29. Omówić stateczność ruchu statku w ogólnym sensie.

Definicja stateczności ruchu statku – zdolność statku do powrotu do stanu równowagi po wytrąceniu go z tego stanu, bez oddziaływania steru.

Statek mający dobre cechy pod względem stateczności jest trudny w manewrowaniu, i odwrotnie, statek o gorszych cechach stateczności jest łatwiejszy w manewrowaniu.

Zagadnienie stateczności ruchu statku rozważa się w dwóch przypadkach:

• Gdy regulator kursu nie oddziałuje na ster (stałe położenie steru);

• Gdy regulator oddziałuje na ster.

Rozróżnia się 3 pojęcia stateczności ruchu statku:

• Stateczność ruchu prostoliniowego;

• Stateczność kursowa;

• Stateczność trajektorii.

30. Przedstawić definicję stateczności ruchu prostoliniowego statku. Czy zapewnienie stateczności prostoliniowej bez oddziaływania regulatora jest możliwe? Dlaczego?

Def. Pojęcie stateczności w ruchu prostoliniowym odnosi się do ruchu statku przy stałym nastawieniu steru, gdy regulator kursu nie oddziałuje na ster. Tak, jest możliwe, ale warunkiem stateczności ruchu statku bez oddziaływania regulatora jest: λ₁=-1/T<0 ; λ₂=0, co oznacza wymaganie T>0. Jest to warunek stateczności w ruchu prostoliniowym statku. Nowy kurs statku, po wystąpieniu zakłócenia, jest, w tym przypadku, prostoliniowy, chociaż różni się od kursy przed wystąpieniem zakłócenia.

31. Przedstawić definicję stateczności kursu statku. Czy zapewnienie stateczności prostoliniowej bez oddziaływania regulatora jest możliwe? Dlaczego?

Definicja stateczności ruchu statku – zdolność statku do powrotu do stanu równowagi po wytrąceniu go z tego stanu, bez oddziaływania steru.

Tak, jest możliwe, ale warunkiem stateczności ruchu statku bez oddziaływania regulatora jest: λ₁=-1/T<0 ; λ₂=0 co oznacza wymaganie T>0. Jest to warunek stateczności w ruchu prostoliniowym statku. Nowy kurs statku, po wystąpieniu zakłócenia, jest, w tym przypadku, prostoliniowy, chociaż różni się od kursy przed wystąpieniem zakłócenia.

32. Omówić stateczność trajektorii statku.

Stateczność trajektorii oznacza, że statek wytrącony ze swojej trajektorii w wyniku wystąpienia zakłócenia powraca do swojej trajektorii przed wystąpieniem zakłócenia. Osiągnięcie stateczności trajektorii statku nie jest możliwe bez zastosowania regulatora. Warunek stateczności: y(∞) = y(t) = V_x0 × ∫₀^tsinφ(τ) × dτ = 0

33. W jakim przedziale zawiera się pasmo przenoszenia zamkniętego układu sterowania kursu statku? Uzasadnić swoja odpowiedź.

szerokość pasma przenoszenia statku	<	szerokość pasma przenoszenia zamkniętego układu sterowania kursu statku	<	szerokość pasma przenoszenia maszyny sterowej

Z uwagi na to, że szybkość reagowania jest proporcjonalna do pasma przenoszenia maszyna sterowa musi szybciej reagować na zmianę kursu statku niż obiekt sterowany (statek).

34. Omówić koncepcję zastosowania modelu odniesienia w roli filtru wstępnego w układzie sterowania zmiany kursu statku.

Podczas sterowania kursu statku wartość zadana kursu nie zmienia się. Zadaniem autopilota jest dostosowanie kursu statku do jego wartości zadanej. Zmianę kursu statku można by osiągnąć poprzez skokową zmianę wartości zadanej. To jednak wiązałoby się z przesterowaniami w układzie sterowania przy dużych skokowych zmianach wartości zadanej kursu statku. Dlatego jest pożądane i stosowane posługiwanie się modelem odniesienia do tworzenia sygnału wartości zadanej kursu. Sygnałem wyjściowym wymienionego modelu odniesienia, symulującego odpowiedź kursu statku na skokową zmianę wartości zadanej, jest pożądany przebieg wartości zadanej kursu statku. Tego rodzaju model odniesienia można by traktować jako filtr wstępny w układzie sterowania zmiany kursu statku.

35. Dlaczego model odniesienia w układzie sterowania zmiany kursu statku powinien być adaptacyjny? Narysować schemat blokowy takiego układu.

Parametry modelu statku, K i T (model Nomoto 1. rzędu) zmieniają się. Ponadto statek podlega zmiennym wymuszeniom, zwłaszcza wiatru. W tych warunkach śledzenie przez układ sterowania kursu statku modelu odniesienia, z punktu widzenia zadanej zmiany kursu statku, można osiągnąć przez łączne zastosowanie modelu odniesienia 2. rzędu oraz regulatora z adaptacją pomiarów. Zadaniem układu sterowania kursu statku, z autopilotem adaptacyjnym (o zmiennych nastawialnych parametrach), jest nadążania za sygnałem wartości zadanej kursu statku, tworzonym w modelu odniesienia 2. rzędu.

36. Omówić metodę „od punktu do punktu” określenia trajektorii statku.

Metoda „od punktu do punktu” polega na tym, że zadana trajektoria statku jest określana w kolejnych punktach np. A,B,C,D. Procedura ta przewiduje zmiany wartości zadanej kursu statku wyłącznie w określonych punktach trajektorii. Powoduje to wystąpienie przesterowania kursu statku.

37. Omówić i porównać bierne metody stabilizacji kołysań bocznych statków.

Metody bierne (pasywne):

Stępki przechyłowe:

• Płetwy wzdłuż kadłuba;

• Długość wynosi 25-50% długości kadłuba;

• Szeroko stosowane, niekosztowne, ale zwiększają opór;

• Skuteczne przy pulsacji kołysań bliskiej wartości pulsacji drgań bocznych własnych kadłuba oraz dużej prędkości;

• Tłumią kołysania w granicach 20-30%.

Zbiorniki przechyłowe:

• Podobnie jak stępki przechyłowe są powszechnie stosowane;

• W odróżnieniu od poprzedniej metody zapewniają tłumienie kołysań bocznych nawet przy małej prędkości ruchu statku;

• Wadą jest zmniejszenie wysokości środka wyporności (metacentrum);

• Kolejna wada- zmniejszenie ładowności statku;

• Tłumienie kołysania do 40%.

38. Porównać metody czynne stabilizacji kołysań bocznych wtatków.

Metody czynne (aktywne:

Zbiorniki stabilizacyjne sterowane:

• Wysoki koszt inwestycyjny;

• Tłumienie kołysania do 75%.

Płetwy stabilizujące:

• Zapewniają dobre tłumienie, gdy prędkość nie jest zbyt mała;

• Tłumi kołysania do 90%;

• Wada-zwiększony opór statku i znaczący koszt.

Tłumienie kołysań bocznych przy pomocy steru:

• W porównaniu z płetwami stabilizującymi jest ono niekosztowne, nie powoduje również zwiększenia oporu, ani hałasu podwodnego, a ma dobrą skuteczność;

• Tłumi kołysania 50-75%;

• Wymaga szybkiego steru;

• Nie jest skuteczne przy małej prędkości statku.

39. Omówić charakterystyki statyczne śrub okrętowych.

Dwa główne rodzaje śrub:

• Śruby o stałym skoku;

• Śruby o skoku zmiennym (regulowanym), tzw. śruby nastawne.

Własności śrub zależą ogólnie od 3 wielkości:

• Prędkości wody w śladzie kadłuba: V_w [m/s];

• Szybkości obrotowej śruby: n [obr/s];

• Średnicy śruby: D [m].

Charakterystyki śrub przedstawia się we współrzędnych bezwymiarowych:

• Bezwymiarowy współczynnik prędkości: $J_{v} = \frac{v_{W}}{n \times D}$

• Bezwymiarowy współczynnik siły naporu śruby: $K_{T} = \frac{T}{\rho \times n \times \left| n \right| \times D^{4}}$

• Bezwymiarowy współczynnik momentu napędowego śruby: $K_{Q} = \frac{Q}{\rho \times n \times \left| n \right| \times D^{5}}$

• Sprawność śruby: $\eta_{0} = \frac{J_{v} \times K_{T}}{2 \times \pi \times K_{Q}}$

Gdzie: ρ [kg/m³]- gęstość wody; T [N]-napór śruby; Q [Nm]-moment napędowy śruby

41. Jakie są zalety i wady śrub o zmiennym skoku?

Zalety:

• Beznawrotny (jednokierunkowy) ruch śruby, co zwiększa manewrowość statki;

• Łatwość zatrzymania statku;

• Łatwość cofania statku;

• Łatwość zmiany prędkości statku;

• Lepsza sprawność napędu przy częściowym obciążeniu;

• Osiągnięcie nominalnej mocy w różnych warunkach eksploatacyjnych;

• Nie są niezbędne napędy pomocnicze (zmniejszenie całkowitej mocy instalowanej);

• Mały opór śrub nie napędzanych (nastawienie w „chorągiewkę”).

Wady:

• Sprawność hydrodynamiczna jest o ok. 30% mniejsza od śruby stałej;

• Większa złożoność konstrukcji, a co za tym idzie mniejsza niezawodności systemu;

• Większe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz wymagane wyższe kwalifikacje personelu obsługującego;

• Większa podatność na kawitację u nasady skrzydła;

• Możliwość wycieku oleju z piasty śruby do morza, w przypadku uderzenia skrzydła o przeszkodę.

42. Omówić charakterystyki dynamiczne silników spalinowych okrętowych. Podać sposób wyznaczania transmitancji opisującej model matematyczny tych silników.

Charakterystyki dynamiczne – silnik Diesla

Transmitancja: $\frac{Q_{s}(s)}{h(s)} = e^{- \tau \times s} \times \frac{K_{S}^{2}}{1 + T_{s} \times s}$ gdzie: h-położenie listwy paliwowej

τ- czas zwłoki, pomiędzy zmianą położenia listwy paliwowej a zmianą natężenia przepływu paliwa.

Założenia:

-Średnia moc silnika jest proporcjonalna do wskaźnika natężenia dopływu paliwa;

-Silnik dwusuwowy;

-Małe odchylenie od stanu ustalonego;

-Szybkość obrotowa: 25-125 obr/min.

• Czas zwłoki aproksymuje się jako połowa czasu pomiędzy kolejnymi zapłonami:

$$\tau = \frac{1}{2} \times \frac{2 \times \pi}{Z \times \omega} = \frac{\pi}{Z \times 2 \times \pi \times n} = \frac{1}{2 \times Z \times n}\ \ \ \ \ z - liczba\ cylindrow$$

• Stała czasowa:$\text{\ T}_{s} = 0,9 \times \frac{2 \times \pi}{\omega}$

• Współczynnik wzmocnienia: $K_{s} = \frac{Q_{\text{s\ }}(n_{0})}{h\ (n_{0})}$

• Czas zwłoki turbodoładowarki wynosi 20-30 s!

44. Omówić aspekty sterowania układów napędowych wielosilnikowych lub wielośrubowych.

Do napędu śruby okrętowej stosuje się również zespoły dwu lub większej liczby silników. Mogą to być silniki tego samego rodzaju np.:

• Dwa silniki wysokoprężne;

• Dwie turbiny gazowe;

• Dwie turbiny parowe.

Oraz silniki różnego rodzaju:

• Silnik spalinowy i turbina gazowa;

• Turbina gazowa i turbina parowa.

W układzie dwusilnikowym napędu śruby okrętowej regulacja prędkości kątowej może odbywać się w każdym silniku oddzielnie, lub wspólnie. Przy indywidualnej regulacji prędkości kątowej silników, każdy silnik ma oddzielny regulator prędkości kątowej. Zastosowanie elektronicznego regulatora umożliwia wspólne, przez jeden regulator, sterowanie obydwu (lub większej liczby) silników. Przy zastosowaniu oddzielnych dla każdego silnika regulatorów, tzw. rozdział obciążenia pomiędzy silnikami odbywa się ręcznie.

45. Omówić i porównać metody identyfikacji statku jako obiektu sterowania kursu.

Wyróżniamy metody identyfikacji czynnej i biernej:

Metody identyfikacji czynnej polegają na oddziaływaniu na statek specjalnie dobranymi sygnałami, tzw. sygnałami standardowymi. W rezultacie otrzymuje się tzw. charakterystyki czasowe lub charakterystyki amplitudowe. Na podstawie ich przebiegu określa się wartość parametrów równań różniczkowych lub transmitancji opisujących zachowanie się statku. Wymienione wyżej czynne metody identyfikacji wymagają wykonania określonych eksperymentów. Jednakże wykonanie eksperymentów jest w warunkach eksploatacyjnych ograniczone lub niemożliwe. Z tego powodu wykonuje się często identyfikację metodami biernymi. Polega to na rejestrowaniu sygnałów wejściowych i wyjściowych, w warunkach normalnej eksploatacji, a następnie na analizie zależności pomiędzy nimi. Rejestrując sygnały położenia steru oraz kursu statku, w trakcie normalnej eksploatacji, określa się następnie odpowiednie funkcje korelacji oraz transmitancję kursu statku ze względu na położenie steru. Tego rodzaju metoda bierna identyfikacji statku ma zaletę – nie wprowadza się dodatkowych sygnałów podczas rejsu statku. Jej wadą jest mniejsza dokładność niż przedstawionej wcześniej metody czynnej identyfikacji statku.