System regulacji kąta natarcia płata żaglowego

 

Podczas tradycyjnego żeglowania sternik obarczony jest dużą liczbą czynności manualnych − począwszy od utrzymywania kierunku w czasie manewru sterem, skończywszy na wyborze manewru przy zmianie halsu. Wraz z rozwojem techniki pojawił się pomysł, aby pracę sternika wspomóc systemem regulacji kąta natarcia płata żaglowego regulującego kąt pomiędzy linią ustawienia żagla, a linią wiatru rzeczywistego. Dzięki tej operacji żaglówka, nie wymagając ingerencji ludzkiej, utrzymywałaby optymalną wartość wypadkowej siły aerodynamicznej. Realizacja takiego systemu na żaglówce nie powinna wymagać dużych nakładów finansowych ani modyfikacji, zaś jej montaż i demontaż nie sprawiłby problemów początkującemu żeglarzowi, a cóż dopiero osobie o większym doświadczeniu.

Systemy regulacji kąta natarcia płata żaglowego już istnieją, lecz są realizowane tylko na specjalnie zaprojektowane jednostki pływające, natomiast ich możliwości adaptacyjne są znacznie ograniczone. Planowany system wyróżnia się spośród istniejących tym, że jest w pełni zautomatyzowany oraz możliwy do aplikacji na dowolnym jachcie. Jednak najważniejszym aspektem założonej koncepcji jest bezpieczeństwo – urządzenie nie może stwarzać zagrożenia utraty zdrowia czy życia. Kolejnym niewątpliwym atutem jest prostota obsługi i eksploatacji, co wiąże się z możliwością adaptacji systemu dla jednostek szkoleniowych. Przedstawienie założeń projektu wymaga omówienia podstawowych zagadnień teorii jachtu żaglowego.

Siła aerodynamiczna a poprawne ustawienie żagla

Żagle wytwarzają siłę niezbędną do poruszania jachtu dzięki różnicy ciśnień, jaka powstaje po obu jego stronach w wyniku oddziaływania wiatru. Przy poprawnym ustawieniu płata po stronie zawietrznej powstaje silny spadek ciśnienia na skutek wzrostu prędkości przepływu wzdłuż zewnętrznej krawędzi profilu (wynika z prawa zachowania masy, ciągłości strugi i równania Bernoulliego) [5]. Analogicznie, niewielki lokalny spadek prędkości po stronie nawietrznej wywołuje wzrost ciśnienia w tym rejonie. Różnica ciśnień oddziaływująca na element powierzchni płata żaglowego powoduje powstanie na nim siły o kierunku normalnym do jego powierzchni w każdym punkcie żagla:

 

gdzie

	− siła wytwarzana na elemencie;
	− skierowany element powierzchni (o kierunku normalnym do powierzchni w punkcie i);
Δpi	− różnica ciśnień między stroną zawietrzną i nawietrzną żagla w punkcie.

Siły wytwarzane wzdłuż całej powierzchni żagla mogą być przedstawione jako tzw. wypadkowa (suma wektorowa) siła aerodynamiczna, zaczepiona w punkcie zwanym środkiem ożaglowania. W przybliżeniu może być zobrazowana jako wektor prostopadły do cięciwy żagla (rys. 1).

Badania dowodzą, że maksimum siły aerodynamicznej uzyskuje żagiel ustawiony w granicach od 8 do 15° do kierunku wiatru pozornego [1]. Wartość kąta natarcia odpowiadająca maksimum siły aerodynamicznej zależy od sprawności aerodynamicznej żagla (a zatem im mniejsza wartość, tym żagiel jest bardziej sprawny aerodynamicznie). Zmniejszenie kąta natarcia poniżej tej wartości powoduje drastyczny spadek siły aerodynamicznej – żagiel zaczyna łopotać. Zwiększanie kąta natarcia przez wybieranie szotów, powoduje stopniowy spadek siły aerodynamicznej spowodowany zjawiskiem przepływu turbulentnego i oderwania strugi. Pojawienie się turbulencji po zawietrznej stronie żagla prowadzi do dyssypacji energii i redukcji podciśnienia.

Siłę aerodynamiczną można rozłożyć na dwie składowe zgodnie z osią symetrii jachtu [6]. W praktyce efektywne żeglowanie sprowadza się nie tyle do maksymalizacji samej siły aerodynamicznej, ile do powiększania jej składowej równoległej do osi jachtu – tzw. siły ciągu. W konsekwencji im większa siła ciągu, tym większa prędkość jachtu. Przy stałej sile aerodynamicznej siła ciągu będzie największa w przypadku ustawienia żagla jak najbliżej płaszczyzny prostopadłej do osi symetrii jachtu (rys. 2). Takie ustawienie minimalizuje również siłę przechylającą, co zwiększa komfort i bezpieczeństwo żeglugi.

Założenia projektu

Uwzględniając przedstawione argumenty można założyć, że projektowany system powinien utrzymywać kąt natarcia w granicy 10° w przypadku kursów ostrych. Z uwagi na to, że maksymalny kąt wychylenia płata żaglowego jest ograniczony (w przypadku żagli przymasztowych) przez konstrukcję jachtu, na kursach pełnych utrzymanie zadanego kąta natarcia staje się niemożliwe. Po osiągnięciu maksymalnego wychylenia płata żaglowego system powinien go utrzymywać dla większych wartości kąta natarcia.

Kąt natarcia może ulegać zmianie w trakcie żeglugi w wyniku zmiany kierunku wiatru rzeczywistego lub zmiany kursu i prędkości jachtu. Jeżeli jacht utrzymywany jest na stałym kursie przez urządzenie samosterujące (autopilot, samoster wiatrowy), system powinien reagować dynamicznie na zmienne warunki, zapewniając optymalne parametry ustawienia żagla. Z drugiej strony system może pełnić funkcję automatycznego załoganta, wspomagając sternika podczas wykonywania manewru zmiany kursu.

Z kolei w przypadku żeglugi na dużej fali jacht poddawany jest silnym kołysaniom wzdłużnym i poprzecznym. Takie zachowanie będzie powodowało, że żagiel poruszający się względem powietrza będzie wytwarzać tak zwany wiatr własny zmienny zgodnie z charakterystyką kołysań. W efekcie żagiel będzie pracować w warunkach zmiennego wiatru pozornego (wypadkowa wiatru własnego i rzeczywistego), a więc także kąt natarcia będzie zmieniał się dynamicznie w zakresie nawet do 10°. Wymaganie, aby w takich warunkach system zapewniał nadążną regulację kąta natarcia, prowadziłoby do bardzo dużego wzrostu zużycia energii. W strukturze programu sterującego należy więc przewidzieć odpowiednie rozwiązanie tego problemu.

Projektowany układ, jako nowoczesny system jachtowy, musi spełniać wymagania odnośnie zużycia energii, wodoszczelności i bezpieczeństwa. Z założeń wynika iż obudowa systemu powinna posiadać stopień ochrony IP (International Protection Rating) nie mniejszy niż IP66, gdyż narażona będzie na działania silnego strumienia wody lub zalewaniem falą z różnych kierunków. Układ zostanie zasilony z dwóch równolegle połączonych akumulatorów, dając większą pojemność, a co za tym idzie dłuższy czas pracy. Z badań wynika, że akumulator o napięciu znamionowe 12 V i pojemności równej 72 Ah będzie odpowiedni (założenie pesymistyczne), ładowanie następować będzie po 8 godzinach ciągłej pracy. System wyposażony zostanie w układy samoregulacji poboru mocy oraz czujniki przeciążeniowe poprawiając bezpieczeństwo pracy.

Zasady działania i schemat ideowy układu

Sygnał niosący informację o kierunku i sile wiatru dostarczany ze stacji pogodowej (B), w postaci analogowej przekazywany jest do sterownika PLC (Programmable Logic Controller) (rys. 3 – D). Do sterownika dociera także sygnał analogowy z sensora pomiaru kąta (A) informujący o kącie między osią jachtu a położeniem bomu. Po wykonaniu programu realizującego funkcję odejmowania kątów a−b, sterownik wysyła sygnał sterujący silnikiem DC tak, aby różnica kątów a−b wyniosła mniej niż 15°.

Sensor pomiaru kąta to czujnik wykorzystujący zjawisko rezystywności własnej. Wraz ze zmianą położenia czujnika zmienia się jego rezystancja wewnętrzna [3], działa jak potencjometr obrotowy. Odpowiednio wyskalowane napięcie wyjściowe w stopniach odzwierciedla dokładne położenia bomu.

Stacja pogodowa, mierząc kierunek oraz siłę wiatru, dostarcza sygnał oscylujący w pewnych granicach. W praktyce kierunek oraz siła wiatru nie jest nigdy stabilna, więc układ musi posiadać opóźnienie oraz granicę błędu ustaloną tak, aby nie reagował na częste małe wahania zmian kierunku wiatru. Stacja nadaje sygnał analogowy wyskalowany w stopniach, określając kąt między osią jachtu a kierunkiem wiatru [3].

Sterownik PLC LOGO! [2] to uniwersalny sterownik logiczny opracowany przez firmę Siemens. Łączy w sobie następujące elementy i funkcje: elementy sterowania, panel sterowniczy i podświetlany ekran, zasilacz, interfejs umożliwiający dołączanie modułów zewnętrznych, interfejs umożliwiający dołączenie modułu pamięciowego (Card) i kabla połączeniowego do PC, binarne i analogowe znaczniki stanu, wejścia i wyjścia w zależności od typu urządzenia i wiele innych. LOGO! przy pomocy zaprojektowanego programu analizuje dane w czasie rzeczywistym.

Układ składa się z trzech elementów sensorycznych (stacja pogodowa, sensor pomiaru kąta, sterownik PLC) i jednego elementu wykonawczego (silnik prądu stałego). Każde z wymienionych urządzeń posiada napięcie znamionowe 12 V prądu stałego − jest to bezpieczne napięcie najczęściej stosowane na jednostkach pływających.

Silnik prądu ma możliwość pracy w obu kierunkach bez montażu skomplikowanych układów regulacji kierunków obrotów. Regulacja prędkości obrotowej realizowana jest przy pomocy zmiany wartości napięcia zasilania. Uzyskanie dużego momentu obrotowego potrzebnego do płynnej pracy umożliwia wbudowana przekładnia planetarna. Dzięki zastosowaniu przekładni, moc silnika wymagana do prawidłowego działania zespołu jest mniejsza i, co za tym idzie, zmniejsza się wartość natężenia prądu pobieranego z akumulatorów. Możliwość uszkodzenia silnika podczas pracy poprzez wilgoć panującą na pokładzie szacowana jest na nieznaczną, gdyż tego typu silniki posiadają stopień ochrony IP [7] pozwalający na pracę silnika przy krótkotrwałym zanurzeniu. Przeniesienie napędu z silnika na ruch bomu zostanie zrealizowane przy pomocy już istniejących na jachcie układów bloczków.

Układ zasilający składa się z dwóch akumulatorów 12 V DC połączonych równolegle, dając dzięki temu większą pojemność elektryczną, a także pozwalającą na dłuższą pracę systemu bez potrzeby ładowania akumulatorów.

Program sterujący

W obecnej fazie projektu przygotowany został uproszczony prototyp programu sterującego, którego zadaniem jest regulacja kąta natarcia w żegludze zadanym halsem. Program nie uwzględnia procedur reakcji na zmianę halsu. Do zaimplementowania pozostają także algorytmy zabezpieczeń.

Struktura programu sterującego układem, zbudowana w języku FBD (Function Block Diagram), przedstawiona jest na schemacie (rys. 4.). Program poprzez analizę wejściowego sygnału analogowego steruje pracą silnika. Układ posiada dwa wejścia analogowe (AI1, AI2) [3], do których docierają sygnały ze stacji pogodowej i sensora pomiaru położenie kątowego. Oba sygnały doprowadzane są do wzmacniaczy analogowych celem wyskalowania i wzmocnienia sygnału (B005; B006). Sygnały, po przejściu przez wzmacniacze, doprowadzane są do komparatorów analogowych, gdzie następuje realizacja odejmowania kątów (rys. 3.) W komparatorach następuje porównanie sygnałów ze stacji oraz z sensora kąta. Komparator (B001) pozwala na przejście sygnału, gdy różnica sygnałów wejściowych nie przekroczy przedziału .

Program rozpocznie pracę, gdy na wejściu cyfrowym (I1) pojawi się stan wysoki (logiczna 1). Ponieważ wszystkie sygnały wydostające się w komparatorów umieszczane są w bramkach AND (B010, B011). Komparator (B003) połączony został z blokiem powodując opóźnienie wyłączenia (OFF-Delay) (B012) w celu uniknięcia zaniku ciągłości sygnału luzującego żagiel. Bloki (B012) i (B001) połączono z bramką OR (B004) sumującą wartości logiczną sygnałów a wyjście doprowadzono do (B010). Wyjścia z bramek B010, B011 połączone zostały z bramką XOR (B007) w celu wyeliminowania hazardu (stanów nie ustalonych) [4]. Sygnały z bloków B011, B010, B007 zostają rozgałęzione i doprowadzone do bramek AND (B008, B009) blokując wyjście sygnału, gdy na wejściach bloku B007 pojawią się dwie logiczne jedynki. Na wyjściach (Q3) i (Q4) następuje zmiana kierunku pracy silnika.

Podsumowanie

System regulacji kąta natarcia płata żaglowego jest układem o bardzo prostej konstrukcji oraz zasadzie działania, co przyczynia się do atrakcyjności projektu. Jego zastosowanie nie ogranicza się jednak do nowo budowanych jachtów, ale także do jachtów już istniejących, dlatego też dalsze badania nad rozwojem i możliwością adaptacji systemu regulacji kąta natarcia płata żaglowego są jak najbardziej wskazane. W ramach dalszych badań przeprowadzonych przez koło naukowe mechatroniki na UWM, przeprowadzone zostaną testy prototypu systemu − działania programu sterującego, jak i efektywności elementów sensorycznych i wykonawczych. Testy zostaną przeprowadzone na dużym jachcie turystycznym klasy Phobos 29. Efektem dalszej pracy będzie rozszerzenie funkcjonalności systemu o algorytmy związane z obsługa trudnych manewrów podczas żeglugi oraz integracja systemu ze standardem NMEA 2000 (National Marine Electronics Association) [8, 9].

Bibliografia

1. Marchaj Cz.: Teoria żeglowania. Aerodynamika żagla. Wydawnictwo Alma-Press. Warszawa 2009 (wydanie 6).
2. LOGO! Podręcznik (Wydanie 9), Warszawa 2009.
3. Kalisz J.: Podstawy elektroniki cyfrowej. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności WKŁ. Warszawa 2003.
4. Wilkinson B.: Układy cyfrowe. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności WKŁ. Warszawa 2003.
5. Klugiewicz J.: Mechanika płynów. Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego. Bydgoszcz 2007.
6. Haber F.: Podręcznik żeglarza i sternika jachtowego. Wydawca Wielki Błękit. Warszawa 2009.
7. PN-EN 50173-1:2004: Zgodność stopnia ochrony IP. Polskie Normy PN. Warszawa 2004.
8. Cassidy F.: NMEA 2000 Explained – The latest word. Marine Electronics. 1999.
9. Piętak A., Mikulski M.: Adaptacja sieci CAN BUS do zastosowań w systemach elektronicznych jednostek pływających. Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie.

Marcin Jodkowski, Wojciech Wiśniewski, mgr Maciej Mikulski
Koło Naukowe Mechatroniki, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski