Influence of hull and cargo contours on lateral force and yaw torque in real - time vessel control systems

Abstract

The purpose of the research is to increase the accuracy of control calculations, the efficiency of the control system and the safety of navigation in general, by using a mathematical model in the control system to determine the parameters of external influences in real time. The mathematical model of the vessel is an important element of the mathematical support of the control system, the use of which allows to significantly improve the quality of the control system. Mathematical models are used to predict the movement of the control object, monitor the parameters of the state vector of the control object that are inaccessible to direct measurement, including in noise, determine the failures of command and executive devices, solve optimization problems, etc. In the work, integral functions for determining the resulting lateral force, the resulting yaw torque and the arm of the resulting lateral force, depending on the angle of attack of the flow and the shape of the hull contours, are obtained. The values of integral functions for simple hull contours are calculated. Compared with known approaches to determining the hydrodynamic and aerodynamic interaction of the ship's hull with the environment, the obtained results allow: in comparison with simple models, to estimate external forces and yaw torque much more accurately; in comparison with complex models, to carry out their estimation in real-time control systems. The obtained results are explained by finding and using integral functions for determining the resultant lateral force, resultant yaw torque and resultant lateral force arm, which for simple hull shapes are reduced to analytical solutions. The results are reproducible and can be used in the mathematical support of automated/automatic control systems in real time. Важливим елементом математичного забезпечення бортового обчислювача є математична модель судна, використання якої дозволяє суттєво підвищити якість системи керування. Математичні моделі використовуються для прогнозування руху об'єкта керування, спостереження за параметрами вектора стану системи, недоступних прямому вимірюванню, у тому числі в шумах, визначення відмов командних та виконавчих пристроїв, вирішення оптимізаційних задач тощо. Метою дослідження є визначення результуючої бокової сили і моменту, а також плеча результуючої бокової сили, залежно від кута набігання потоку та форми корпусу, підвищення точності розрахунків керувань із використанням уточненої математичної моделі, підвищення ефективності системи керування та безпеки судноплавства в цілому. Отримані інтегральні функції визначення результуючої бокової сили, результуючого моменту рискання та плеча результуючої бокової сили, залежно від кута набігання потоку та форми обводів корпусу. Розраховані значення інтегральних функцій для простих обводів корпусу. У порівнянні із відомими підходами до визначення гідродинамічної та аеродинамічної взаємодії корпусу судна з оточуючим середовищем, отримані результати дозволяють: значно точніше оцінювати зовнішні впливи із використанням простих математичних моделей, які можна застосовувати у бортовому обчислювачі системи керування у реальному часі. Отримані результати пояснюються знаходженням та використанням інтегральних функцій визначення результуючої бокової сили, результуючого моменту та плеча результуючої бокової сили, які для простих форм корпусу зводяться до аналітичних рішень. Результати є відтворюваними і можуть використовуватися в математичній моделі автоматизованої системи керування рухом судна в реальному часі.