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. LO 3	Temat ćwiczenia: Układy sterowania śrubą nastawną			Ogrodnik Roman Pietraszak Grzegorz Rybinski Bartłomiej Wilk Klaudiusz Liana Sebastian Rok akad. 2001/02
Data wyk. ćwicz. 11.04.2002.	Data odd. spr.		Ocena	Podpis wykł.	GRUPA IV MB

1. Schemat układu sterowania.

Rys.1 Schemat blokowy układu sterowania

Jednym z ważniejszych problemów spotykanych przez załogę podczas eksploatacji statku jest odpowiedni wybór punktu pracy zespołu napędowego statku, który zapewniał by bezpieczną pracę silnika przy możliwie najniższym zużyciu paliwa. Stanowi to problem zwłaszcza na statkach wyposażonych w śrubę nastawną. Mechanik odpowiedzialny za bezpieczną eksploatację siłowni okrętowej musi poznać strukturę, własności obiektu którym steruje, budowę i działanie elementów z których składa się obiekt. Obiekt sterowania stanowi zespół składający się z:

• silnika głównego z regulatorem prędkości obrotowej

• śruby nastawnej z serwomechanizmem zmiany skoku

• kadłuba statku

W obiekcie sterownia, w którego skład wchodzi silnik główny następuje zamiana energii chemicznej zawartej w paliwie na pracę, która związana jest bezpośrednio z nadaniem kadłubowi statku określonej prędkości. Jednak na przebieg tego procesu zasadniczy wpływ mają:

• wartości sygnałów sterujących przez operatora, są to sygnały wartości zadanej prędkości obrotowej silnika n_z oraz skoku śruby H_z

• sygnały zakłócające mające wpływ na zmianę charakterystyk elementów składowych obiektu

W systemie sterowania statkiem, układ sterowania zespołem napędowym jest układem lokalnym. Układ lokalny otrzymuje z układu nadrzędnego (człowiek, komputer ) sygnał wartości zadanej Y_{z ,}natomiast z czujników sygnały o bieżącym stanie pracy zespołu napędowego Y_{j .} Wartość zadaną najczęściej stanowi prędkość 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. Układ sterujący w oparciu o uzyskane informację wypracowuje takie nastawy dla silnika i śruby aby spełnić wymagania jazdy z wymaganą prędkością, jednocześnie spełniając warunki utrzymania maksymalnej sprawności przy zadanej prędkości.

Układ sterujący ma więc za zadanie:

• utrzymanie żądanej prędkości statku

• optymalizację nastaw ( skoku, obroty )

• rejestrowanie pomiarów ( M, n, V, H )

• dobranie odpowiedniej prędkości obrotowej przy jak najmniejszym zużyciu paliwa

Zastosowanie śrub nastawnych znalazło szerokie zastosowanie głównie na statkach rybackich, holownikach, promach i innych jednostkach gdzie wymagana jest duża manewrowość i zmienność obciążenia. Do zalet stosowania śrub nastawnych można zaliczyć:

• możliwość pełnego wykorzystania mocy silnika przy nominalnej prędkości obrotowej w każdych warunkach pływania

• możliwość zmniejszania zużycia paliwa przez dobór odpowiednich nastaw (n, H )

• niższe jednostkowe zużycie paliwa

• mniejsze zużycie silnika, zwłaszcza tam gdzie jest duża liczba manewrów

• poprawa własności manewrowych statku, przez

1. lepsze wykorzystanie mocy dla zatrzymania i zmiany kierunku ruchu statku

2. skrócenie czasu oraz drogi zatrzymania statku

• opór śrub nastawnych przy zastopowaniu jest mniejszy niż opór śrub stałych

• możliwość otrzymania dowolnie małych prędkości, niezależnie od prędkości obrotowej silnika

2. Sterowanie programowe

Najbardziej rozpowszechnione są układy sterowania, w których operator nastawia zadany skok śruby i zadaną prędkość obrotową silnika, a regulatory nadążne ustawiają wartość odpowiednich parametrów zgodnie z sygnałem wartości zadanej.

Sterowanie programowe jest realizowane za pomocą automatycznej regulacji związku funkcyjnego pomiędzy dwoma parametrami pracy zespołu, równolegle z utrzymaniem wartości zadanej prędkości statku lub mocy silnika. Program 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.

Sterowanie programowe wyznaczone jest dla warunków przyjętych za najbardziej typowe dla statku.

Stosowane na statkach układy sterowania pracują według następujących programów:

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

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

Sterowanie według programu H =f(n)

Układy sterowane wg. tego programu są najprostsze i dzięki temu najbardziej rozpowszechnione. Na rysunku2 poniżej jest przedstawiony schemat takiego układu. Obrót dźwigni sterującej, wraz z połączonymi z nią krzywkami powoduję zmianę wartości ciśnienia na wyjściu z zadajników. Spowoduję to zmianę zadanych wartości skoku śruby i prędkości obrotowej silnika poprzez układy nadążne. Dźwignia sterująca umieszczona na pulpicie mostkowym wyposażona w dwie krzywki K₁ i K₂ na profilach, na których naniesiono program zmiany skoku śruby H i prędkości obrotowej n. Krzywki oddziaływują na zadajniki pneumatyczne Z₁ i Z₂ ( precyzyjne reduktory ), z których sygnały pneumatyczne podawane są odpowiednio do serwomechanizmu zmiany skoku 2 oraz do regulatora prędkości obrotowej 1. Wartości sygnałów wychodzących z zadajników są proporcjonalne do wychylenia dźwigni sterującej. Określonemu położeniu dźwigni odpowiada jedna i zawsze ta sama para nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika. Prędkość obrotowa silnika (śruby) utrzymywana jest na zadanym poziomie przez regulator prędkości obrotowej.

Regulator steruje dawką paliwa h ( ustawienie wydatku pomp wtryskowych ) tak, aby rzeczywiste obroty silnika n były równe obrotom zadanym n_z. Aktualna wartość dawki paliwa zależy w głównej mierze od warunków zewnętrznych , stanu załadowania, stanu kadłuba, czyli od wielkości zakłócających z. Utrzymywanie zadanej prędkości obrotowej silnika przy pogarszających się warunkach zewnętrznych, wymaga coraz większej dawki paliwa co powoduje wzrost obciążenia silnika. Sygnał h_max wskazuje sygnał korekcyjny zmniejszający (redukujący) skok śruby gdy w regulatorze prędkości obrotowej wygenerowany zostanie sygnał maksymalnej nastawy paliwowej. Stanowi to zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem. Zmniejszenie skoku śruby zmniejsza wartość momentu obrotowego silnika co wywołuje jednak gwałtowny przyrost prędkości obrotowej bez konieczności przeciążenia silnika.

Rys. 2 Schemat sterowania skokiem i prędkością obrotową śruby

1 - regulator prędkości obrotowej z układem ochrony przed przeciążeniem

2 - mechanizm zmiany skoku

Zastosowanie urządzenia, w którym program sterowania zmieniał się będzie płynnie wraz ze zmienną prędkością statku przedstawia układ przedstawiony na rysunku poniżej, stanowi to kolejne zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem.

Rys.3 Układ H = f(n) z automatyczną korektą programu i stabilizacją prędkości

statku

1 - dźwignia sterująca zadajnikiem

2 - regulator prędkości statku

3 - serwomechanizm

4 - wałek z krzywkami

5 - log

6 - serwomechanizm korekty programu

Dźwignią zadajnika 1 nastawia się sygnał zadanej prędkości statku. Regulator prędkości statku 2 porównuje prędkość rzeczywistą statku z prędkością zadaną i za pośrednictwem serwomechanizmu 3 obraca wał z krzywkami 4, zmieniając wartości zadane skoku H_z i prędkości obrotowej śruby n_z. Sygnał prędkości statku z logu 5 podawany jest do regulatora 2 oraz do serwomechanizmu korekty programu, który przesuwa krzywkę sterującą skokiem śruby. W ten sposób skok śruby i prędkość obrotowa zespołu napędowego zmieniają się płynnie wraz z prędkością statku, a w sytuacjach ustalonych osiągają wartości bliskie optymalnym dla danego programu.

3. Sterowanie optymalne

Sterowanie optymalne zespołem napędowym polega na wyznaczeniu optymalnej pary nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej, do czego wymagana jest znajomość aktualnych charakterystyk silnika, śruba i kadłuba lub wypadkowa charakterystyka napędowa całego zespołu napędowego.

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, silnika. Złe nastawy powodują wysokie straty. 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 wprowadzone poprzez układ pomiarowy do pamięci komputera. Sterowanie optymalne odznacza się zwiększonym bezpieczeństwem jego stosowania, w przypadku awarii systemu komputerowego jest możliwość sterowania klasycznego.

Algorytm sterowania skład się z dwóch zasadniczych części:

• pomiarów okresowych (charakterystyka zespołu napędowego)

• wyznaczenie aktualnego stanu obciążenia, optymalnych wartości nastaw (n,H) dla danej prędkości statku.

4. Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem

Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem można zrealizować poprzez:

1. Zastosowanie układu redukującego skok śruby gdy nastawa listwy paliwowej osiągnie wartość maksymalną.

2. Zastosowanie urządzenia, w którym program sterowania zmieniał się będzie płynnie wraz ze zmianą prędkości statku.

5. Sporządzanie charakterystyk napędowych przy zmiennych nastawach

parametrów

	Stan pierwotny	stan optymalny	śruba ciężka	śruba lekka
M [%]	75	78,9	84,8	67,2
N [kW]	4836	4651	5468	4333
H [dz]	41	47	41	41
n [obr/min]	131	121	131	131
v [w]	14	14	11,2	16,6
G [kg/h]	974.7	939,4	1100,5	875,5

Tab.1 Tabela z wartościami parametrów, dla określonych stanów

6. Wnioski.

Porównując parametry aktualne warunków optymalnych z parametrami

aktualnymi warunków pierwotnych można wywnioskować, że silnik jest bardziej dociążony momentem obrotowym, moc zapotrzebowana do uzyskania tej samej prędkości statku jest mniejsza, nastąpiło to kosztem zmniejszenia prędkości obrotowej silnika do wartości n = [121obr/min] i zwiększeniem nastawy skoku śruby napędowej do H = 47 [dz]. Dzięki takim nastawom uzyskano mniejsze zużycie paliwa G = 939.4 [kg/h], 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=45 n=134) uzyskalibyśmy prędkość wynoszącą 12.2[w]. Warunki optymalne przesunęły się w kierunku wyższych prędkości obrotowych i większego skoku śruby. Obserwujemy tu znaczny przyrost obciążenia, mocy oraz godzinowego zużycia paliwa.

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=50 n=100) uzyskalibyśmy prędkość odpowiadającą 14.0[w].

---