Методы и способы управления движением буксирной системы на море тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ищейкин Григорий Юрьевич

• Ищейкин Григорий Юрьевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Ищейкин Григорий Юрьевич

Введение

Глава 1. Способы управления буксирной системой

1.1 Общие положения

1.2 Способ управления траекторией движения буксируемого судна........ ц

1.3 Способ управления траекторией движения буксирной системы

1.4 Способ управления траекторией движения буксирной системой с

23

изменением параметров её движения

1.5 Выводы по первой главе

1.6 Постановка задач исследования

Глава 2. Математическое моделирование буксирной системы

2.1. Типы моделей

2.1.1. Модель «полная скорость - угол дрейфа - угловая скорость 35 поворота»

2.1.2. Модель «продольная скорость - поперечная скорость - угловая ^ скорость поворота»

2.1.3. Оценка адекватности двух моделей для буксируемого танкера

2.2. Силовые составляющие моделей

2.2.1. Расчет гидродинамических параметров и усилий

2.2.2. Расчет аэродинамических усилий

2.2.2.1. Аэродинамические коэффициенты

2.2.3. Расчет усилий на движительно-рулевом комплексе

2.2.4. Воздействия на танкер морского волнения

2.2.4.1. Постоянные составляющие усилий от регулярного волнения

2.2.4.2. Переменные составляющие усилий от регулярного волнения

2.2.4.2.1. Расчет поперечной силы и вращающего момента

2.2.4.2.2. Расчет продольной силы

2.3. Выводы по второй главе

Глава 3. Моделирование процесса буксировки танкера с одновременным управлением по отклонениям и длиной буксирной связи......................................................................................... I04

3.1. Управляемое движение буксируемого судна

3.1.1 Влияние пассивного руля

3.1.2 Влияние точки крепления троса

3.1.3. Влияние натяжения буксирного троса

3.1.4. Влияние длины буксирного троса

3.1.4.1. Учет растяжимости троса

3.2. Моделирование изменение длины и натяжения троса при буксировке

3.2.1. Взаимосвязанное изменение длины и натяжения троса

3.2.2. Управление процессом буксировки путем автоматического изменения натяжения троса

3.3 Практические рекомендации по управлению буксирной системой

Заключение

Список литературы

Приложение А (обязательное) Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Приложение Б (обязательное) Результаты модельных испытаний для модели зарубежных исследователей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и способы управления движением буксирной системы на море»

Введение

Актуальность темы исследования. В морской практике постоянно встречаются случаи, когда требуется буксировка судна или иного морского объекта. Различают несколько видов буксировок, из них плановые буксировки, вспомогательные (внутрипортовые) и аварийные (поврежденных судов, потерявших ход). При любой буксировке всегда возникает множество практических проблем, особенно, если условия буксировки не являются типовыми. Эти проблемы связаны в основном с управляемостью буксируемого судна или объекта.

Существует множество примеров аварий, допущенных в результате потери управляемости в ходе буксировки [2], [4], [9]. В 1995 году супертраулер «Jurbarkas» затонул в результате обрыва буксирного троса, в 2002 году затонуло НИС «Борей» в Японском море по тем же причинам, в 2012 году «МРТК-0718» сорвался с буксира и сел на мель. К сожалению, этот список пополняется из года в год, не смотря на непрерывный процесс повышения безопасности проведения буксирных операций.

При выполнении буксировки, судоводители, в основном, ссылаются на практический опыт, который, как известно, не может охватить все возможные варианты буксирных операций. Анализ аварийности за последнее десятилетие показывает, что требуется постоянное совершенствование управления движением буксирной системы, в частности, с использованием результатов научных исследований в области судовождения.

Для выполнения исследований, связанных с определением безопасных способов буксировки плавучих объектов морем, необходимо проведение анализа динамики движения буксирной системы. Указанный анализ можно проводить как на основе результатов натурного эксперимента, так и с использованием результатов модельного эксперимента. При этом следует иметь в виду, что натурный эксперимент, как правило, очень дорогостоящий, особенно если требуется оценка влияния многочисленных факторов на характер движения буксирной системы. Более простым и менее затратным способом решения

поставленной задачи является модельный эксперимент, выполнение которого возможно при наличии корректной, адаптированной математической модели движения буксирной системы.

Степень разработанности темы. Вопросам повышения безопасности выполнения буксирной операции посвящены, набирающие интенсивность, исследования отечественных ученых, а так же многочисленные исследования зарубежных специалистов: Ю.М. Мастушкина, А.М. Басина, Р.Я. Першица, Е.Б. Юдина, Ю.И. Юдина, К Eda, К Yasukawa, R. Shigehiro, К Nakayama, N. Nakamura, N. Hirata др.

Исследованию математических моделей движения судов и практических вопросов управления и маневрирования судном посвящены работы: Я.И. Войткунского, А.Д. Гофмана, Ю.И. Юдина, ^ Kijima, Y. Nakiri, L. Meijing, H. Yasukawa и др.

Целью диссертационной работы является исследование методов и способов управления движением буксирной системы на море для повышения безопасности проведения буксирных операций.

Для достижения поставленной цели диссертации были решены следующие научные задачи:

1. Выполнен анализ способов и методов управления траекторией движения буксирной системы.

2. Разработана математическая модель буксирной системы на основе идентифицированных математических моделей судов, входящих в её состав, включая математическую модель буксирной линии.

3. Проведена серия модельных экспериментов процесса буксировки и выполнен анализ полученных результатов исследования.

Объект исследования - буксирная система «буксирующее судно -буксирный трос - буксируемое судно».

Предмет исследования - аналитическая оценка динамики движения буксирной системы «буксирующее судно - буксирный трос - буксируемое судно».

Область исследования - математические модели и методы управления судном в процессе выполнения морской буксировки.

Научная новизна диссертации заключается в разработке новых научно обоснованных, технологических решений по управлению траекторией движения буксирной системы, их апробировании и реализации в виде комплекса математических моделей и программ, описывающих управление движением буксирной системы на море для повышения элементов безопасности проведения буксирных операций, включающих в себя:

1) модели буксирной системы с учётом различных условий буксировки, отличающиеся методологией контроля параметров движения буксирующего и буксируемого судна;

2) методика построения математической модели движения буксирной системы «буксирующее судно - буксирный трос - буксируемое судно», ее идентификация по структуре и параметрам;

3) способ управления траекторией движения буксируемого судна путем взаимосвязанного изменения длины и натяжения троса. Теоретическая и практическая значимость работы. Представленные в

работе теоретические положения и проведенные модельные эксперименты с использованием модифицированных математических моделей, в виде расчётов устойчивости движения буксируемого судна при различных сочетаниях исходных значений параметров, характеризующих состояние буксирной системы, открывают перспективы решения комплекса задач по обеспечению управляемости буксирной системы в процессе выполнении буксирной операции.

Выводы, сделанные в выполненной работе по результатам многочисленных модельных экспериментов, могут рассматриваться как практические рекомендации по безопасному управлению буксирной системой в процессе выполнения буксирной операцией. Исходя из этого, практическая значимость данной работы определяется её направленностью на совершенствование способов управления процессом буксировки с целью снижения вероятности аварий и аварийных случаев в ходе выполнении буксирной операции.

Методология и методы исследования. В ходе работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретический блок исследования сформирован из элементов математической статистики, дифференциальных уравнений, теории оптимального управления, и теории аппроксимаций; блок экспериментов состоит из симуляций движения буксирной системы, управляемой с использованием предложенных способов. Вся экспериментальная часть моделировалась в программных средах Mathcad и Visual Basic.

Положения, выносимые на защиту:

1. Анализ способов и методов управления траекторией буксирной системы.

2. Методика построения математической модели буксирной системы, ее идентификация по структуре и параметрам.

3. Результаты модельных экспериментов по управлению движением буксирной системы путем взаимосвязанного изменения длины и натяжения буксирного троса.

Степень достоверности результатов исследования подтверждена:

- теорией, построенной на известных, проверяемых данных и фактах, полученных с помощью натурных экспериментов по маневрированию судов, а также полученными результатами, подтверждёнными проверкой расчётно-аналитическими методами и соответствующими опубликованным данным по теме диссертации;

- использованием сравнения данных, полученных в процессе проведения исследований с практическими данными о характере движения буксирной системы в различных условиях плавания;

- совпадением моделируемых с применением известных программных сред движений буксирной системы с результатами натурных испытаний судов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Рассматриваемая проблема в данной работе является направлением исследований научной специальности 2.9.7 «Эксплуатация водного транспорта, водные пути сообщения и гидрография», и соответствует пунктам паспорта в этой

специальности:

п. 13. Безопасность судоходства.

п. 17. Буксировка судов и плавучих объектов.

Личный вклад автора состоит в его непосредственном участии в сборе и обработке исходных практических и теоретических материалов, в модельных экспериментах, в обработке и интерпретации результатов экспериментальных исследований, в подготовке основных публикаций по материалам научных исследований, выступлениях с научными докладами на научных конференциях, выработке рекомендаций по использованию результатов выполненной работы.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы и её отдельные результаты докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВО «ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова», международных научно-практических конференциях НИЦ «Наука России» в 2016-2021 годах.

Результаты работы подтверждены зарегистрированной в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам программой для ЭВМ: «Моделирование процесса буксировки при управляемом изменении длины буксирной системы» № 2017616292 от 06.06.2017 года.

Публикации. Основные результаты диссертации в достаточном объеме и полноте изложены в 14 изданиях, в том числе 10 статьях, 9 их которых опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК РФ, зарегистрированной программе в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.

Структура и объем работы. Общий объем диссертации 185 страниц, включает: оглавление 2 страницы, введение 5 страниц, 3 главы 158 страницы, заключение 1 страница, список литературы из 63 наименований 6 страниц и приложение 13 страниц, 82 иллюстрации и 24 таблиц.

Глава 1. Способы управления буксирной системой 1.1 Общие положения

Управляемость буксирной системой (буксирующее судно - буксирный трос - буксируемое судно) и, как следствие, управление ею является сложной технической задачей, решение которой требует углублённых разносторонних исследований. Конечная цель этих исследований - повышение безопасности проведения буксирной операции, включающей как безопасность судов, входящих в состав буксирной системы, так и безопасность других судов, находящихся в районе маршрута буксировки, а также безопасности всевозможных гидротехнических сооружений, встречающихся по пути следования. Перечисленные факторы влияния на безопасность буксирной операции имеют особое значение при плавании в условиях стеснённой акватории.

Принцип управления буксирной системой должен быть построен таким образом, чтобы управляемым объектом было не только буксирующее судно, но и вся система в целом. Это одна из сложнейших судовых операций и в настоящее время и не существует единого подхода в выборе направления её решения [33], [38], [62] и др. В тоже время технический прогресс, как в области судостроения, так и в области судовождения даёт надежды на рассмотрение технической задачи в ближайшее время. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования в области обеспечения безопасности буксирных операций в различных условиях плавания [10], [15], [17], [45], [46], [47], [50], [51], [62].

Одними из основных инструментов указанных исследований являются модельные эксперименты с использованием математических моделей судов различных конструкций, а также модельные эксперименты в специализированных опытовых бассейнах. С точки зрения доступности, первый вариант является наиболее распространённым среди исследователей. Конечно, можно рассуждать о достоверности результатов таких исследований, но других вариантов возможных методов и методик исследований в данной области пока не существует.

Как сказано выше, физическая модель буксирной системы состоит из трёх компонентов: буксируемого судна, буксирного троса и буксирующего судна. Ряд исследователей всесторонне исследовали каждый компонент, чтобы определить характер его влияния на управляемость буксирной системы. В отношении первого компонента H.Yasukawa, T. Hirono, Y. Nakayama, K. Koh [62] и M. Lee [55] используя нелинейную математическую модель судна, провели многочисленные исследования поворотливости и курсовой устойчивости движения буксируемого судна в условиях тихой воды. H.Yasukawa и Y. Nakayama [62], H.Yasukawa, К. Tanaka, N. Hirata и Y. Hashizume [61]; K. Kijima и K. Varyani [52] выполнили нелинейный и линейный анализ курсовой устойчивости буксируемого судна в условиях устойчивой ветровой нагрузки. T. Jiang, S. Sharma, T. Hirono и A. Fitriadhy [45, 46, 47, 50] также изучали характерные особенности неустойчивости движения буксируемого судна, связанные с течением и волнением. Большой вклад в изучение изменения параметров буксирного троса в процессе буксировки внесли K.Yasukawa, N. Nakamura. H.Yasukawa, N. Hirata, N. Nakamura и др. [61], [63]; M. Lee [55] установили, что при соотношении длины буксирного троса и длины буксирующего судна более 1.0, возможно провисание буксирного троса в процессе поворота буксирной системы и, как следствие, потеря её управляемости, что приводит к непредсказуемости поведения буксируемого судна. R. Shigehiro, H. Eda и Y. Nakayama [50], [58] пришли к выводу, что сокращение длины буксирного троса при выполнении сложного манёвра буксирной системой может предотвратить опасность потери управления буксируемым объектом, например, судном. Что касается третьего компонента, H.Yasukawa и Y. Nakayama [62] оценили влияние размера буксирующего судна на устойчивость его движения в процессе буксировки. Результаты вышеуказанных авторов исследований показали, что увеличение длины буксирующего судна, при постоянных значениях других параметров буксирной системы, в частности длины буксируемого судна, обеспечивает лучшую курсовую устойчивость буксировки, а также ведёт к уменьшению тактического диаметра циркуляции буксирной системы и предотвращению ослабления буксирного троса в процессе поворота.

Этот фактор особенно важен при выполнении буксирной операции в стеснённых условиях.

С учётом перечисленных результатов многочисленных исследований в области безопасности буксирных операций в данной главе представлены три способа управления движением буксирной системы. Необходимо отметить, что исследования эффективности их использования в управлении буксирной системой не является темой работы, но результаты проведённых исследований уже позволяют сделать важные выводы о возможности их использования при разработке современных способов управления буксирной системой.

1.2 Способ управления траекторией движения буксируемого судна

Данный способ разработан для управления траекторией движения буксируемого судна, при выполнении буксирной операции.

Известные способы управления траекторией движения буксируемого судна, предусматривают перекладку руля с учётом величины поперечного смещения буксируемого судна от кильватерной струи буксирующего судна, определяемого визуально на буксируемом судне [1], [11], [25], [28].

Однако при буксировке с использованием предлагаемого в указанных работах способа управления буксируемым судном не учитывается фактор невозможности визуального определения направления кильватерной струи буксирующего судна со стороны буксируемого судна при определённых обстоятельствах, в частности:

- при выполнении буксирной операции в условиях ограниченной видимости (ночное время суток, плотные атмосферные осадки, туман и др.);

- при выполнении буксирной операции в условиях сильного ветра и волнения, когда кильватерная струя буксирующего судна существенно отклоняется от его диаметральной плоскости (ДП) и перестаёт быть ориентиром для буксируемого судна.

Цель предлагаемого способа управления буксируемым судном - повышение точности его удержания на заданной траектории движения, относительно буксирующего судна, вне зависимости от состояния видимости в районе выполнения буксирной операции [19].

Указанная цель управления достигается следующим образом: вычисляют отклонения носовой (Р2) и кормовой ^2) точек буксируемого судна от линии ДП буксирующего судна, проведённой через носовую (Р1) и кормовую (A1) точки буксирующего судна (рисунок 1.1), по результатам вычислений определяют величину сигнала управления, в соответствии с его значением производят перекладку руля на буксируемом судне.

Таким образом, при буксировке одного судна другим (рисунок 1.1) буксирующее судно 1 является задатчиком траектории движения для буксируемого судна 2 и любое изменение направления движения буксирующего судна влечёт за собой изменение траектории движения буксируемого судна. На рисунке 1 .1 показаны: позиция 3 - текущее положение ДП буксирующего судна; позиция 4 -положение буксирного троса.

На буксирующем судне в приделах его контура, в его ДП выбираются две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка F1 на рисунке 1.1), а другая к корме судна (точка А1 на рисунке 1.1) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками F1 и A1 выбирается в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приёмных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением буксируемого судна.

Координаты точек F1, A1 определяются непрерывно с высокой точностью (+ 1,0 м), что вполне возможно с введением в состав СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.

Значения координат точек F1(X0F1, Y0F1) и A1(XA1, YA1) (рисунок 1.2) позволяют непрерывно вычислять положение линии ДП буксирующего судна и передавать его известными способами на буксируемое судно.

На буксируемом судне в приделах его контура, в его ДП выбираются две точки, одна из которых расположена к носу буксируемого судна (точка Б2 на рисунке 1.1), а другая к его корме (точка А2 на рисунке 1.1) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками Б2 и А2 выбирается в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приёмных антенн СНС. Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением буксируемого судна. Координаты этих точек определяются непрерывно с высокой точностью (+ 1,0 м).

Непрерывное определение значений координат точек Р2(Х0Р2, У0р2) и А2 (Х0А2, У0А2) (рисунок 1.3) буксируемого судна позволяет непрерывно вычислять поперечные смещения точки Б2 (ёР2) и точки А2 (ёА2) от текущего положения линии ДП буксирующего судна (позиция 3 на рисунке 1.1). При этом поперечное смещение точки Б2 или А2 от линии ДП буксирующего судна считается положительным, если точка (Б2 или А2) смещается вправо и отрицательным, если она смещается влево относительно линии ДП буксирующего судна (см. рисунки 4, 5).

Возникающие поперечные смещения точек Б2 и А2 буксируемого судна относительно текущего положения линии ДП буксирующего судна определяют величину сигнала на отклонение руля буксируемого судна, в соответствии с зависимостью:

а = -кРйРг + кАйАг (1.1)

где кР, кА - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек буксируемого судна от линии ДП буксирующего судна. Это положительные величины, причём численное значение коэффициента кР больше численного значения коэффициента кА. Угол перекладки руля а считается положительным при его перекладки в сторону правого борта.

На рисунках 1.4, 1.5 изображены варианты возможных отклонений буксируемого судна от ДП буксирующего судна и управление в каждом из них. Например, на рисунке 1.4 ДП буксирующего судна пересекает линию ДП буксирующего судна под некоторым углом, величина которого характеризуется

значениями поперечных смещений точки F2 (dF2) и точки A2 (dA2), причём dF2 больше 0, dA2 меньше 0 и dF2 меньше 0, dA2 больше 0 на рисунке 1.5. В первом случае (см. рисунок 1.4) согласно закону (1.1) угол отклонения руля буксируемого судна будет иметь отрицательное значение, т.е. руль будет переложен на левый борт и судно начнёт вращение влево, что приведёт к уменьшению dF2 и dA2 и в конечном итоге к выходу буксируемого судна на линию ДП буксирующего судна; во втором случае (рисунок 1.5) согласно закону (1) угол отклонения руля буксирующего судна будет иметь положительное значение, т.е. руль будет переложен на правый борт и буксируемое судно начнёт вращение вправо, что приведёт к уменьшению dF2, dA2 и к выходу судна на линию ДП буксирующего судна.

Значения отклонений точек F2 и A2 от линии ДП буксирующего судна определяется по формулам:

dp _ lifef2 - y04)*x0f -x04)-(x0f2 -x04)* (yof ~ yo4)] d _ |[(yoa2 - yoa )x (xof - x0a )- (x0a2 - x04 )x (yof - yoax )]

Стоит отметить, что данный способ, несомненно, повышает управляемость буксируемого судна относительно движения судна-буксировщика и способствует повышению навигационной безопасности при выполнении буксирной операции.

V. ч

X*

Рисунок 1.1

Рисунок 1.2

Рисунок 1.3

Рисунок 1.4

Рисунок 1.5

1.3 Способ управления траекторией движения буксирной системы

Способ относится к управлению движением буксирной системой, в частности, к управлению траекторией движения буксирующего и буксируемого судна, при выполнении буксирной операции.

Для достижения указанного результата задается единая траектория (линия пути) движения буксирующего и буксируемого судна в виде линии на плоскости, проведённой через определённые точки с заданными координатами Р1, Р2 (рисунок 1.6). Управление буксирующим и буксируемым судном ведётся в соответствии с отклонениями их носовых Б1, Б2 и кормовых А1, А2 точек от линии пути (ЛП).

ЛП (Р1Р2) задается одновременно для обоих судов буксирной системы двумя контрольными точками Р1 - точка начала маршрута, точка Р2 - точка конца маршрута, либо точка поворота.

Отклонения носовой Б1 и кормовой А1 точек буксирующего судна от линии Р1Р2 непрерывно вычисляют, по результатам вычислений определяют величину сигнала управления, в соответствии с его значением производят перекладку руля на буксирующем судне. Аналогично вычисляют отклонения носовой Б2 и кормовой А2 точек буксируемого судна от линии Р1Р2, по результатам вычислений определяют величину сигнала управления, в соответствии с его значением производят перекладку руля на буксируемом судне.

Алгоритм управления буксирной системой построен следующим образом. ЛП (Р1Р2) (рисунок 1.6) задается одновременно для обоих судов буксирной системы двумя контрольными точками Р1 - точка начала текущего маршрута движения буксирной системы, точка Р2 - точка конца маршрута, либо точка поворота буксирной системы на новую ЛП.

На буксирующем судне в приделах его контура, в его ДП выбираются две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка на рисунке 1.6), а другая к корме судна (точка А1) относительно плоскости мидель-шпангоута.

Расстояние между точками Б1 и А1 выбирается в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приёмных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением буксируемого судна. Координаты этих точек определяются непрерывно с высокой точностью (± 1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки [16] .

Непрерывное определение значений координат точек Б1(Х0Р1, Уш) и А1 (Х0А1, У0А1) буксирующего судна позволяет непрерывно вычислять поперечные смещения точки Б1 (ёР1) и точки А1 (ёА1) от заданного на данный момент положения ЛП (Р1Р2). Причём, поперечное смещение точки Б1 или А1 от ЛП (Р1Р2) считается положительным, если точка (Б1 или А1) смещается вправо и отрицательным, если она смещается влево относительно ЛП (Р1Р2) (см. Рисунки 1.7 а - г).

Возникающие поперечные смещения точек Б1 и А1 буксируемого судна относительно текущего положения ЛП Р1Р2 вырабатывают сигнал на отклонение руля буксирующего судна, по закону:

Для случая, когда и ёА1 с разными знаками, либо один из них равен

нулю:

а = -кр< + кА<лА (1.4)

Для случая, когда и ёА1 с одинаковыми знаками:

а = -к^- кА(1.5)

где кР1, кА1 - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек буксирующего судна от ЛП (Р1Р2). Это положительные величины, причём численное значение коэффициента кР1 больше численного значения коэффициента кА1. Сигнал управления а1 считается положительным при его перемещении в сторону правого борта.

На буксируемом судне в приделах его контура, в его ДП выбираются две точки, одна из которых расположена к носу буксируемого судна (точка Б2 на

рисунок 1.6), а другая к его корме (точка А2) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками Б2 и А2 выбирается в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приёмных антенн СНС. Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением буксируемого судна. Координаты этих точек определяются непрерывно с высокой точностью (± 1,0 м).

Непрерывное определение значений координат точек Р2(Х0Р2, YoF2) и А2 (Х0А2, У0А2) буксируемого судна позволяет непрерывно вычислять поперечные смещения точки Б2 (ёр2) и точки А2 (ёА2) от текущего положения линии пути (Р1Р2) (рисунок 1.6). Причём, поперечное смещение точки Б2 или А2 от линии пути (Р1Р2) считается положительным, если точка (Б2 или А2) смещается вправо и отрицательным, если она смещается влево относительно линии пути (Р1Р2) (см. Рисунки 1.8 а- г).

Возникающие поперечные смещения точек Б2 и А2 буксируемого судна относительно текущего положения ЛП (Р1Р2) вырабатывают сигнал на отклонение руля буксируемого судна, по закону:

Для случая, когда ф2 и ёА2 с разными знаками, либо один из них равен

нулю:

«2 =~кР2 ¿Р2 + кЛ2 ¿Л2 (1.6)

Для случая, когда ёр1 и ёА1 с одинаковыми знаками:

«2 =~кР2¿Р2 " кЛ2dЛ2 (1.7)

где кР2, кА2 - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек буксируемого судна от ЛП (Р1Р2). Это положительные величины, причём численное значение коэффициента кР2 больше численного значения коэффициента кА2. Сигнал управления а2 считается положительным при перекладке руля в сторону правого борта.

На рисунках 1.7 а-г изображены варианты возможных отклонений буксирующего судна от ЛП (Р1Р2). Например, (рисунок 1.7а,б) ДП буксирующего судна пересекает ЛП (Р1Р2) под некоторым углом, величина которого

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ищейкин Григорий Юрьевич, 2023 год

Список литературы

1. Алексеев Л.Л. Практическое пособие по управлению морским судном/Л.Л. Алексеев; ЦНИИМФ. - СПб.: ЦНИИМФ, 2003. - 188 с. - (Судовладельцам и капитанам. Вып. №5). - ISBN 5-93188-056-09: 220-00; 177-00.

2. Аварии и катастрофы судов рыбной промышленности России и других постсоветских стран [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: // http://soviet-trawler.narod.ru/main_r/list5rus_r (дата обращения 25.10.2022).

3. Басин А.М. Ходкость и управляемость судов : учеб. пособие для вузов водн. транспорта / М. : Транспорт, 1977. - 456 с.

4. Водный транспорт [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: //www.utro.ru/news/2002/08/09/94463.shtml (дата обращения 25.10.2022).

5. Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля, т. 1 /под ред. Я. И. Войткунского - Л.: Судостроение, 1985 - С.762.

6. Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля, т. 3 /под ред. Я. И. Войткунского- Л.: Судостроение, 1985 - С.541

7. Глауэрт, Теория воздушного винта, «Аэродинамика» под ред. Дюранда, гл.XII, М., Оборонгиз, 1940.

8. Гофман А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. Справочник. - Л.: Судостроение, 1988. - 361 с.

9. ДВ-РОСС [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: // http:// sktufar.ru/2012/4217/?ysclid=lajrwtl 18y4132991 (дата обращения 25.10.2022).

10. Ильин, И.А. Анализ системы уравнений динамики гибкой нити/ Ильин И.А., Ильина И.В. - Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2010. № 1 (1). C. 31-38

11. Инструкция по безопасности морских буксировок: утв. Федер. службой мор. флота России: 08.06.96 МФ 35/1921. - СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2001. - 22 с.

12. Ищейкин, Г.Ю. Расчет аэродинамических усилий / Ю.И. Юдин, Г.Ю. Ищейкин // Морские интеллектуальные технологии. - 2019. - Т.3, № 4. - С. 24-31.

13. Ищейкин, Г.Ю. Расчет усилий на движительно-рулевом комплексе при моделировании морской буксировки на примере танкера «Архангельск» / Г.Ю. Ищейкин // Эксплуатация морского транспорта. - 2022. - № 4.

14. Ищейкин, Г.Ю. Управление движением буксируемого судна путем изменения натяжения и длины буксирного троса / Ю.И. Юдин, Г.Ю. Ищейкин // Эксплуатация морского транспорта. - 2022. - № 4.

15. Каян, В.В. Разработка безопасных способов маневрирования судна при выполнении буксирных операций : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.19 / Каян Владислав Витальевич. - Мурманск, 2014. - 147, [4] с. : ил.

16. Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. - М.: Вузовская книга, 2001. - 215 с.

17. Маковский А.Г., Юдин Е.Б. Особенности движения буксируемых судов на циркуляции, Судостроение, 1967, №10.

18.Мастушкин Ю. М. Управляемость промысловых судов / Ю. М. Мастушкин. - М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1981. - 232 с.

19. Пат. 2470828 Российская Федерация, МПК В 63 Н 25/04 (2006.01). Способ управления траекторией движения буксируемого судна / Юдин Ю.И., Каян В.В.; заявитель и патентообладатель Мурманский гос. техн. ун-т.- № 2011115725/11; заявл. 20.04.2011; опубл. 27.12.2012, Бюл. № 36. - 5 с.: ил.

20. Пат. 2615846 Российская Федерация, МПК В 63 Н 25/04 (2006.01). Способ управления движением буксирной системы / Юдин Ю.И., Власов А.В., Кайченов А.В., Висков А.Ю.; заявитель и патентообладатель Мурманский гос. техн. ун-т. -№ 2015143563/15; заявл. 12.10.2015; опубл. 11.04.2017.

21. Першиц Р. Я. Управляемость и управление судном / Р. Я. Першиц. - Л. : Судостроение, 1983. -. 272 с. : ил.

22. Першиц Р.Я. Управляемость судна, движущегося по створу, Сб. НТО им. А.Н. Крылова, 1973, вып.200.

23. РД 31.03.03-90. Применение синтетических канатов на судах ММФ. Л.:ЦНИИМФ, 1990. -С.50.

24. Св-во гос. рег. Прогр. Для ЭВМ 2017616292, Российская Федерация. Моделирование процесса буксировки при управляемом изменении длины буксирной системы / Г.Ю. Ищейкин., С.В. Пашенцев; правообладатель ФГБОУ ВПО «Мурман. гос. техн. ун-т». - 2017613140 ; дата поступл. 10.04.2017 ; дата регистр. 06.07.2017.

25. Снопков В.И. Управление судном: учебник [для вузов] / В.И.Снопков. -[3-е изд., пераб. и доп.]. - СПб. : Профессионал, 2004. - 535 с. +1 электрон. опт. диск (CD-ROM): ил. - ISBN 5-98371-015-Х: 600-00; 1170-00.

26. Соболев Г.В., Управляемость корабля и автоматизация судовождения, Л., Судостроение, 1976 - С.477.

27. Справочник по теории корабля: В 3 т. Т. 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания / [А. Ш. Афремов и др.] ; под ред. Я. И. Войткунского. - Л. : Судостроение, 1985. - 542 с. : ил.

28. Тихомиров В. П. Управление маневрами корабля : в 2 т. / В. П. Тихомиров. - М. : Воениздат, 1962-1963. - 2 т.

29. Тумашик А.П., Расчет гидродинамических характеристик судна при маневрировании /А. П. Тумашик//Судостроение - 1978, № 5 - С.13-16.

30. Хаскинд М.Д. Теория сопротивления при движении судна на волнении/ М.Д. Хаскинд // Изв. АН СССР - 1959, №2 - С.47-57.

31. Юдин Е. Б. Анализ самопроизвольного рысканья буксируемых судов / Е. Б. Юдин А. Г. Маковский // Судостроение. - 1975. - № 4. - С. 15-17.

32. Юдин Е. Б. К расчёту управляемости океанских буксиров / Е. Б. Юдин // Судостроение. - 1984. - № 7. С. 7-9.

33. Юдин Ю. И. Оценка безопасности буксирной операции методами математического моделирования: монография / Ю. И. Юдин, С. В. Пашенцев. -М. : МОРКНИГА, 2015. - 144 с.

34. Юдин Ю.И. Идентификация математической модели судна / Юдин Ю.И., Пашенцев С.В. - М.Моркнига, 2015. - С.141.

35. Юдин Ю.И., Теоретические основы безопасных способов маневрирования при выполнении точечной швартовки / Юдин Ю.И., Пашенцев С.В., Мартюк Г.И., Юдин А.Ю. - Мурманск: Изд. МГТУ, 2009. - С. 152.

36. Юдин, Ю. И. Анализ расчетных способов определения гидродинамических характеристик гребного винта на переходных режимах движения судна / Ю.И. Юдин, Г.Ю. Ищейкин // Эксплуатация морского транспорта. - 2018. - № 1. - С. 40-49.

37. Юдин, Ю. И. Аппроксимация кривых действия винта / Ю.И. Юдин, Г.Ю. Ищейкин // Эксплуатация морского транспорта. - 2018. - № 2. - С. 38-45.

38. Юдин, Ю. И. Выбор модели для исследования управляемости буксирной системы / Ю.И. Юдин, А.В. Бачище, Г.Ю. Ищейкин, Д.Д. Стрельников // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - Т. 2, № 1. - С. 11-22.

39. Юдин, Ю. И. Устойчивость движения буксируемого судна в условиях ветровой нагрузки / Ю.И. Юдин, Г.Ю. Ищейкин // Эксплуатация морского транспорта. - 2021. - № 2. - С. 67-78.

40. Юдин, Ю. И. Учёт удлинения буксирного троса при моделировании процесса буксировки / Ю.И. Юдин, Г.Ю. Ищейкин // Эксплуатация морского транспорта. - 2018. - № 3. - С. 60-70.

41. Abkowidz,, M.A. Lectures on ship hidrodynamics and maneuverability. Hydrodynamics Department. Hydro- and Aerodynamics Laboratory.Denmark. 1964.

42. Abkowitz M. A. (1980). Measurement of Hydrodynamic Characteristics from Ship Manoeuvring Trials by System Identification. Trans. Vol. 88, pp. 283-318.

43. Clarke, D., A new nonlinear equation for ship maneuvering. International Shipbulding Progress. Vol. 18. No. 201, 1971.

44. Eda, H. Steering characteristics of ships in calm water and waves. Trans. Society of Naval Architects and Marine Engineers. Vol. 12. No. 3, 1968. pp. 181 - 200.

45. Fitriadhy A., Yasukawa, K., (2011). Course stability of a ship towing system, Journal of Ship Technology Research Shiffstechnik, Vol. 58, pp.4-24.

46. Fitriadhy A., Yasukawa, Y. Masaki (2012) Slack towline of tow and towed ships during turning. January 2012 Journal of the Japan Society of NA and Ocean Engineers.

47. Fitriadhy H. Yasukawa, K.K. Koh (2013) Course stability of a ship towing system in wind. Ocean Engineering .

48. Inoue S, Hirano M, Kijima K, Takashina J (1981) A practical calculation method of ship maneuvering motion. Int. Shipbuild Prog 28(325): pp.207-222.

49. Isherwood, R. Wind Resistance of Merchant Ships. 1973, vol. 115, p. 327-335.

50. Jiang T.; Henn, R.; Sharma, S. D. (1998), Dynamic behavior of a tow system under an autopilot on the tug, International Symposium and Workshop on Forces Acting on a Manoeuvring Vessel (MAN'98), Val de Reuil.

51. Kijima K., Varyani, K. (1985), Wind effect on course stability of two towed vessels, Journal of the Society of Naval Architecture of Japan, Vol. 158, pp.137-148.

52. Kijima K., Varyani, K., (1986). Wind effect on course stability of two towed vessels. Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers 24, 103-114.

53. Kijima, K. et. al., «On the Maneuvering Performance of a Ship with the Parameter of Loading Condition», SNAJ, Nov. 1990.

54. Kijima, K., Nakiri, Y.,- «On the Practical Prediction Method for Ship Manoeuvrability in Restricted Water», West-Japan Society of Naval Architects, 2003, pp.37-54.

55. Lee M. L. (1989). Dynamic stability of nonlinear barge-towing system, Appl. Math. Modelling, Vol. 13, pp.693-701.

56. Meijing, L., Xiuheng, Wu, - «Simulation Calculation and Comprehensive Assessment of Ship Maeuverabilities in Wind, Wave, Current and Shallow Water», Proceedings of MARSIM & ICSM 90, Tokyo, Japan, pp.403-411.

57. Norbin N.H. Theory and observation on the use of mathematical model for ship maneuvering in deep and confined waters. Proc 8th Symposium on Naval Hydrodynamics Pasadena. U.S.A., 1970.

58. Shigehiro R. (1998). A mathematical model for the maneuvering motions of tow and towed vessels (Japanese), Journal Kansai Society Naval Architects, Japan, No. 230, pp.153-164.

59. Udin J., Pashentsev S., Petrov S. Using Pontryagin maximum principle for parametrical identification of ship maneuvering mathematical model, Transport Problems Vol.9 Issue 2 pp.11-18, 2014.

60. Y. Yoshimura, «Mathematical Model for the Maneuvering Ship Motion in Shallow Water», Trans. of the W.J.S. of N.A., Vol.200, 1986.

61. Yasukawa H., Hirata, N., Tanaka, K., Hashizume, Y. (2007). Circulation water tunnel tests on slewing motion of a towed ship in wind (Japanese), Journal of The Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, Vol. 6, pp.323-329.

62. Yasukawa H., Hirono, T., Nakayama, Y. and Koh, K.K., (2012). Course stability and yaw motion of a ship in steady wind, J.Marine Science and Technology. Vol.17, No.3, 291-304.

63. Yasukawa H., Nakamura, N., (2007a). Analysis of course stability of a towed ship in wind. Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers 6, 313-322. (Japanese).

Приложение А (обязательное)

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Моделирование процесса буксировки при управляемом изменении длины

буксировочной системы

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

RU 2017616292

V

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ГОС УДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ

Номер регистрации (свидетельства): 2017616292

Авторы:

Птейкип Григорий Юрьевич (КГ), Пашениев Сергей Владимирович (КГ )

Дата регистрашш: 06.06.2017

Правообладатель: Федеральное государственное бюджетное обра зоваi ел ьиое учреждение высшего обра шва ним «Мурманский юсударственный (ехническнй университет» (ФГБОУ ВО «МГТУ») (RU)

Номер и дата поступления заявки:

2017613140 10.04.2017

Дата публикации: 06.06.2017

Контактные реквизиты: plyasuuovala л nistu.edu.ru

Название программы для ЭВМ:

Моделирование процесса буксировки при управляемом изменении длины буксировочной системы

Программный комплекс обеспечивает возможность моделировать буксировочный процесс, который управляется не только по отклонениям двух разнесенных точек ДП буксира н буксируемого объекта, но также и изменением длины буксировочных связок между буксиром ц объектом.

Язык иро1раммнровання: Visual Basic 6.0 Объем программы для ЭВМ: 3260 Кб

Реферат:

Приложение Б (обязательное)

Результаты модельных испытаний для модели зарубежных исследователей

Рисунок 1 - Результаты сравнения натурных испытаний судна с модельными, где Эксперимент Симуляция

Таблица 1 - Сравнение точек замеров по результатам симуляции

Время замера, 1 е- эксперимент; Б- симуляция Номер точки замера

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

С 0 5 32 40 50 77 89 98 112 159 174 183 193 223

С 0 5 30 39 48 82 95 106 110 153 170 180 189 227

Симуляция выполнена с учётом условий проведения морских испытаний:

1. Начальный курс танкера при выполнении манёвра Зиг-Заг (10/10) - 180°

2. Начальная скорость и = 15.2 уз (7.8128 м/с)

3. Параметры ветра в районе выполнения манёвра:

• направление ветра - 170°

• скорость ветра по шкале Бофорта (Bf = 5 баллов) - 8.7 м/с

4. Волнение 4 балла, высота волны h = 1.1 м, направление 170°

5. Значение первого угла зарыскивания:

• экспериментальное - 5.9°

• при симуляции - 4.8°

6. Значение второго угла зарыскивания:

• экспериментальное - 7.8°

• при симуляции - 6.5°

Результаты модельных испытаний (в балласте)

2 3i 5 8 11 j 13 { _J Л

Й \б 10 V |\|

1 л А 1 V /

4 71 У 12 \ J

20-----

D 1D0 200 300 400 50D

Тк

Рисунок 2 - Результаты модельных испытаний «зигзаг 10/10» во времени (Тк) [курс танкера (ук), угол перекладки руля (5к)]

Рисунок 4

^к

О 100 200 300 400 500

Тк

Рисунок 5 - Изменение продольной скорости (vxk), поперечной скорости (уук) во времени (Tk) при выполнении маневра «зигзаг 10/10»

0.021-----

- 0.02-----

0 100 200 300 400 500

Тк

Рисунок 6 - Изменение угловой скорости (юк) во времени (Тк) при выполнении

маневра «зигзаг 10/10»

Рисунок 7 - Циркуляция судна через правый борт

Рисунок 8 - Изменение скорости (ик) на циркуляции во времени (Тк)

Рисунок 9 - Изменение угловой скорости (OMk) во времени ^к) на циркуляции

Рисунок 10 - Изменение угла дрейфа (рк) во времени ^к) на циркуляции

Результаты модельных испытаний (в грузу)

20-----

О 100 200 300 400 500

Тк

Рисунок 11 - Результаты модельных испытаний «зигзаг 10/10» во времени (Тк) [курс танкера (ук), угол перекладки руля (5к)]

Рисунок 13 - Изменение курса судна (KKk) во времени ^к)

Рисунок 14 - Изменение продольной скорости (vxk), поперечной скорости (уук) во времени ^к) при выполнении маневра «зигзаг 10/10»

0.01

о

-0.01

-0.02

0 100 200 300 400 500

Тк

Рисунок 15 - Изменение угловой скорости (®k) во времени (Tk) при выполнении

маневра «зигзаг 10/10»

500 400 300

Yk

200 100

о1------

-100 0 100 200 300 400 500

Хк

Рисунок 16 - Циркуляция судна через правый борт

16 14

0-514 10

5

6

0 100 200 300 400

Тк

Рисунок 17 - Изменение скорости (uk) на циркуляции во времени (Tk)

0.03 0.02

OMk

0.01 о

0 100 200 300 400

Тк

Рисунок 18 - Изменение угловой скорости (OMk) во времени (Tk) на циркуляции

Рисунок 19 - Изменение угла дрейфа (рк) во времени (Тк) на циркуляции