Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научно-теоретические и практические предпосылки создания комплексной автоматизированной системы управления тралового лова 16
1.1. Состояние вопроса 16
1.2. Требования к техническим средствам информационной поддержки АСУ тралового лова 24
Глава 2. Система судно - трал как объект управления 34
2.1. Состав системы судно-трал, цели и задачи управления, уравнения движения 34
2.2. Расчет сил и моментов, действующих на корпус судна и ДРК 39
2.3. Схематизация тралового комплекса и уравнения его движения 56
2.4. . Математическая модель движения разомкнутой системы судно-трал..65 Выводы к главе 2 67
Глава 3. Математическое обеспечение автоматизации маневрирования судна при прицельном траловом лове ...68
3.1. Линеаризация уравнений движения системы судно-трал и приведение их к безразмерному виду 68
3.2. Уравнения замкнутой системы судно-трал 72
3.3. Алгоритмы прицельного траления 74
Выводы к главе 3 89
Глава 4. Анализ управления системой судно-трал 90
4.1. Сравнительный анализ результатов натурного и вычислительного экспериментов 90
4.2. Динамика системы судно-трал на прицельном лове 100
4.3. Маневренные характеристики системы судно-трал 108
Выводы к главе 4 131
Глава 5. Безопасность мореплавания в условиях совместного промысла 133
5.1. Основные принципы обеспечения безопасности судов на промысле... 133
5.2 Классификация цели и рекомендации по проигрыванию маневра для безопасного расхождения 138
5.3. Зоны навигационной безопасности и опасного сближения применительно к системе судно-трал 147
Выводы к главе 5 163
Заключение 164
Литература
- Требования к техническим средствам информационной поддержки АСУ тралового лова
- Расчет сил и моментов, действующих на корпус судна и ДРК
- Уравнения замкнутой системы судно-трал
- Динамика системы судно-трал на прицельном лове
Введение к работе
Преобладающая часть мировой продукции рыболовства (70-75 млн.т) состоит из морских рыб, добываемых многочисленным рыболовным флотом (1170 тыс. единиц, тоннаж 25,4 млн.т). К 2025 году прогнозируется увеличение морских уловов до 130 млн. тонн и соответствующее увеличение количества рыболовных судов. Современный рыбодобывающий флот превратился в мощный инструмент комплексного воздействия на морские экосистемы, что требует усиления мер по контролю и регулированию промысла с целью одновременного повышения промысловой безопасности и сохранения устойчивой сырьевой базы.
На пороге XXI века более 140 прибрежных государств с учетом международных соглашений и нормативных актов полноправно определяют объективно допустимые уловы (ОДУ) в своих 200-мильных зонах и недоиспользуемый их национальным рыболовным флотом остаток ОДУ, который становится объектом рентных отношений чаще всего посредством оплаты другим государством лицензий на право вылова ОДУ в 200-мильной зоне. Однако ряд стран, осознав значимость морепродуктов как гаранта пищевой безопасности, приступает к активной политике по вытеснению иностранных рыбопромысловых флотов из своих зон.
В целом можно утверждать, что в XXI веке мировое рыболовство будет развиваться под влиянием следующих основных факторов: национализация морских биоресурсов и повсеместное зарегулирование рыболовства в открытых районах Мирового океана; введение международного контроля на промысле; нарастание природоохранного движения за закрытие для рыболовства различных акваторий Мирового океана; усиление конкуренции за сырьевые ресурсы.
Противоречивость ситуации между потребностями растущего населения в рыбопродукции и возможностями природы в восстановлении запасов уже в настоящее время проявляется в противоположных устремлениях рыбаков и экологов.
Основным видом океанического промысла в настоящее время является траловый лов, на долю которого приходится 70% добытых морепродуктов, причем на долю разноглубинного тралового лова - 40%. Преобладающая роль разноглубинного тралового лова определяется его высокой эффективностью и селективностью. Кроме того, этот вид промысла оказался экологически более чистым, так как в процессе лова не повреждается субстрат дна. Поэтому можно без преувеличения отметить, что проблема совершенствования разноглубинного тралового лова относится к одной из основных в отрасли.
Траловый промысел, как составная часть морского судоходства, должен отвечать требованиям безопасности. Специфика работы рыболовных судов в плотных группах на ограниченных акваториях, а также наличие буксируемого орудия лова, существенно влияющего на маневренные характеристики судна, требуют расширения понятия безопасности морского судоходства. В отличие от транспортных судов, рыболовные суда, должны дополнительно отвечать требованиям безопасности в рамках производственной деятельности, связанной с добычей рыбных и не рыбных объектов в сложных условиях промысла.
Разработка теоретических принципов обеспечения безопасности промыслового маневрирования является актуальной научной задачей, решение которой неразрывно связано с проблемой повышения эффективности самого промысла.
Одним из возможных методов обеспечения промысловой безопасности является разработка Международных правил по совместному маневрированию судов с орудиями лова. Поскольку принципы маневрирования, заложенные в МППСС-72, исходят из ситуации встречи и расхождения только двух судов, каждому из которых предписываются определенные обязанности по отношению к другому, то соблюдение этих Правил не может обеспечить безопасность мореплавания в группе промысловых судов.
Исключение любого физического взаимодействия, как самих рыболовных судов, так и их орудий лова можно осуществить путем формирования зоны опасного сближения. В автоматизированной системе тралового лова зона опасного сближения должна стать основой для классификации вида сближения промысловых судов и выработки рекомендаций по их расхождению. Эти рекомендации должны быть основаны на изучении маневренных характеристик, как отдельного промыслового судна, так и системы судно-трал в целом.
Построение детальной математической модели зоны опасного сближения, учитывающей все особенности тралового лова, является актуальной задачей, направленной на обеспечение безопасности промыслового маневрирования.
Ученые, занимающиеся созданием оптимальных конструкций тралов, особое внимание сейчас обращают на повышение их селективности. Задача стоит в том, чтобы молодь, попавшая в трал в составе косяка, могла бы беспрепятственно покинуть его через ячею, не травмированной.
Полное исключение попадания молодняка в орудие лова является более важной задачей. Это значрт, что должны повыситься требования к точности прицельного траления на основе дальнейшей автоматизации тралового лова. Именно широкое применение прицельного наведения трала на локальные рыбные скопления, а также переход к автоматизированным рыболовным системам позволит повысить избирательность лова и исключить истребление неполовозрелой молоди и сохранить сырьевую базу.
Разрабатываемые в России и за рубежом АСУ тралового лова не решают вопросы управления курсом судна во время наведения трала на косяк, что не позволяет автоматизировать облов рыбных скоплений, находящихся в стороне от курса судна.
Созданию АСУ, позволяющей осуществлять прицельный облов подвижных локальных косяков в трехмерном пространстве должна предшествовать разработка основ теории движения системы судно-трал, дающая целостное и обоснованное представление о взаимосвязи между ее главными элементами (судном и тралом), кинематическими и динамическими характеристиками движения этой системы при любом технически допустимом режиме ее функционирования. Другими словами, речь идет о построении математической модели системы судно-трал, достаточно полно описывающей движение этой системы с учетом влияния внешних факторов при различных управляющих воздействиях: изменении угла перекладки руля, угла разворота ВРШ, длины ваеров. Кроме решения задач о прицельном тралении такая математическая модель должна реально описывать все маневренные характеристики системы от знания и грамотного использования которых зависит безопасность промыслового маневрирования.
Следующий этап - это создание алгоритмов реализации методов управления системой судно-трал в процессе наведения трала на подвижный косяк в горизонтальной плоскости. Поскольку именно изменение курса в группе рыболовных судов создает проблемы безопасности промыслового маневрирования, то простая выработка рекомендуемого значения управляемой координаты (например, курса прицельного траления), уже представляется недостаточ-. ным. Необходимо иметь возможность предварительного «проигрывания» процесса наведения трала на рыбное скопление с построением траекторий движения судна и трала, а также предварительной оценки безопасности этой операции.
Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью совершенствования и дальнейшего развития методов рационального изъятия морских биоресурсов с помощью автоматизированных систем тралового лова, одновременно обеспечивающих безопасное ведение промысла.
Требования к техническим средствам информационной поддержки АСУ тралового лова
Перспективным направлением повышения безопасности промыслового маневрирования является создание средств автоматической радиолокационной прокладки (САРП), адаптированных к условиям промысла и входящих в состав комплексной АСУ тралового лова. Такие САРП должны производить оценку степени опасности ситуации и проигрывание маневра расхождения как для самого судна, так и для всей системы судно-трал в целом. Поскольку безопасное расхождение судов еще не гарантирует от сцепления и аварии буксируемых ими орудий лова, то алгоритмы расхождения, реализуемые в таких САРП должны иметь следующие особенности: 1. Кроме курса и скорости судна в САРП должна поступать информация о положении буксируемого трала относительно судна и величине его горизонтального раскрытия. 2. Формуляр цели, кроме параметров движения судна, должен содержать информацию о положении буксируемого этим судном трала, длине его сетной части и раскрытии. 3. Оценка степени опасности ситуации должна определяться из условия безопасного расхождения на заданном расстоянии, как самих судов, так и буксируемых ими тралов. 4. Проигрывание маневра на расхождение с целью должно производиться с учетом маневренных характеристик системы судно-трал.
Вся дополнительная информация, касающаяся положения и раскрытия трала, должна быть получена с помощью современной гидроакустической аппаратуры, входящей в состав АСУ тралового лова. Ниже представлен анализ возможностей современной гидроакустической аппаратуры и сформулированы требования к перспективной рыбопоисковой аппаратуре с учетом безопасности ведения промысла.
Применение современных гидроакустической рыбопоисковой техники позволяет значительно повысить эффективность и производительность различных способов и методов промышленного рыболовства, обеспечить рациональное использование биологических ресурсов, сократить энергетические и другие затраты на добычу объектов лова, улучшить качество добываемого сырья для выработки более ценной конечной продукции.
Значительный прогресс в области микроэлектроники, микропроцессорной техники и подводной акустики позволяет существенно расширить функциональные и тактические возможности гидроакустической аппаратуры, что создает хорошую основу для внедрения ресурсосберегающих процессов лова, обеспечивающих получение необходимого вылова меньшим количеством судов и с наименьшими затратами.
Основное назначение рыбопоисковой аппаратуры (РПА) это обеспечение судоводителя-промысловика инструментом для поиска рыбных скоплений (как в толще воды, так и вблизи дна), оценки их значимости, постоянному поддержанию эхо-контакта с выбранным для облова косяком в процессе маневрирования рыболовного судна и контролю попадания косяка в орудия лова. Именно эти задачи, с точки зрения промыслового эффекта, должны быть реализованы в современной РПА.
Кроме решения основных промысловых задач, судоводители рыболовных судов должны выполнять традиционные функции судовождения (маневрирование судном на свободном ходу и с орудиями лова, расхождение судов, в том числе при буксировке трала, операции швартовки, и т.д.). Поэтому судоводителю промыслового судна необходима, как обязательная информация, получаемая от гидроакустических приборов (точная глубина под судном, положение орудий лова относительно своего судна и дна), так и дополнительная информация (изменение глубины по курсу и траверзу судна, изменение глубины по курсу орудий лова, положение и траектория движения орудий лова других судов и т. д.). Учитывая основные промысловые и традиционные задачи судовождения, как два главных критерия оценки уровня РПА, проведем анализ современных промыслово-навигационных комплексов.
Автоматизированные промыслово-навигационные комплексы в зависимости от характера выполняемых ими функций можно разделить на информационные, информационно-управляющие и управляющие.
Автоматизированный информационный промыслово-навигационный комплекс осуществляет сбор информации, ее обработку и индикацию результатов обработки в форме удобной для восприятия. Совершенствование информационных комплексов идет по пути создания новых датчиков промысловой информации, повышения точности и наглядности отображения информационной модели промыслово-навигационной обстановки.
К этой группе можно отнести многолучевые гидролокаторы (ГЛ) кругового обзора SR240, SD570, SP270 фирмы Simrad (Норвегия), CSH-20 (Fu-runo, Япония), а также «Угорь-Р.4» (НИИ «Бриз», Россия). Эти гидролокаторы объединяют воедино достоинства однолучевых, секторных и многолучевых ГЛ. В сочетании с использованием системы ITI (аппаратура определения местоположения трала), обеспечивается абсолютно новый способ подачи информации. Новая конструкция антенны обеспечивает неограниченное электронное управление лучей ГЛ вокруг судна и под ним без искажения диаграммы направленности (ДН) лучей. Помехи от боковых лучей сведены до минимума. Это обеспечивает более эффективное обнаружение одиночных рыб и косяков вблизи дна. Наклон лучей неограничен, что делает ГЛ разносторонним устройством: всенаправленным с наклоном 90 град., секторным в диапазоне 180 град, и многолучевым эхолотом. Непрерывное обновление всей информации на экране позволяет обнаружить самый выгодный косяк. Режим автоматического слежения за целью также гарантирует истинное изображение косяка. Точная информация о скорости и направлении перемещения косяка создает образец (шаблон) перемещения косяка. Имеется аудио канал и встроенный громкоговоритель. Переменный аудио сектор устраняет необходимость постоянного наблюдения по экрану. Имеется встроенная программа для количественной оценки рыбы в косяке (с учетом 5 видов рыб)..
Сочетание программ поиска в горизонтальной и вертикальной плоскостях дают полную картину ситуации вокруг и под судном в ходе тралового лова. Луч в вертикальной плоскости, охватывающий 180 град., может разворачиваться в любом направлении и имеет свои собственные установки для оптимальных косяков и обнаружения дна. В этом случае изображение в вертикальной плоскости может быть ценным дополнением для безопасного и точного позиционирования трала.
Расчет сил и моментов, действующих на корпус судна и ДРК
При решении большинства, задач для математического описания сил от ветра мгновенное положение и скорость судна связывают с полем постоянного ветра, для чего используют понятия истинного и кажущегося ветра. Под истинным ветром понимается ветер в координатах OgXgYgZg связанных с землей. Кажущийся ветер - это ветер в координатах OXYZ , связанных с судном от которого зависят аэродинамические силы и моменты.
Истинный и кажущийся ветры характеризуются скоростями & а , S R и углами Ya YR соответственно. Угол истинного ветра Yаотсчитывается от той же неподвижной оси OgXg , от которой отсчитывается курс судна Ч . Угол кажущегося ветра у R отсчитывается от носовой части ДП судна и по своему физическому смыслу является углом атаки ветра по отношению к ДП судна.
Выражения, описывающие зависимости коэффициентов С , CYA и СМА от угла yR, основанные на аппроксимации результатов аэродинамических испытаний моделей надводных частей судов, были получены многими авторами: А.Д.Гофманом [41], А.П.Тумашиком [133], И.В.Гирсом и А.М.Сарибаном [38], И.П.Мелкозеровой и Р.Я.Першицем [98] и т.д.
Первые теоретические исследования поперечной силы YB1 и ее момента при косом натекании потока были выполнены Глауэртом [10]. Более поздние детальные исследования, проведенные Г.А.Фирсовым и И.Я.Миниовичем [86], [87] позволили авторам предложить удобное для практического применения выражение для вычисления силы YB1.
Расчетное сопоставление боковых сил YBi и YB2 показывает, что первая составляющая, обусловленная углом дрейфа в корме, намного превышает вторую. Поэтому в расчетах управляемости вторую составляющую обычно не учитывают, при этом полагают YB = YBi.
Большинство современных промысловых траулеров оборудованы направляющими насадками, т.к. эти устройства являются эффективным средством повышения пропульсивных качеств судов с тяжело нагруженными движителями. Для расчета упора комплекса гребной винт - направляющая насадка в условиях косого натекания внешнего потока А.Д.Гофманом [39] предложена следующая зависимость.
Поперечная сила, создаваемая комплексом гребной винт направляющая насадка, для случая его расположения в диаметральной плоскости судна, может быть вычислена по приближенной формуле [122].
Экспериментальные исследования полей скоростей в струе гребного винта по ряду характеристик не подтверждают теоретических результатов. На это обстоятельство первым указал С.Окада [167].
.А.Д.Гофманом [39] было выполнено экспериментальное исследование полей скоростей как открытого гребного винта, так и гребного винта в насадке. Данные обработки экспериментальных полей скоростей позволили оценить достоверность формул (2.38) - (2.41).
Поскольку на промысловых судах получили распространение также и активные рули, то возникает необходимость располагать сведениями о расчете величины ц а для таких рулей. Поперечная сила активного руля складывается из составляющей тяги вспомогательного винта в насадке и поперечной силы пера руля, которая должна быть рассчитана с учетом влияния грушевидной наделки и вспомогательного винта. Согласно приближенному способу определения гидродинамических характеристик активного руля, предложенному Н.Б.Слиженовым, градиент поперечной силы может быть определен по формуле [110].
Коэффициенты k j, к2 определяются по графикам [110] в функции относительного удлинения активного руля XR, относительного диаметра грушевидной наделки d и коэффициента нагрузки по тяге вспомогательного гребного винта активного руля СТе.
Приведенный подбор формул позволяет осуществлять математическое моделирование движения промыслового судна оборудованного различными типами ДРК: гребной винт-руль, комплекс гребной винт-руль-рудерпост, гребной винт-направляющая насадка-руль, гребной винт-поворотная насадка, гребной винт-активный руль. Выполненная автором аппроксимация кривых действия KT(J), KQ(J), KQ(0)(P/D) ВРШ в свободной воде, графиков вспомогательных функций C,(P/D,CTA),C2(P/D,CTA), fj(P/D,j3 ) для вычисления коэффициентов изменения упора момента движителя при его работе в косом потоке, графиков коэффициентов k,(d,A,R),k2(CTe Дк), учитывающих влияние грушевидной наделки и вспомогательного гребного винта на величину поперечной силы, создаваемой активным рулем, кривых для расчета коэффициента КВ(Ь,СТА), учитывающего влияние спрямляющего воздействия гребного винта на руль, расположенный за рудерпостом, позволила повысить степень универсальности математической модели движения судна.
Будем рассматривать траловый комплекс как единую динамическую систему, в состав которой входят ваера, распорные траловые доски, кабели и трал с оснасткой [4], [5]. Для математического описания движения тралового комплекса необходимо провести схематизацию каждого из перечисленных элементов. Приступая к схематизации реального тралового комплекса, мы должны четко представлять себе, для чего эта схематизация проводится. Проводится она для построения математической модели траловой системы, позволяющей: установить силы, действующие на элементы траловой системы, описать всевозможные режимы ее движения, выяснить влияние конструктивных параметров на характеристики каждого из режимов, установить возможности и методы управления движением трала. При построении математической модели мы должны найти разумный компромисс между стремлением к максимальной адекватности модели исследуемому оригиналу и достаточной ее простотой, допускающей исследование современными вычислительными методами и средствами в приемлемый промежуток времени.
Поскольку трал является в комплексе основным объектом управления, то он должен быть выделен в качестве элемента схематизируемой системы. Трал с помощью кабелей связан с распорными устройствами, обеспечивающими его горизонтальное раскрытие, поэтому в качестве следующих элементов в систему можно включить кабели и распорные доски. Управляющие воздействия от судна к распорным устройствам, а через них к тралу передаются через ваера, которые также выделяются в виде отдельных элементов. Разумеется, не все из указанных элементов необходимо всегда включать в схематизированную траловую систему. Вопрос о целесообразности того или иного элемента зависит от цели исследования. Наиболее подробная схематизация тралового комплекса [4], [5], [101], [139] проводится в Теории промышленного рыболовства для решения задач проектирования траловых систем. Для исследования динамики рыболовного судна, буксирующего трал, целесообразно представить распорные доски и трал в качестве одного элемента схематизируемой траловой системы, что позволяет существенно упростить математическую модель практически без уменьшения точности решаемых задач.
Итак, трал, кабели и распорные доски будем схематизировать материальной точкой Т, совпадающей с центром устья трала, масса которой тт равна сумме масс трала с оснасткой, кабелей и траловых досок с учетом присоединенных масс жидкости. Вес точки Рт будем считать равным суммарному весу в воде перечисленных выше элементов, а сопротивление RT-их суммарному агрегатному сопротивлению. Наиболее дискуссионным является вопрос о схематизации ваера. Поскольку реальный ваер является гибким металлическим тросом, то естественным кажется его замена в модели гибкой нитью, обладающей весом и испытывающей сопротивление при движении в воде. Однако круг решаемых с помощью такой схематизации задач ограничивается стационарными режимами движения, а изучение нестационарных режимов наталкивается на серьезные математические трудности. Поэтому для описания нестационарного движения тралового комплекса предложена схематизация ваера идеально жестким стержнем. При этом должны рассматриваться лишь те режимы движения тралового комплекса, при которых ваер все время находится в натянутом состоянии.
Уравнения замкнутой системы судно-трал
Для замыкания систем (3.11) - (3.16) необходимо связать единственный параметр управления aR с соответствующей управляемой координатой, что наиболее просто достигается в предположении об использовании в качестве управляющего устройства судна регулятора, линейные законы работы которого можно представить структурными выражениями для каждой системы, управляемой по координатам: по углу дрейфа .
Линеаризованные уравнения движения замкнутой системы (3.23) - (3.28) позволяют определить области устойчивости систем, управляемых по координатам со, XF, р, q, 8, у , с целью определения коэффициентов регулирования, реализуемых в АСУ тралового лова, настраивающейся на ту или иную управляемую координату в зависимости от выбора алгоритма прицельного траления.
В настоящее время разработаны три алгоритма прицельного траления и, следовательно, три способа управления.
Первый способ - управление по курсу прицельного траления, вычисляемому по текущей гидроакустической информации о взаимном положении судна, косяка и трала. Алгоритм расчета «рекомендуемого» курса прицельного траления позволяет учитывать воздействие трудно формализуемых внешних факторов (направление и скорость ветра, волнение моря, различие элементов течения в поверхностном слое моря и на горизонте хода трала), которые могут оказать существенное влияние на взаимное положение судна, косяка и трала в процессе выполнения маневра. К недостатком этого способа следует отнести отсутствие учета динамических характеристик системы судно-трал при вычислении рекомендованного курса траления, невозможность построения траектории сближения и прогнозирования развития ситуации лова с точки зрения безопасности промысла.
Второй способ - управление по углу скорости трала. Алгоритм расчета заданного значения угла скорости трала, включая в себя все достоинства первого алгоритма, предусматривает предварительный расчет экстраполированных (прогнозируемых) кинематических и динамических параметров системы судно-трал, координат судна, косяка и трала на любой наперед заданный момент времени, построение траекторий движения судна и трала в процессе наведения последнего на центр плотности косяка.
Третий способ - управление глубиной хода трала для его вывода на глубину залегания косяка, путем изменения длины ваеров.
Приведем описание алгоритмов прицельного траления, с целью их последующего синтеза в АСУ тралового лова.
Основная идея алгоритмов прицельного траления по курсу и глубине состоит в том, чтобы использовать в качестве ориентира начальные условия математической задачи о возвращении трала в режим стационарного движения при малом возмущении этого режима, состоящем в отклонении трала от ДП судна и изменении длины ваеров. Начальные условия привязываются к текущим значениям кинематических параметров тралового комплекса посредством представления о "мгновенном" повороте и рассчитываются так, чтобы в процессе перехода трала в режим стационарного движения из рассчитанного начального состояния происходило попадание косяка в трал. Для вывода формул, описывающих одновременный переход трала в состояние равновесия по глубине и курсу при условии, что верхний конец вае-ров движется постоянным курсом и скоростью, воспользуемся одностержне-вой моделью. Выберем систему координат XAYA, начало которой Отсовпадает с точкой крепления ваера, а оси OTXT,OTYT, OTZX параллельны координатным осям судна OX, OY, OZ. Введем полярные углы ф- угол между стержнем, соединяющим верхний конец ваеров с центром устья трала и горизонтальной плоскостью, и у - угол отклонения проекции этого стержня на горизонтальную плоскость от ДП
Для простоты будем считать, что силы, действующие на траловый комплекс, сосредоточены в одной точке на конце стержня AT. Такое допущение, конечно, является определенной натяжкой. Но наша цель не сама по себе точность формулы. Нужно учитывать, что алгоритм наведения компенсирует динамические ошибки, и что пригодность конкретной формулы определяется компромиссом между ее простотой и точностью процесса наведения. Итак, на конце стержня AT приложены силы сопротивления сетной части трала, сопротивления оснастки, сопротивления распорных траловых досок, равнодействующая которых сила RT является функцией скорости трала, и силы веса трала, его оснастки, веса траловых досок, подъемная сила кухтылей, подъемная сила распорного устройства, равнодействующую которых силу Рт будем считать постоянной.
Использование вместо (3.37) математической задачи, описывающей воз-вращение трала в режим стационарного движения после малого возмущения, это следующий шаг в построении алгоритма прицельного траления, который впервые был сделан в МВИМУ [17],[18]. Основную сложность этого шага представляет расчет начальных условий системы дифференциальных уравнений, описывающих движение трала, при котором обеспечивается попадание косяка в трал. Ранее, вводя упрощающие допущения, мы получили описание эволюции возмущения стационарного движения трала в виде конечных формул, поэтому определение начальных условий сведется к решению системы алгебраических, а не дифференциальных уравнений. В выборе начальных условий задачи эволюции возмущения стационарного режима движения трала имеется некоторый произвол. Возможны различные варианты связи рассчитываемых начальных значений с текущими параметрами движения трала. При построении алгоритма наведения этой свободой следует пользоваться для того, чтобы обеспечить успешное достижение рекомендуемых параметров в процессе сближения. Поэтому указанная связь должна быть подобрана так, чтобы она соответствовала положению дел при реальном повороте судна с тралом.
Наблюдения и вычислительные эксперименты [56],[57], показывают, что в начале реального поворота судна с тралом ваера и трал продолжают прямолинейное движение, судно поворачивается относительно ваерных блоков, глубина погружения трала изменяется незначительно. Эти свойства породили представление начальной фазы реального поворота системы судно -трал, как "мгновенного поворота" судна вокруг ваеров.
Динамика системы судно-трал на прицельном лове
В настоящее время вопросы автоматизации управления системой судно-трал приобретают актуальность, т.к. имеются реальные предпосылки для их решения на качественно новом уровне. Происходит интенсивное оснащение флота вычислительной техникой, высокоточными навигационными и рыбопромысловыми приборами, разработаны надежные математические модели динамических систем судно-трал и методы их идентификации. Первым шагом в этом направлении было создание отечественной РПА «Угорь-4Р», обеспечивающей выдачу судоводителю рекомендаций по управлению курсами и скоростью судна при наведении устья трала на центр плотности косяка.
Исследование алгоритма вычисления рекомендуемого курса траления (3.40) - (3.43), внедренного в РПА, с использованием математической модели (2.92) - (2.96) позволило решить ряд задач, направленных на его усовершенствование. Был выполнен анализ влияния систематических погрешностей в определении положения центра плотности косяка и параметров его движения на точность прицельного траления. Была определена необходимая точность вычисления рекомендуемого курса в зависимости от дистанции сближения с косяком [116], [117]. Установлены критические значения максимальных углов перекладки руля и углов отклонения ваеров для обеспечения устойчиво-го движения трала [118]. Математическое моделирование выявило и недостатки описанного алгоритма. Главные из них: при расчете рекомендуемого курса траления не учитывается дрейф судна, что в условиях действия ветра может привести к пролову; предложенный алгоритм прицеливания не содержит информации о траектории движения судна и трала в процессе сближения, а значит, - не позволяет спрогнозировать результат наведения.
Процесс облова рыбных скоплений тралирующими орудиями лова можно разделить на три этапа: поиск и обнаружение рыбных скоплений, наведение трала на рыбное скопление, непосредственно облов рыбного скопления. Наиболее сложный с точки зрения технического осуществления и, в то же время, наиболее важный тактически - второй этап, поскольку движение на втором этапе является решающим для успешного облова подвижного косяка, т.к. необходимым условием для этого является стационарный режим движения трала в момент его встречи с косяком. Поэтому наведению трала на подвижный косяк в автоматическом режиме должно предшествовать моделирование ситуации сближения на бортовой ЭВМ, связанное с построением траекторий движения судна и трала, а также с определением кинематических и динамических характеристик системы судно-трал в процессе сближения. Эту задачу в состоянии решить второй алгоритм прицельного наведения трала методом пропорциональной навигации (3.44) - (3.57) подробно описанный в разделе 3.3.
Алгоритм позволяет оценить возможность облова косяка при различных законах наведения и начальных условиях сближения: позиций косяка и трала относительно судна, отношений скоростей движения судна и косяка, разности курсов косяка и трала, а также начального угла упреждения. Анализ динамики системы в процессе наведения с использованием различных коэффициентов пропорциональности может производиться на основании сравнения законов изменения перекладки руля, отклонения ваеров и угловой скорости судна. Расчет результатов маневра до начала его реального выполнения позволит судоводителю прогнозировать развитие навигационно-промысловой ситуации и заблаговременно принимать решение по безопасному управлению системой судно-трал.
На рис.4.7 - 4.9 показаны расчетные траектории движения судна и трала при наведении последнего на движущийся косяк. Начальные условия для всех трех случаев одинаковы: курс судна - 45 , скорость судна - 4,5 узл., длина ваеров - 500 метров, пеленг на косяк -40 , дистанция - 1000 м., курс косяка -90 , скорость косяка - 1,0 узел. Маневр сближения выполнялся методом пропорциональной навигации при коэффициентах пропорциональности: К=1, К=2, К=3.
Сравнительный анализ траекторий сближения позволяет отдать предпочтение закону наведения при К=3, однако, окончательный вывод можно сделать только после сравнительного анализа кинематических и динамических параметров движения системы судно-трал.
На рис.4.10 изображены графики изменения угловой скорости судна при различных коэффициентах пропорциональности в зависимости от дистанции сближения центра устья трала с центром плотности косяка из которых видно, что чем больше коэффициент пропорциональности К , тем больше начальная угловая скорость, которая к концу маневра стремиться к нулю. При К=1 угловая скорость возрастает в конце маневра, т.е. когда трал находится в непосредственной близости от косяка, что делает этот способ наведения практически непригодным. Сказанное подтверждается рис.4.11, на котором показаны графики изменения угла перекладки руля в зависимости от дистанции сближения. При всех значениях К 1 максимальные углы перекладки руля соответствуют начальному периоду сближения, которые убывают до нуля тем быстрее, чем больше коэффициент пропорциональности. Анализ кривых, представленных на рис.4.12 позволяет выбрать оптимальный коэффициент пропорциональности для данных начальных условий в диапазоне 2 К 3, т.к. в этом случае режим движения системы судно-трал в конечной стадии наведения будет стационарным. В противном случае, несмотря на встречу трала с косяком, облов последнего не произойдет. При К=4 режим движения трала в конечной стадии наведения также будет установившимся, но на начальном этапе сближения угол отклонения ваера достигает 60 , что может повлечь за собой заверт трала.
