elementów stosowanych przy sterowaniu automatycznym

- Przejście z automata na manuala przy jednej manipulacji w nie więcej niż 3 sekundy,

- Możliwość zmiany kursu statku na dowolny inny o 15 stopni bez przechodzenia na ręczne sterowanie

16. Skróty wykorzystywane w autopilotach:

COG - Course over ground - Kąt drogi nad dnem

Crs - Course - Kurs rzeczywisty

Dim - Dimmer - Podświetlenie konsoli

HDG - Heading - bieżący kurs rzeczywisty

CC - Compas Course - Kurs magnetyczny

Radius - maksymalny promień zwrotu

ROT - rate of turn - maksymalna prędkość wykonywania zwrotu przez statek w trybie Auto.

Set Course - Wartość zadana kursu

Stering mode Auto, manual, port wing, starborard wing, Joystick

Turn - Manewr o określony kąt

Alarmy:

• Deviation alarm - róznica pomiędzy kursem zadanym a rzeczywistym jest większa od wartości granicznej np. 5 stopni.

• Missing Heading data - Utrata informacji o kursie

• Power Failture - Awaria napedu płetwy sterowej

• Watch Alarm - Alarm generowany o określonej częstotliwości wymuszający ręczne wyłączenie go przez co zapewniona jest kontrola pracy system.

17. Echosondy - urządzenia wykorzystujące propagację fal w środowisku wodnym, mające szerokie zastosowanie w działalności morskiej. Podstawowe zastosowanie sond to:

- nawigacja morska

- hydrografia

- hydrolokacja

- geotechnika

- rybołówstwo

18. Klasyfikacja urządzeń hydroakustycznych:

- echosondy

- hydrolokatory

- logi hydroakustyczne

- urządzenia hydroakustyczne specjalnego przeznaczenia

19. Parametry mierzone przez urządzenia hydroakustyczne:

- czas pokonania pewnej odległości przez sygnał akustyczny - zapas wody pod stępką

- wielkość amplitudy odebranego sygnał akustycznego - pomiar kierunku

- różnica częstotliwości pomiędzy sygnałem nadanym i odebranym - pomiar prędkości

- różnica fazy - pomiar odległości (urządzenia specjalnego przeznaczenia)

20. Podział Echosond:

- nawigacyjne

- oceanograficzne

- hydrograficzne

- geodezyjne

- rybackie

-specjalnego przeznaczenia

Płaszczyzna pracy:

- pomiar w płaszczyźnie pionowej

- pomiar w płaszczyźnie poziomej

- pomiar pod dowolnym kątem

21. Charakterystyka fali hydroakustycznej:

- częstotliwość do 20 do 200kHz

- rozprzestrzenianie się z dużą prędkością - 1500 m/s

- w przybliżeniu prostoliniowa propagacja fal

- możliwość przenoszenia energii na stosunkowo znaczną odległość

- łatwość kierunkowego przenoszenia energii na stosunkowo znaczną odległość

- zdolność odbijania się części emitowanej energii od spotykanych na drodze przeszkód

- kąt odbicia równy kątowi padania fali

- stosunkowo łatwy sposób uzyskiwania fali ciśnieniowej z energii elektrycznej

- prędkość rozchodzenia się fali zależna od prędkości dźwięku w wodzie, zasolenia i temperatury

Wady:

- duże tłumienie ośrodka

- rozbieżność wiązki fali hydroakustycznej

- ograniczony zakres stosowanej częstotliwości.

22. Schemat budowy echosondy:

- zasilacz

- generator

- układ sterujący

- przetwornik nadawczo-odbiorczy

- wzmacniacz

- wyświetlacz

23. Błędy pomiaru głębokości:

- nachylenie dna

- kołysanie statku

- kształt odbieranego impulsu

- różnica prędkości dźwięku użytej do obliczeń a prędkości rzeczywistej

24. Parametry regulacji Echosond:

- Gain - Wzmocnienie - pozwala obserwować wyraźniej lub eliminować szumy

- TVG - Time Varying Gain - Wzmocnienie zależne od czasu - wzmacnianie ech obiektów znajdujących się w znacznej odległości od statku

- Picture, Image, Scroll Speed - Prędkość przesuwu obrazu

- Transmit Power, Power - Moc w impulsie

- Sensitivity Time Control (STC) - Dostosowanie czasowe czułości - tłumi małe I bliskie zakłucenia.

- Pulse Length, Pulse - Długość Impulsu

- Color Threshold, Color Killing - Eliminacja grup kolorów

- Sound Velocity, Sound Speed - Prędkośc dźwięku w wodzie

- Manual Range - Ustawienie ręczne zakresu pomiarowego

- Auto Range - Automatyczny zakres

- Depth Adjustment, Draft, Draught - Wprowadzenie zanurzenia statku

- Filter, Ping - Filtacja Obrazu

- Heave Sensor Dialog - okno dialogowe przechyłu statku

- Single Beam - pojedyncza wiązka

- double Beam - podwójna wiązka

- Multi Beam - wielowiązkowa

25. Parametry związane z wyświetlaniem echogramów:

- Units Measure, Depth Unit, Units - Ustawienie jednostek głębokości

- Language - język

- Speed, Vessel Speed - Prędkość Statku

- Display Mode - Tryb Wyświetlania

- Navigation mode - Tryb wyświetlania nawigacyjny

- Low/High Frequency - Wysoka/niska częstotliwość

- Dual - Tryb wyświetlania podwójnego

- Expansion - Rozszerzenie - umożliwia zobrazowanie wybranych obszarów

- Bottom Expansion - Rozszerzenie - powiększenie przydenne

- Variable Range Marker - Ruchomy znacznik odległości

- Line Mark, Marker, Event - Linia załącznika

- White Line - Biała Linia

- Digital - Prezentacja aktualnej wartości glębokości

- Arrangement - Rozmieszczenie zobrazowania

26. Alarms:

- Maximum Alarm - Alarm maksymalnej glębokości - Deep Water

- Minimum Alarm - Alarm o niebezpiecznie małym zapasie wody pod stępką

- Lost Bottom - Alarm zaniku odczytu dna

27. Metody transmisji danych w urządzeniach nawigacyjnych:

- RS232 - Recommended Standard - łącze szeregowe przystosowane do pracy asynchronicznej. Funkcjonuje w oparciu o kod ASCII. Maksymalna długość kabla 15m. Obciążenie odbiornika 3-7Kilo-omów

- RS485 - szeregowa transmisja cyfrowa przez dwuprzewodową symetryczną linię transmisyjną do której można podłączyć 32 nadajniki i 32 odbiorniki. Maksymalna długość Kabla 1200m. Obciążenie nadajnika 60 omów.

- Interfejs Ethernet - protokół tcp/ip, Topologia sieci - gwiazda, transfer do 100Mb na sekundę

- NMEA - National Marine Electronics Association - standard wykorzystywany przez większość urządzeń nawigacyjnych

---