Schemat  układu  sterowania

Z

v

nz

X

Układ  Yi sterujący

Hz

OBIEKT -          Yi -          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

KQ

TD2

KQB

B

H=f(n)

TD1

D

A

M=f(n)

KQA

(H/D)1

C

(H/D)2

J

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  TD1   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

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.

...