Исследование системы управления горизонтальным положением парома

Движение морского подвижного объекта (МПО) происходит в условиях постоянного воздействия ветра, течений, морского волнения. Взаимодействие перемещающихся частиц воды и воздуха с корпусом движущегося объекта приводит к возникновению гидроаэродинамических сил моментов, которые образуют ветро-волновые возмущения.    В результате этих внешних воздействий появляется качка (бортовая, килевая, вертикальная), рыскание и боковой снос (дрейф), снижается скорость поступательного движения МПО.
Качка судна – наложение симметричных и несимметричных перемещений, обусловленных характером действия возникающих сил. Симметричные перемещения обусловлены периодическими силами, несимметричные – силами постоянного направления. Под воздействием этих сил МПО совершает сложные колебательные движения. Ввиду нерегулярности возмущений, колебания судна также оказываются нерегулярными [1].
На рисунке 1 приведены виды качки, которые возникают у МПО с шестью степенями свободы при движении по морской взволнованной поверхности [2].
Наиболее интенсивны колебания относительно продольной оси, т.е. бортовая качка. Она неблагоприятно отражается на эксплуатационной эффективности судна и условиях работы. Также заметное воздействие на судно и его экипаж могут оказать килевая и вертикальная качки. На бортовую качку налагаются ветровые крены и крены от несимметричного размещения грузов, на килевую – ходовой дифферент и дифферент от балансировки. Углы килевой и бортовой качки могут достигать достаточно больших значений. В результате килевой качки может возникать необходимость в снижении скорости судна или изменении курса во избежание повреждений.
Наиболее существенными из неблагоприятных последствий качки можно обозначить следующие:
-    ухудшение запаса динамической остойчивости судна, которое в особо неблагоприятных условиях привести к его опрокидыванию;
-    возникновение дополнительных инерционных сил, действующих на механизмы, устройства, приборы и снижение их точности и надежности;
-    ухудшение управляемости судна;
-    уменьшение ходовой скорости судна;
-    ухудшение условий обитаемости и комфорта для экипажа и пассажиров, вследствие биологического воздействия качки на гироскопические качества человеческого организма.
Как видно, множество неприятных факторов, которые содержит в себе проблема качки МПО, могут вызвать очень серьезные последствия для судна. В связи с этим, для компенсации качки были разработаны различные исполнительные механизмы управления МПО (рули, подруливающие устройства, движители, крылья и т.п.), существенная часть мощности которых расходуется на компенсацию возмущающего воздействия среды.
Одними из таких устройств являются успокоители (или стабилизаторы) качки, то есть такие механизмы, которые имеют возможность управления положением судна на морской поверхности и могут изменять свои параметры в зависимости от внешних условий.
Задача, которую призваны решать успокоители качки, сводится к улучшению мореходных качеств судна на нерегулярном волнении, а, следовательно, и эксплуатационных качеств судов. К числу основных требований к успокоителям качки относятся:
-    высокая эффективность уменьшения амплитуды качки;
-    конструктивное совершенство и надежность отдельных узлов и всего устройства в комплексе;
-    возможность рационального размещения успокоителя качки на судне;
-    экономичность создания устройства и его эксплуатации;
-    минимальное влияние на уменьшение скорости хода судна;
-    создание комфорта и максимально благоприятных условий обитаемости для экипажа и пассажиров (особенно актуально для пассажирских судов).
Значительные массогабаритные характеристики успокоителя качки (в среднем масса современного используемого устройства такого типа равна 1% от всей массы судна) делают необходимой задачу более глубокого и тщательного исследования обозначенной проблемы, а также создания новых современных устройств подобного типа [1].
Цель проекта – исследование динамических свойств МПО и синтез стабилизатора, минимизирующего угол килевой качки.
Задачи проекта
1)    Анализ динамических свойств МПО, описание которого заранее задано линейной математической моделью в виде передаточной функции;
2)    Синтез регулятора системы управления горизонтальным положением МПО, минимизирующего угол килевой качки в условиях воздействия внешних возмущений.
В качестве примера в настоящем проекте будем использовать технические характеристики МПО «Авемар» – грузопассажирского парома, построенного для обслуживания средиземноморских линий между Барселоной и Балеарскими островами.