автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Информационное и алгоритмическое обеспечение систем автоматизированного управления движением судов

!* I ! - * - ^ ,

п / , —■ ' ' »'-у I

Ш - ^ > ^ еС I

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

ДАНИЛЕНКО АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИНФОРМАЦИОННОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизированные системы управления

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение _4

ГЛАВА I ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

УПРАВЛЕНИЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

1. Судовая энергетическая установка как объект автоматизированного управления_11

2. Постановка задачи управления_21

3. Определение основных характеристик

энергетической установки_26

4. Концепции разработки математических моделей

судовых комплексов_34

ГЛАВА II МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СУДОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

1. Разработка математической модели судовых комплексов

как объекта управления_40

2. Математическая модель расхода топлива дизельной энергетической установкой_60

3. Характеристики внешней среды_65

4. Моделирование динамических режимов_68

ГЛАВА III АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ ПО СУДОХОДНОМУ КАНАЛУ

1. Формализация нагрузок, действующих на судно_

2. Анализ режимов работы дизеля при движении судна по каналу _

3. Прогнозирование изменения параметров математических моделей_

4. Оптимальное по быстродействию управление движением

ГЛАВА IV ОПТИМАЛЬНОЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИКОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ СУДНА

1. Методы оптимизации расхода топлива

при движении судна_125

2. Оптимизация режимов движения судна при изменении внешней среды в функции времени_131

3. Оптимизация режимов движения судна при изменении внешней среды в функции пути_144

4. Постановка задачи экстраполяции движения судна_160

5. Активная экстраполяция движения судна_166

Заключение_172

Список использованной литературы_177

90

97

100 105

ВВЕДЕНИЕ

В диссертации изложены исследования, представляющие новое решение актуальной задачи оптимизации эксплуатационных режимов работы автоматизированной энергетической установки судов.

Новизна этих исследований состоит в комплексном подходе, связанным с многокритериальностью, с широким классом ограничений, с получением результатов, позволяющих эффективно решать проблемы эксплуатации автоматизированной энергетической установки, синтеза систем автоматизации.

Содержание рассматриваемой проблемы оптимизации режимов работы состоит в получении моделей, процедур, алгоритмов, которые решают задачи повышения экономичности дизельных установок с винтом фиксированного шага для различных условий плавания; в минимизации разрушающего воздействия судна на фарватер и гидротехнические сооружения; в увеличении моторесурса и надежности дизеля; в обеспечении заданного времени движения и уменьшения времени шлюзования судна.

Решение этих вопросов производится на основе системотехнических позиций, так как они позволяют с большей объективностью учесть влияние окружающей среды, взаимозависимость критериальных оценок, иерархию управляющих воздействий, наличие возможных резервов.

Эти исследования и их реализация способствовали началу внедрения ресурсосберегающих технологий в эксплуатацию автоматизированных энергетических установок судов.

Автоматизированная энергетическая установка является главным звеном в вопросах перемещения грузов, так как она определяет скоростные и маневренные свойства судна как транспортной единицы.

Эти качественные показатели заложены в автоматизированную энергетическую установку при проектировании. Однако конкретные условия эксплуатации, характер нагрузки со стороны движителя и корпуса судна могут оказывать влияние на экономичность автоматизированной энергетической установки, ее динамические и статические характеристики. На основании этого формирование оптимальных эксплутационных режимов работы автоматизированной энергетической установки судна состоит из следующих основных этапов:

• Изучение характеристик автоматизированной энергетической установки для конкретных условий эксплуатации;

• Выявление зависимости работы автоматизированной энергетической установки „от параметров внешней среды;

• Разработка критериальных оценок;

• Создание комплекса математических моделей;

• Синтез оптимальных режимов работы автоматизированной энергетической установки для различных условий эксплуатации судна;

• Реализация оптимальных режимов работы.

Автоматизированная энергетическая установка является составной частью системы корпус судна - движители - рулевое устройство. В литературе данная совокупность называется судовым комплексом (СК).

Управление движением судна осуществляется человеком путем воздействия на задающие органы систем регулирования автоматизированной энергетической установки и рулевого устройства. Всю рутинную работу по регулированию (стабилизацию частоты вращения гребных винтов, курса судна и т. п. параметров) выполняют местные автоматические системы. Человек здесь выполняет роль звена принимающего решение, т. е. в данной человек - машинной системе имеет место акт принятия решения. Это означает, что на основании поступающей информации человек выбирает маршруты движения, режимы работы автоматизированной энергетической установки, решает задачи обгона, расхождения, входа и выхода из шлюза, обеспечивает безопасность плавания в сложных метеоусловиях.

Подобные человек - машина системы называются большими. Исследование данных систем наиболее эффективно осуществляется с помощью математических моделей, так как эксперименты над всей системой затруднены с позиций технологических и экономических. Исследование же отдельных частей системы не позволяет дать целостной картины из-за не сводимости свойств этих частей к свойствам их совокупности (свойства эмергентности больших систем).

Транспортное судно и его автоматизированная энергетическая установка работает, взаимодействуя с внешней средой. Его можно рассматривать как подсистему другой более высокой или низкой по вертикальной иерархии системы, которая является внешней несобственной по отношению к выделенной (собственной). Отсюда под внешней средой будем понимать все материальные, информационные, энергетические устройства, объекты, с которыми осуществляется взаимодействие собственного транспортного судна.

Рассматривая с этих позиций данные процессы, следует отметить, что взаимодействие судна и его автоматизированной энергетической установки со средой могут носить случайный характер. Прогноз таких взаимодействий основан на статистическом материале. Это относится к действию на судно дополнительных внешних сил: ветра, волнения водной поверхности, глубины и ширины фарватера. В условиях данного вида взаимодействий ресурсосбережение проявляется в выборе рациональных режимов работы автоматизированной энергетической установки с позиций заранее известных критериальных оценок, на основании получения информации о действующих возмущениях.

Возмущения могут быть детерминированными, предсказать которые заранее можно точно по времени и фазовым координатам (путь, скорость, ускорение). Они носят технологический характер, обязательный, объективно необходимый, без которого немыслимо выполнение заданной цели движения судна. Примерами таких взаимодействий является шлюзование, движение по судоходному каналу, расхождение со встречными судами, обгон и так далее. Ресурсосбережение здесь заключается в поиске принципиально новых технологий, например, осуществление управления автоматизированной энергетической установкой, которое обеспечивает вход и выход из шлюза за минимальное время, движение без простоев с максимальным - обеспечением безопасности.

Взаимодействия технологического характера существуют в течение отрезка времени, который определяется выполнением данной операции или их совокупностью.

Рассматривая в целом взаимодействие собственного судна со средой, следует придерживаться принципа относительности. В

соответствии с ним выделенная для анализа подсистема может рассматриваться как самостоятельная (судовой комплекс) и как часть другой системы, в которую она входит. Это важно при разработке методологии исследования оптимальных режимов работы автоматизированной энергетической установки и способов их управления. Данный принцип в этих условиях позволяет создавать теоретические модели автономного функционирования автоматизированной энергетической установки и с учетом их взаимодействия с внешней средой.

Цели и задачи данных исследований состоят в следующем:

• Исследовать закономерности, лежащие в основе оптимальных эксплуатационных режимов работы автоматизированной энергетической установки судов;

• Создать комплексные критериальные оценоки оптимизации для различных* условий эксплуатации автоматизированной энергетической установки, позволяющих получить количественные оценки режимов работы;

• Разработать процедуры формализации действия нагрузки на автоматизированную энергетическую установку в реальных условиях эксплуатации;

• Выявить экстремальные возможности автоматизированной энергетической установки для различных условий движения судна на основе математического моделирования и экспериментальных исследований;

• Разработать методы оценки расхода топлива автоматизированной энергетической установкой для изменяющихся условий плавания;

• Исследовать динамические и статические свойства многовальной автоматизированной энергетической установки, работающей в условиях быстроменяющейся нагрузки;

• Получить алгоритмы управления автоматизированной энергетической установкой, обеспечивающих оптимизацию режимов работы при заданных ограничениях на перемещение органов управления подачей топлива и частотой вращения.

На защиту выносится:

• Закономерности и характеристики, лежащие в основе оптимальных режимов работы автоматизированной энергетической установки судна;

• Способы определения статистических характеристик автоматизированной энергетической установки для условий быстро меняющейся нагрузки;

• Методы разработки математических моделей судовых комплексов с автоматизированной энергетической установкой для смешенного движения судна;

• Процедуры прогнозирования параметров и характеристик автоматизированной энергетической установки в составе судового комплекса;

• Методы определения нагрузок, действующих на автоматизированную энергетическую установку судна для условий быстроменяющихся параметров внешней среды;

• Алгоритмы решения нестандартных задач оптимизации на основе прямых и обратных методов;

• Методы определения расхода топлива автоматизированной энергетической установкой судна в условиях быстроменяющейся нагрузки;

• Методология оценок предельно возможных режимов работы автоматизированной дизельной установки.

Методология и методика исследования

Методологией проводимых исследований является системный подход, позволяющий проанализировать влияние на режимы работы автоматизированной энергетической установки судна комплекса факторов, как внешнего, так и внутреннего характера, их взаимодействия, целеобусловленность, иерархию, координацию.

Методики исследования основаны на кибернетических подходах в изучении сложных (больших) систем, какой является судовой комплекс. Это прежде всего пассивный эксперимент, математическое моделирование, методы оптимального управления.

Адекватность математических моделей доказывается на данных эксперимента или с помощью анализа поведенческих принципов исследуемых объектов.

ГЛАВА I ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

1.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ

Общая постановка задачи предусматривает наличие объекта или процесса, критериальных оценок, которым должен удовлетворять режим работы. Оптимизация осуществляется с учетом ограничений, которые накладываются на изменяемые параметры, управляющие воздействия, энергию, экономические факторы. Поиск оптимальных режимов работы может производиться экспериментально или на основе математических методов.

Первый способ возможен в простейших случаях, для одномерных объектов. ВтЬрой же способ нашел распространение для сложных многомерных объектов (систем), к которым относятся и автоматизированная дизельную энергетическую установку (ДЭУ), когда свойства отдельных составляющих не определяют свойства самого объекта (свойства эмергености).

Применение математических методов оптимизации предусматривает наличие исходных математических моделей объекта, заданных в форме аналитических зависимостей или графических характеристик.

В диссертации для оптимизации динамических процессов использованы математические модели, представленные в форме дифференциальных уравнений:

или в векторной форме

од>

где X " вектор выходных координат объекта; и - вектор управления.

В качестве составляющих вектора X ДОЯ автоматизированной

ДЭУ могут выступать крутящий момент дизеля, его мощность, частота вращения, температура выхлопных газов, расход топлива, а в качестве вектора управления £/ перемещение рейки топливного насоса,

цикловая подача топлива, и т. д..

В реальных условиях эксплуатации на составляющие векторов X

и и накладываются ограничения.

Эти ограничения могут носить статический или динамический характер. Ограничения статического характера представлены на рис. 1.1. На нем изображена рабочая зона режимов работы дизеля с помощью следующих ограничений: 1,2 - частоте вращения;

3 - по минимальной мощности;

4 - по максимальной мощности;

5 - по крутящему моменту.

Рис. 1.1. Статические ограничения

Функционалом, который оценивает эффективность оптимизации, служит некоторая функция

0=в\х>и)' <1.3)

Определенная в области ( ... ^, где ¿я - время начала изменения

векторов X и 1] ' а ' вРемя окончания движения.

Задача оптимизации в динамике будет состоять в поиске такой кусочно-непрерывной функции

и=иЬ1

в области ( =/я .. . ^, которая бы с учетом наложенных ограничений

обеспечивала бы минимум (максимум) разности функций (1.3), взятой на границах области 1Н Л к-

(1.4)

Ограничения динамического плана изображены на рис. 1.2. Данное ограничение вводится на изменение частоты вращения дизеля при его, например прогреве или остановке.

Для оптимизации статических процессов в диссертации использованы алгебраические модели, представленные или в аналитической, или в графической формах:

Ме =Ые{п>§е>ЬР)> о=и[Б.Н/Т), их. д..

Ограничения для данной оптимизации используются только статические. Функционалом является выражение (1.4), где вместо временных границ используются параметрические.

Оптимизация режимов работы автоматизированной ДЭУ может производиться по двум основным направлениям:

1. Определение программ регулирования с целью синтеза регуляторов;

2. Оптимизация режимов использования дизелей для обеспечения различных видов движения судна.

Первый путь оптимизации может быть осуществлен на основе математических моделей дизеля, без учета характера реальных возмущений. Такие возмущения могут быть заданны в виде типовых нагрузок: ступенчатые, импульсные или периодические. Критериальными оценками здесь выступают, прежде всего, качественные показатели переходных процессов: быстродействие, статическая и динамическая точность, колебательность запасы устойчивости.

В диссертации рассматриваются вопросы оптимизации эксплуатационных режимов работы автоматизированной ДЭУ, связанные со вторым направлением. Их успешное решение возможно на основе учета параметров трассы движения судна, взаимодействия системы дизелъ-валопровод-гребной винт-корпус судна.

Критериальными оценками являются экономические показатели работы дизеля, изменение надежности его функционирования, вопрос увеличения моторесурса, маневренные свойства судна. Численные значения функционалов, их аналитическое выражение и соответственно программы управления частотой вращения могут меняться в зависимости от конкретных целей движения судна.

Критериальные оценки режимов работы являются взаимосвязанными между собой. Поэтому удовлетворение с позиций экстремума выбранному критерию приводит к изменению других и не позволяет добиться оптимальности сразу по нескольким показателям [53,68,69].

Определяющим в вопросах движения судна по фарватерам является расписание или заранее определенного времени перехода. Оно назначается диспетчерской службой пароходств, судоходных каналов, портов.

В настоящее время создаются системы автоматизации движением флота, которые обоснованно