автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование систем автоматизированного управления предельными режимами энергетических установок транспортных объектов

На правах рукописи

Степанян Николай Мушегович

Исследование систем автоматизированного

управления предельными режимами энергетических установок транспортных объектов

Специальность: 05.13.06 -Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций на кафедре «Прикладная математика».

Научный руководитель:

доктор технических наук Шнуренко Анатолий Алексеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бурков Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент Нырков Анатолий Павлович. Ведущая организация НПФ «Меридиан».

Защита диссертации состоится 30 октября 2003 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Автореферат разослан 29 сентября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

т

Ю.М. Кулибанов

s (4<

Введение

Актуальность темы исследований

В диссертации рассматриваются вопросы управления энергетическими установками транспортных объектов в экстремальных условиях. Такие условия возникают при штатной эксплуатации объектов, например, при входе судна в шлюз, при обгоне и расхождении, при движении в стесненных условиях плавания, при взлете и посадке летающих объектов, при переходе их с одного эшелона полета на другой. Они могут возникать при аварийных ситуациях, которые могут приводить к катастрофическим последствиям, например, столкновение объектов при обгоне и расхождении, навал судна на ворота шлюза, посадка на мель, аварийные посадки летающих объектов, связанные с выходом из строя систем жизнеобеспечения, энергетических установок или их частей, рулевых устройств, шасси и т.д.

При управлении в подобных условиях основное внимание уделяется безопасности движения и избежанию возникновения катастрофических явлений, связанных с гибелью людей, объектов, транспортных сооружений , промышленных предпрйятий, жилых домов.

В настоящее время задачи управления в экстремальных условиях решаются на разных уровнях: на законодательном, на основе которого создаются различные инструкции и правила эксплуатации транспортных объектов в выше названных условиях, путем обучения экипажей объектов с помощью тренажерных комплексов и других технических средств, на основе разработки и создания ' транспортных сооружений, обеспечивающих безопасность движения и информированность человека -оператора о возможности возникновения экстремальных ситуаций.

С ростом численности транспортных объектов увеличивается плотность движения. Так на трассе Волго - Донского водного пути на расстоянии примерно в 100 км скапливается до 150 - 200 крупнотоннажных судов, в районе крупных аэропортов, например, Санкт -Петербурга, количество воздушных судов, находящихся только в воздухе достигает нескольких десятков. В этой обстановке вопросы рационального использования транспортных объектов в экстремальных условиях связаны с организацией движения, с управлением режимами работы силовых энергетических установок и рулевыми комплексами, с решением задач безопасности движения, с осуществлением управления при проходе гидротехнических сооружений, взлете и посадке самолетов.

Работа объектов в экстремальных условиях связана с управлением энергетическими установками на предельных режимах. Это понятие, введенное в диссертации, основано на необходимости преодоления возникающих экстремальных ситуаций. Причём предельный режим - это не обязательно использование энергетической установки на максимальных параметрах ее работы. Под првш»гтт.т.тми ряжимями бупем в дальнейшем

понимать именно такие, Kotdiftie НАНШММНМ ми преодолеть

БИБЛИОТЕКА С.П< 1 OS

катастрофические ситуации, или по заданным заранее критериям решить задачи управления в экстремальной обстановке, понятие о которой было дано выше.

Любая энергетическая установка имеет ограничения по мощности, частоте вращения, температурному режиму, расходу топлива, конструктивным особенностям, количеству двигателей, устанавливаемых на объекте. Поэтому рациональное использование этих параметров в пределах имеющихся ограничений для решения поставленных задач и будем в дальнейшем называть предельными режимами.

Поставленные задачи управления в экстремальных условиях не могут решаться непосредственно самим человеком - оператором без использования технических средств сбора, переработки, передачи и представления информации, а также систем автоматического и автоматизированного управления, на уровне собственных систем объекта, так и несобственных (централизованных), которые располагаются вне транспортного средства. Эффе;сгивисе решение поставленных задач определяется уровнем развития математического, алгоритмического и программного обеспечения, современной технической базой. Именно совершенствованию этих вопросов посвящена данная диссертация.

Современной тенденцией развития управления подвижными объектами является использование централизованных систем управления. То есть систем, которые управляют сразу некоторой группой объектов. Управляющаяся и информационная часть таких систем является общей для данной совокупности объектов. Эти системы позволяют уменьшить субъективные факторы в управлении, которые свойственны человеку-оператору и поэтому повысить безопасность движения.

Централизованные системы обладают значительно большей разрешающей способцостью, относительно меньшей стоимостью по сравнению с собственной системой объекта, предназначенной для подобных же целей. Однако данный тип систем может эффективно функционировать только при достаточном уровне развития собственных систем управления. Разрабатываемое в диссертации математическое и алгоритмическое обеспечение может быть использовано для этих двух типов систем. Математические модели, предлагаемые в данном исследовании, могут использоваться для проектирования собственных систем управления и для разработки программ управления движением объекта на основе комплексных критериев в, централизованных системах. Поэтому создание математического и алгоритмического обеспечения для подобного класса систем на основе современных математических методов и аппаратурных решений является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы . состоит в разработке математического и алгоритмического обеспечения систем автоматизированного • управления предельными режимами работы

энергетических установок транспортных объектов для использования в централизованных и собственных системах.

Для выполнения этой цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Ввести и обосновать понятие экстремальных ситуаций эксплуатации транспортных объектов и понятие предельных режимов энергетических установок.

2. Произвести анализ транспортного потока на микро и макро уровнях, для демонстрации применения предельных режимов эксплуатации энергетических установок.

3. Исследовать возможные ситуации, которые возникают н транспортном потоке при движении большой совокупности объектов.

4. Разработать математическое и алгоритмическое обеспечение для получения управлений предельными режимами в динамике для летающих и плавающих транспортных объектов.

5. Предложить технические средства для реализации разработанных алгоритмов управления предельными режимами.

Методы исследования. При решении данных задач использовались методы математического моделирования, основанные на теории больших систем, математическом аппарате оптимизации и в частности прщшипе максимума, теория автоматического и автоматизированного управления.

Научная новизна. Основными научными положениями являются:

- характеристики предельных режимов работы энергетических установок для двух типов транспортных объектов: плавающих и летающих, а также обоснование их использования при решении задач преодоления экстремальных ситуаций,

- методика исследования транспортного потока, основанная на микро и макро математических моделях, позволяющая получать закономерности поведения большой совокупности объектов и анализировать вероятность возникновения экстремальных ситуаций,

- формулировка комплексных критериев и ограничений при управлении экстремальными ситуациями,

постановка и решение задач оптимизации на максимум быстродействия для объектов с разными динамическими свойствами: нейтральными, апериодическими при разных начальных. и конечных условиях,

алгоритмы оптимального управления энергетическими установками транспортных объектов, обеспечивающие работу транспортного объекта в экстремальных ситуациях.

Результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Способы анализа транспортного потока на микро и макро уровнях, для выявления возникновения экстремальных ситуаций,

2. Обоснование предельных режимов работы транспортных энергетических установок, как способа преодоления экстремальных ситуаций,

3. Комплексные критерии и ограничения для управления предельными режимами работы транспортных энергетических установок,

4. Формулировка и решение задач оптимизации на максимум быстродействия для объектов с разными динамическими свойствами: нейтральными, апериодическими при разных начальных и конечных условиях и ограничениях,

5. Научно обоснованные технические решения для создания аппаратного обеспечения процесса автоматизированного управления предельными режимами.

Практическая значимость исследований. Практическая значимость исследований состоит в создании алгоритмов управления предельными режимами в виде структурных и функциональных схем, а также в разработке, создании и внедрении в практику эксплуатации энергетических установок транспортных объектов целого ряда контрольно измерительных систем, систем автоматизированного управления предельными режимами, которые защищены патентами и авторскими свидетельствами.

Реализация и внедрение результатов. Основные результаты работы использовались при проектировании информационных систем, систем управления предельными режимами работы энергетических установок судов и летающих объектов в НПФ «Меридиан», ОАО «Техприбор», ОАО «Звезда», НИИ проблем автоматизации «Север - ЭВМ комплекс».

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на одной международной научной конференции по наукоемким технологиям (г. Москва), на всероссийской конференции (г. Санкт - Петербург), на отраслевых семинарах в СПГУВК, ОАО «Техприбор» и НПФ «Меридиан» (г. Санкт - Петербург), на секции по наукоемким технологиям Дома ученых им. М. Горького (г. Санкт -Петербург).

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 10 статьях, 2 тезисах докладов на научных конференциях, 28 Патентах и Свидетельствах на изобретения.

Основное содержание работы

В первой главе рассматриваются основные характеристики транспортных объектов. Понятие предельных режимов работы энергетических установок связано с эксплуатацией и - способами использования транспортных объектов. Такими предельными режимами могут быть режимы связанные с расхождением объектов, обгоном, входом судна и выходом его из шлюза, взлетом и посадкой самолета, режимы аварийного использования объектов. Основным критерием управления

является обеспечение безопасности движения, то есть сохранности объекта, перевозимого груза, экипажа и пассажиров.

Предельные режимы это не обязательно использование энергетической установки на максимальной мощности, - под данными режимами будем в дальнейшем понимать такие, при которых вопросы ресурсосбережения не являются главенствующими. С математической точки зрения, наиболее подходящим критерием управления является обеспечение максимального быстродействия при заданных ограничениях на фазовые координаты и время выполнения операций. Формальным математическим методом решения задачи определения управлений, обеспечивающих работу на предельных режимах, который используется в диссертации, является принцип максимума (минимума) Л.С.Понтрягина.

Учитывая достаточно большую насыщенность трасс транспортными объектами, в диссертации предложены математические модели для оценки интенсивности и плотности движения, а также статистические свойства транспортного потока. И, в частности, предложены макро и микро модели движения.

Макро модель движения определяется как модель, представляющая средние характеристики транспортного потока, состоящего из судов, каждое из которых имеет стохастические характеристики. Ниже определяются и используются в материалах главы следующие параметры макроскопической модели: скорость V - средняя скорость судна; плотность к - число судов, занимающих единицу длины полосы движения на фарватере в любой данный момент; интенсивность движения ц - число судов, проходящих любую данную точку фарватера в единицу времени.

Если все суда имеют одинаковые скорости, то из приведенных выше определений становится ясным, что

9 = Ь (1)

На практике скорость судна распределена в пределах некоторого диапазона, и в дальнейшем определяются два вида средних скоростей; средняя пространственная и средняя временная скорости. Для этих целей введем две плотности распределения вероятностей скоростей V: пространственную плотность распределения /¿00, определяемую как плотность распределения скоростей для судов, занимающих данный участок фарватера в заданный момент времени, и временную плотность распределения /¡(у), определяемую как плотность распределения скоростей судов, проходящих данную точку трассы в течение заданного интервала времени. Средняя пространственная и средняя временная скорости определяются из выражений:

(2)

о

}у/,(У)Л. (3)

о

Нижний предел принят равным нулю, так как мы предполагаем, что на трассе нет судов, движущихся в том же ряду в обратном направлении. Гармонические средние скорости у, и у, основаны на тех же двух плотностях распределения:

(4)

у(=1/]-/,(у)^. (5)

Здесь, как и выше, подразумевается, что транспортный поток является стационарным и что скорость каждого объекта постоянна в течение интервала времени, определяющего среднюю временную скорость, или вдоль участка трассы, определяющего среднюю пространственную скорость. Пусть куск> и представляют собой

соответственно дифференциалы плотности и интенсивности движения объектов, чья скорость лежит в диапазоне между у и у + <Л>. Тогда справедливы следующие выражения для плотностей распределения fs (у) и /,00:

/Ду )<Ь = к„сЫк- (6)

= (7)

где к и <7- соответственно интенсивность и плотность потока.

Из выражения (1) следует, что

(8)

Используя это выражение, получим из формулы (6)

(9)

Тогда

со - 00

V, = [у/:(у)<к> = ц!к, так как о о

Мы показали, что

д = ку,. (10)

Таким образом, уравнение (1) справедливо для средней пространствеппой скорости даже если скорости объектов не одинаковы, . а являются случайными величинами с произвольным распределением вероятностей. С другой стороны, путем подстановки уравнения (10) в (9) найдем, что

/,М = Л(у)У/У,. (11)

Уравнение (11) описывает зависимость между пространственной и временной плотностями распределения скоростей. Путем деления на V и интегрирования обоих частей уравнения (11) получим

„V V « V

О '»0 Î

Возвращаясь затем к уравнению (5), замечаем, что v,=V (12)

Таким образом, средняя пространственная скорость равна средней гармонической временной скорости.

Затем рассмотрим связь между v, и vr Подставим уравнение (11) в

(3):

vt=X\y2fsvdvlvs. (13)

о

Во нгирой главе рассматриваются вопросы определения управлений предельными режимами для разного типа объектов с различными динамическими характеристиками. Синтезируются управления для объектов с двойным интегрированием, что соответствует продольному движению транспортных объектов, где выходной координатой является величина проходимого пути.

Например, если через m обозначить массу (или момент инерции) объекта, черел у{1) -его путь, а через v(/) - прикладываемую силу (или момент), то при отсутствии трения и гравитационных сил его движение будет описываться уравнением второго порядка вида

rny(i) = v(î) . - (14)

Передаточная функция системы имеет вид

= ^ = (15)

Ф) ms"

v(t)

Определим управление u(t), положив u(t) = —тогда уравнение

m

( 14) запишется:

m=u(t). (16)

Определим переменные состояния (фазовые координаты) как xl(0 — ХО ~ выход; 1 ^

х2 (0 ~ У(0 - скорость на выходе/ и получим систему в виде

х2(0=«(0.1 (18)

Будем считать, что управление ограничено по величине соотношением

|м(г)| < 1 для всех t. (19)

(20)

Это ограничение следует из физических ограничений на величину тяги и момента, которые могут давать реальные устройства. Рассмотрим следующую задачу.

Дана система

*i(0 = x2(t)

Необходимо определить допустимое управление, переводящее систему (20) из любого начального состояния (£1,^2) в начало координат (0,0) за наименьшее возможное время.

Прежде чем приступить к ее решению, заметим:

система (20) нормальна, и поэтому вырожденные управления не могут быть оптимальными;

оптимальное управление существует и является единственным,

так как конечным состоянием является начало координат. Метод решения этой задачи будет состоять из следующих шагов:

1. Определения Я-минимального управления, т. е. управления, минимизирующего гамильтониан.

2. Составления уравнений для дополнительных переменных при неизвестных начальных значениях.

3. Определения управляющей последовательности, представляющей возможное оптимальное управление.

4. Построения траекторий движения на фазовой плоскости для и = +1 и и = —1.

5. Определения кривой переключения.

6. Нахождения закона управления для системы (14), являющегося решением поставленной задачи.

7. Составления блок-схемы реализации полученного закона управления.

Для задачи (14) функция Гамильтона имеет вид

H^l + x2(t)pi(t) + u(t)p2(t) (21)

Н минимальное управление, т. е. управления, минимизирующие гамильтониан, равно

«(i) = -i/g»{p2(0}=A = ±l- (22)

Дополнительные переменные удовлетворяют уравнениям

dxi(t) ■ /ч дН

(23)

т. е.

Пусть щ и тг2 - начальные значения дополнительных переменных,

*1=Л(0): = (24)

Тогда из уравнений (7.10) находим

P[ (t) = 7Г] = COnSt\ p2(t) = Jt2-Tcxt.

Из соотношений (25) видно, что p2{t) есть прямая на плоскости Р2 (t),t. Управление, оптимальное по быстродействию, является кусочно-постоянной функцией времени и может переключаться не более одного раза, так как задача нормальна. Таким образом, приходим к выводу, что оптимальными могут быть только четыре управляющие последовательности:

{+1}; {-1}; {+1;-1}; {-1;+1}. (26) Так как на конечном интервале времени оптимальное управление постоянно, u(t) = Д = ±1, то уравнение (20) можно решить, полагая u(t) = А = const, для начальных условий *l(0) = <?i; *2(0) = <?2 и получить соотношения

где

Далее, исключая время t, находим _ 1.2 1 >-2 х\ + 2 2

(27)

(28) (29)

(30)

1 XI

Рис. 1. Вынужденные траектории на фазовой плоскости. Сплошные кривые соответствуют и = 1, прерывистые - и = -1

Рис. 2. Линия переключения для объекта с двойным интегрированием

Уравнение (31) есть уравнение траектории, начинающейся из точки (£1>й) на плоскости ххх2 для управления ы = Л. Эти траектории, являющиеся параболами, показаны на рис. 1. Сплошные траектории соответствуют ы = Л = +1; штриховые - управлению м = А =—1; стрелки показывают направление движения для положительного времени.

Цель управления состоит в том, чтобы перевести любое начальное состояние в (0, 0), т. е. в начало координат фазовой плоскости. Так как управление должно быть кусочно-постоянным, мы можем найти геометрическое место точек, которые могут быть переведены в (0, 0) при помощи управления и = ±1. Эти две траектории, приводящие в (О, 0), обозначены на рис. 1. через у+ и /_. Укажем точные определения.

Кривая у+ есть геометрическое место точек (х|,х2), которые могут быть переведены в (0, 0) при помощи управления и = +1:

(32)

Кривая у_ есть геометрическое место точек (х\,х2), которые могут быть переведены в (0,0) при помощи управления и = -1:

Г-={(хЬх2):х1=~х|;х2>о}. (33)

Кривая у, называемая линией переключения, есть объединение кривых у+ и у_:

Г = |(*1.*2):*1=~»гЫ} = 7+иГ- • (34>

Кривая у показана на рис. 2. Она делит фазовую плоскость на две области (или два множества) и Л+.

Оптимальное по быстродействию управление и* как функция от

состояния (хх,х2) равно * *

и =к (дс},дс2) = +1 для всех (*1,Х2)е у+ и/?+

и -и (*1,;с2) = -1 длявсех(^,Х2)еу_иЛ_

и, следовательно, и является единственным. Этот закон управления

определяет величину оптимального управления и для любого состояния на фазовой плоскости. Отметим, что при его доказательстве мы использовали:

1. Существование управления, оптимального по быстродействию.

2. Однозначное соответствие управляющей последовательности начальному состоянию. Это эквивалентно единственности экстремальных управлений.

и

3. Тот факт, что из существования оптимального управления и единственности экстремальных управлений следует единственность оптимального управления.

Далее покажем, каким образом может быть реализован закон управления для системы (14). Синтезируем нелинейную систему управления с обратной связью, которая преобразует фазовые координаты

I] и X] и формирует правильное управление и . Такая практическая реализация показана на рис. 3. Фазовые координаты (переменные состояния) х\({) (выход) и (скорость изменения выходной

координаты) измеряются в каждый момент времени. Сигнал х-^)

подается на нелинейность N, на выходе которой имеем — Х2(()\х2(0| ■

Сигнал z(0 = хх (0 + (0|х2 (0|

(36)

после инвертирования управляет реле R. Реле представляет собой техническую реализацию операции sign.

z{t)

-1

-И-

1

Реле R Объект

ix2(i)|x2(0|

N

*2«

d dt

Рис. 3. Реализация оптимальной по быстродействию системы управления объектом с двойным интегрированием.

Сигнал на выходе реле обеспечивает управление, оптимальное по быстродействию, так как

если (*! (О, х2 (0) е то - г({) < 0; если (*}(/)> *2 то -г(0>0.

Аналогичным образом получены и исследованы управления, полученные для транспортного объекта, имеющих две постоянные времени, в состав которого входят два апериодических звена с постоянными и переменными коэффициентами.

Рассмотрим синтез управлений объектом, который описывается передаточной функцией третьего порядка с двумя интегрирующими и одним апериодическим звеньями.

Рассмотрим систему третьего порядка, описываемую дифференциальным уравнением

гД

+ а-

¿е

йг

- = Ки(1),

(37)

где ~ выход;

К- коэффициент усиления и ы(0~ управление. Предположим, что управление и(/) ограничено по величине

|и(0|<1 (38)

и постоянная а - действительное положительное число:

а >0. (39)

В теории автоматического регулирования говорят, что система (37) имеет передаточную функцию

т

К

$2{х + а)

(40)

Существует много физических систем, которые достаточно точно

описываются передаточной функцией вида С(5) = -. Примером

х (я + а)

данной задачи является управление высотой летающего транспортного объекта. В этой системе выходом является высота полета, а управление -это угол отклонения руля высоты (ограниченный механическими упорами).

Определим переменные У\^),У2(0 и Уз(/), положив

л (0=№ У2(<)=Я0; УЗ(0=Я0 ■ (41)

Эти переменные удовлетворяют векторному дифференциальному уравнению

(42)

которое можно более компактно записать в виде

= +«(')• (43)

Собственными значениями матрицы А размера 3x3 являются 0, 0, -а. Так как два из этих собственных значений одинаковы, то при помощи преобразования подобия эту матрицу можно записать в виде жордановой канонической формы. Обозначив через 3(А) жорданову каноническую формуй, запишем

"я«)" "010" яОУ "0

Ы0 =3 0 0 1 У2(0 + 0

МО. 1 1 -а мо. Ки( 0.

О 1 О Щ)= ООО О О -а

Так как существует невырожденная матрица Р:

1 О

1

О 1 —

I

О 0 1

и обратная ей,

1. О —

I

О 1 1 а

0 0 1

(45)

(46)

то имеет место соотношение

ДА) = Р1АР Определим вектор-столбец г($, положив

Очевидно, что удовлетворяет дифференциальному уравнению

(47)

(48)

т = 1(А)г(1) + Р~Хи{1) или, эквивалентно, системе уравнений

¿1(/) = г2(/)-4-и(/); а£

¿2(0=—и(0;

а

(49)

(50)

и

Для упрощения выражений в качестве фазовых координат *з(/) примем

К а2

X3(t) = ~Z3(t). Л

Эти уравнений

переменные удовлетворяют системе дифференциальных

(52)

xi(t) = ax2(t)-au; x?(t) = au(t); x3(t) = -ax3(t) + au(t).} Отметим, что если х\ = х2 - - 0, то

У1~У2~УЗ • (53)

Сформулируем задачу оптимального управления системой (52). Найти управление (удовлетворяющее ограничению |u(i)|sl), которое переводит произвольное начальное состояние в начало

координат (0, О,0) за минимальное время.

Заметим, что система (52) нормальна и оптимальное управление существует и единственно. Порядок, в котором мы будем решать эту задачу, будет тем же самым, что и ранее.

Гамильтониан Я для этой задачи (для системы 52) имеет вид Я = 1 + ax2(t)Pi(t)- ах3(0й(0'+

+au(t)[-P{(i) + P2(t) + p3(t)}

Так как а - положительная постоянная, управление, минимизирующее Я, равно

u(t) = -sigrJrpx{t) + p2(t) + р3(0}. (55)

Дополнительные переменные pt{t),i = 1,2,3 удовлетворяют системе уравнений

дН

(54)

Pli о = -

¿2(0 = -

дН

dx2(t)

дн

= 0;

= аРз(0-

дх3(0

Используя известное обозначение

ni = Л'(0); 1 = 1,2,3,

решим уравнения (56) и получим

(56)

Р2(0=л2-т<;\ (58)

Функция

-А (0 + Р2(0 + Рз(О = + »2 ~ + (59)

может иметь не более двух нулей независимо от величины Щ,Я2 и яз. Отсюда сразу же делаем вывод, что оптимальными могут быть шесть управляющих последовательностей

{+1};{-1}; {+1,-1};{-1,'+1}. В третьей главе рассматриваются управления конкретными объектами и, в частности, судовыми комплексами при проходе гидротехнических сооружений. Судовой комплекс с дизельной энергетической установкой (ДЭУ) при шлюзовании подвергается действию сил и моментов, которые зависят от конструктивных особенностей шлюза и внешних условий. Причем найти (рассчитать) эти силы и моменты, которые являются нагрузкой для ДЭУ, пользуясь традиционными методами гидромеханики и гидродинамики, трудно. Это объясняется сложными гидравлическими явлениями, которые возникают в подходных каналах и в самих камерах шлюзов. Несмотря на многочисленные исследования, до последнего времени не было удобных и надежных методов идентификации динамических характеристик взаимодействия данного вида систем, при условии, что геометрические размеры шлюза превышают значительно размеры корпуса судна. Исследования, проведенные на водных путях Волго-Донского канала, позволили на основе методов пассивного и активного эксперимента, с использованием машинного эксперимента, получить необходимые методики для создания математических моделей нагрузки на ДЭУ при входе судна в шлюз, что позволяет синтезировать рациональные режимы работы дизелей.

Данные рациональные управления должны отвечать требованиям максимального быстродействия. Это означает, что выбранные режимы работы обеспечивают минимальное время входа судна в шлюз при ограничениях на перегрузку по моменту и температуре выхлопных газов.

В качестве исходной системы дифференциальных уравнений примем следующую:

* '=' (60) Щ1р .Я^ММ-М, / = 1,2,...,*

где и,— частота вращения 1-го дизеля; к - число 1ребных винтов;

Лп- присоединенные массы воды относительно продольной оси; Ре1— упор гребных винтов; Я - сопротивление движению;

1р- момент инерции вращающихся масс гребного винта и

приведенных к нему вращающихся частей;

Ащр— присоединенный момент инерции воды при вращении

гребного винта;

Мд - вращающий момент дизеля;

М - момент сопротивления вращению вала дизеля.

Полное сопротивление движению равно

Я = ЯК + Яд+Яв (61)

Як - сопротивление корпуса;

Яд- сопротивление гребного винта;

йв- воздушное сопротивление.

Величина 2ж(1 р + А^) значительно меньше величины (от + Ац).

Учитывая, чтб нас в процессе исследований энергетические затраты дизелей не интересуют в связи с особенностями постановки задачи, поведение судового комплекса будет описываться таким уравнением г/и *

Оя + А,,)— = (62)

м 1=1

Для дальнейших исследований примем следующие основные допущения:

- гидродинамические силы определяются мгновенными значениями скорости движения объекта и не зависят от предыстории;

- учет вязкости и волнообразования на общее сопротивление движению можно производить отдельно друг от друга;

- объект симметричен, то есть направления упоров гребных винтов Параллельны диаметральной плоскости судна и по абсолютному значению равны друг другу;

- присоединенные массы винта малы по сравнению с присоединенными массами корпуса судна;

- инерционностью дизеля можно пренебречь по сравнению с инерционностью корпуса судна.

Скорость движения, судна и нагрузка на ДЭУ зависят от характеристик фарватера

'н=-т-; (63)

" Я(5) * В{Б) v '

здесь Г- осадка судна;

В — ширина судна;

Н(Б) - глубина фарватера в функции пути; В(Б) - ширина фарватера;

/„- относительная глубина фарватера; £2К- относительная ширина фарватера.

Если перейти в уравнении (62) от пути к скорости и учесть зависимости (63), то можно получить следующее:

где коэффициент присоединенной массы на мелководье; к*!- коэффициент присоединенной массы, учитывающий влияние стеснения фарватера.

Зависимости заданные в неявном виде, могут быть

получены в явном виде только для конкретных участков водного пути. Для этого, прежде всего, необходимо знание В диссертации

приводится методика определения данных параметров на основе геометрических размеров камер шлюза, предлагаются зависимости для коэффициентов присоединенных масс, полученных на основе методов активного и пассивного экспериментов.

Управляющие воздействия в виде частоты вращения гребных винтов определялись с помощью зависимостей (21-26), изменение управляющих воздействий и фазовые портреты выходных координат приведены на рис. 1,2. Структурная схема реализации законов управления при входе судна в шлюз изображена на рис. 3. В данной главе приведена информация по экспериментальному исследованию разработанных законов управления предельными режимами, что свидетельствует об эффективности предлагаемых управлений и частности их использование на шлюзах Волго-Донского водного пути позволяет сократить время шлюзования на

В четвертой главе дается описание технических средств и их характеристик, которые непосредственно используются на транспортных объектах для управления предельными режимами энергетических установок, в разработке которых принимал участие автор настоящей диссертации. Одной из таких систем является «Система автоматизации дизеля - САД», предназначенная для аварийной защиты в процессе

Аварийная защита дизеля на режимах, близких к критическим, необходима для безусловного предотвращения перехода дизеля в область запретных оборотов, т. к. даже кратковременная работа в этой области в течение периода срабатывания защитных автоматов может привести к необратимым изменениям основных механизмов дизеля.

Правила эксплуатации быстроходных дизелей допускают не более трех выходов в запредельные режимы, причем после каждого такого

(64)

10-15%.

автоматического пуска.

события двигатель допускается к эксплуатации только после проведения контрольных испытаний с положительными результатами, а после трех событий подлежит немедленному списанию, независимо от технического состояния.

Наиболее распространенной причиной ухода быстроходного дизеля в разнос с большими ускорениями является аварийный уход в режиме автоматического пуска, когда, вследствие неизбежной инерционности регулятора скорости вращения при непредусмотренном изменении условий пуска, дизель может не успеть выйти на устойчивый режим с автоматическим регулированием числа оборотов. Подобные ситуации '

возникают, например, при резком изменении нагрузки в результате скачкообразного уменьшения крутящего момента на валу дизеля, в том числе - при случайном оголении гребного винта в процессе пуска. *

В системе САД защита дизеля от ухода в разнос в пусковом режиме обеспечивается методом управляемого порционирования количества топлива, подаваемого в форсунки дизеля в процессе его пуска и контролируемого разгона. Управление порционированием в режиме реального времени осуществляется по критерию наличия-отсутствия локального экстремума кривой разгона дизеля.

Алгоритм аварийной защиты реализуется системой контроля, функциональная схема которой показана на рис. 4.

Система содержит установленный на дизеле 1 измеритель 2 скорости вращения вала дизеля, блок 3 фиксации наличия локального экстремума скорости вращения, элемент 4 сравнения, таймер 5 контрольного реального времени, управляемый топливный вентиль 6, установленный в топливной магистрали двигателя 1," задатчик 7 дискретных параметров контроля, а именно, задатчик 7 контрольной скорости вращения поткд, времени отключения ¡отЮ1 и контрольного времени 1контр, а также кнопку 8 «Пуск».

Выхоп элемента 4 сравнения соединен с запрещающим входом управляемого топливного вентиля 6, первый вход элемента 4 подключен к выходу задатчика 7, а второй вход к первому выходу измерителя 2 4

скорости вращения. Второй выход измерителя 2 соединен с первым входом блока 3 фиксации наличия экстремума скорости вращения, второй вход которого подключен к выходу таймера 5 контрольного времени, а выход - к разрешающему входу управляемого топливного вентиля 6. Дополнительный выход задатчика 7 соединен со входом таймера 5 контрольного времени, а кнопка «Пуск» подключена к разрешающему входу вентиля 6 и таймеру 5 контрольного времени.

Аварийная защита выполняется по следующему алгоритму.

До начала работы дизеля 1 в память задатчика 7 вводятся два дискретных параметра контроля (две контрольные уставки): контрольная скорость вращения пконтр и контрольное время 1контр, характерные для данного типа дизеля.

Рис. 4. Функциональная схема системы контроля пуска дизеля

Пуск дизеля 1 производится с помощью кнопки 8 «Пуск». При нажатии кнопки 8 в момент времени на таймер 5 и разрешающий вход вентиля 6 поступает пусковой сигнал, в результате чег о таймер 5 начинает отсчет реального времени ? от момента <0, а вентиль 6 открывает подачу порции топлива б дизель 1, и дизель 1 начинает разгоняться.

Разгон дизеля 1, в зависимости от условий работы, может происходить в одном из двух режимов: в штатном режиме А или во внештатном режиме В, показанных на графиках разгона, рис. 5.

Штатный режим А отвечает случаю, когда разгон дизеля, содержащего встроенный регулятор скорости, завершается выходом на номинальную скорость вращения пном до истечения контрольного времени ¡коитр ■ При этом установившаяся скорость вращения дизеля меньше критической скорости пхр:

' < ^контр-

Нештатный режим В отвечает случаю, когда разгон двигателя не сопровождается автоматическим регулированием скорости вследствие срыва регулирования из-за инерционности встроенного регулятора скорости, несанкционированного изменения параметров регулирования и пр. Такой режим встречается достаточно редко, но является чрезвычайно опасным, т. к. приводит к быстрому достижению критической скорости и уходу дизеля в разнос с большими ускорениями: пЦ)>п- г</„,

'кру ' 'контр

до автоматического выключения критической скорости.

по критерию превышения

Рис. 5. Графики штатного (А) и нештатного (В) режимов разгона дизеля В режиме А разгон дизеля в процессе пуска на промежутке времени ('о>'контр) отвечает закону управления, аналитически заданному системой уравнений:

[n(l) = ax expty; t0<t<tx;

{«(/) = az{l-exp[-*2(r±Д/)]}; tx<i<tKOHmp,

где tx- время, соответствующее точке перегиба кривой n(t) разгона двигателя, а к2, как правило, меньше к1: к2<к1.

В режиме В разгон дизеля на промежутке времени (i0, tx) отвечает закону управления, но при t>tx происходит в неуправляемом режиме, отвечающем системе уравнений: fл(0 = ехрА:^; г0 <t<tx\ |и(0 = д3ехр^з(t±Д/); tx<t<tK0HMp, где, как правило, кл>к,.

Рис. 6 поясняет условия, при которых возникает нештатный режим

В.

На «верхних» графиках n(t) рисунка 6 пунктирными линиями показаны законы регулирования скорости вращения, а сплошными линиями - фактические кривые разгона дизеля в штатном А и нештатном режимах.

На «нижних» графиках показаны нагрузочные характеристики MKp (t) — зависимости крутящего момента на валу дизеля от времени. В

случае, когда нагрузочная характеристика остается постоянной или медленно изменяется во времени (рис. 6а), кривая n{t) разгона дизеля мало отличается от закона управления.

Рис. 6. Регулируемый пуск (6а) и срыв регулирования (66) дизеля

Максимальное отклонение Ала фактической и заданной кривых разгона в этом случае не должно превышать некоторой критической величины пкр, соответствующей срыву регулирования:

&1А<Пкр

и определяемой экспериментально при разгоне двигателя со встроенным регулятором скорости. Однако в случае, когда нагрузочная характеристика М^^) скачкообразно изменяется во времени (рис. 66) от

значения Мном до значения причем

Мтш «Миом,

гдс Миом- номинальная нагрузка дизеля, максимальное отклонение Апв может превзойти критическую величину пкр, достаточную для срыва

регулирования при &пв>Апкр

и уходу дизеля в разнос с оборотами выше критических п(() >пкр.'

В данной главе приведены тактико-технические данные и описание различных топливно - измерительных систем применяемых на летающих и плавающих транспортных объектах (8 систем) и аппаратуры для измерения вибрации энергетической установки и корпуса объекта при работе на предельных режимах.

Заключение

В процессе проведения исследований, изложенных в диссертации, получены следующие основные результаты:

1. Введено и обосновано понятие экстремальных ситуаций эксплуатации транспортных объектов и понятие предельных режимов энергетических установок.

2. Выполнен анализ транспортного потока на микро и макро уровнях, что позволило доказать возможность применения предельных режимов для преодоления экстремальных ситуаций.

3. Выведены необходимые условия для получения комплекса управляющих последовательностей, которые рассматриваются как возможные оптимальные управления, показано, что каждому начальному состоянию объекта соответствует единственная управляющая последовательность переводящая его в начало координат, на основании чего получено четыре закона управления.

4. Получено выражение минимального времени переход из произвольного начального состояния в начало координат в виде функции начального состояния и введено понятие минимальной изохроны.

5. Для исследования управлений предельными режимами при входе судна в шлюз разработан комплекс математических моделей, учитывающих геометрические размеры шлюза и судна, гидравлические явления происходящие при данном процессе, на основе активного эксперимента доказана адекватность полученных моделей, которая составила 2-5 %.

6. Используя основные теоретические материалы главы 2 разработаны законы управления предельными режимами судовой' энергетической установкой при условии, что геометрические размеры судна несоизмеримы с размерами шлюзовой камеры и при условии, что данные геометрические размеры соизмеримы между собой.

7. Приведены основные тактико-технические данные системы защиты быстроходного судового дизеля, предназначенной для контроля за параметрами при работе на предельных режимах, топливно -расходомерных систем, систем тогогавоизмерения и центровки, систем управления и измерения топлива, аппаратуры контроля вибрации, в разработке и внедрении которых принимал непосредственное участие автор данных исследований.

Основные публикации по теме диссертации

1. Степанян Н.М., Лопарев BJC. Повышение точности функции преобразования частотного датчика давления. В книге "Информационные системы на транспорте», издательство «Судостроение», с. 190-193.

2. Степанян Н.М. и др. Свидетельство на полезную модель № 13931 «Система контроля и защиты дизельной установки». Москва 10.06.2000.

3. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2152594 «Топливно-измерительная система летательного аппарата». Москва 14.07.2000.

4. Степанян Н.М. и др. Свидетельство на полезную модель № 13894 «Топливомерно-расходомерная система самолета». Москва 10.06.2000.

5. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2186345 «Бортовая топливо измерительная система с компенсацией по статической диэлектрической проницаемости топлива» Москва 27.07.2002.

6. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2191355 «Бортовая топливо измерительная система с компенсацией по статической и динамической диэлектрической проницаемости топлива» Москва 27.10.2002.

7. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2186346 «Бортовая топливо измерительная система с компенсацией по температуре и динамической диэлектрической проницаемости топлива» Москва 27.07.2002.

8. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2189926 «Бортовая топливо измерительная система с температурной компенсацией» Москва 27.09.2002.

9. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2185604 «Способ контроля уровня жидкости» 20.07.2002.

10. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2185602 «Терморезисторный сигнализатор уровня жидкости». Москва 20.07.2002.

11. Степанян Н.М. и др. Свидетельство на полезную модель № 26518 «Бортовая топливо измерительная система с идентификацией марки топлива по его диэлектрической проницаемости». Москва 10.12.2002.

12. Степанян Н. М. Управление объектами с двумя постоянными времени. В книге "Автоматизированные системы на транспорте», издательство», СПб.,«Политехника», 2003, с.290-293.

13. Степанян Н. М. Управление объектом, который представляет из себя два интегратора. В книге "Автоматизированные системы на транспорте», СПб. .«Политехника», 2003. с.294-297.

14.Степанян Н. М., Лопарев В.К. Линеаризованная модель автоматической системы задания абсолютного давления. /Сб. научных трудов «Автоматизированные системы управления на транспорте», СПб.: СПГУВК. 2003. с. 75-81.

15. Степанян Н. М., Лопарев В.К. Исследование процесса течения газа в рабочих объемах приборов измерения воздушно-скоростных параметров

полета. /Сб. научных трудов «Автоматизированные системы управления на транспорте», СПб.: СПГУВК. 2003. с. 82-84.

16. Степанян Н. М., Лопарев В.К. Выбор точностных характеристик эталонного манометра, используемого при Проверке частотного датчика давления. /Сб. научных трудов, выпуск 7 «Методы прикладной математики в транспортных системах», СПб.: СПГУВК. 2003. с. 198-200.

17. Степанян Н. М., Лопарев В.К. Улучшение расходных характеристик автоматической системы Задания абсолютного давления. /Журнал «Инструменты и технологии», № 11-12, СПб. 2003. с. 103-107.

18. Степанян Н. М., Лопарев В.К. Организацйя поверки частотного датчика давления при соотношении погрешностей поверяемого и эталонного приборов. /Сб. научных трудов, выпуск 6 «Методы прикладной математики в транспортных системах», СПб.: СПГУВК. 2002. с. 137-139.

*

СПГУВК ИИЦ Зак. № 281 Тир. 60 экз. 23.09 2003 г.

1

г

II

)

/

Р 1 5 1 4 О

I «

i

i

i i

Введение.

Глава 1. Характеристики движения транспортных средств.

1.1 Основные характеристики предельных режимов работы энергетических установок транспортных объектов.

1.2 Макро модели движения транспортных объектов.

1.3 Микро модели.

1.4 Статистические свойства транспортного потока.

В диссертации рассматриваются вопросы управления энергетическими установками транспортных объектов в экстремальных условиях. Такие условия возникают при штатной эксплуатации объектов, например, при входе судна в шлюз, при обгоне и расхождении, при движении в стесненных условиях плавания, при взлете и посадке летающих объектов, при переходе их с одного эшелона полета на другой. Они могут возникать при аварийных ситуациях, которые могут приводить к катастрофическим последствиям, например, столкновение объектов при обгоне и расхождении, навал судна на ворота шлюза, посадка на мель, аварийные посадки летающих объектов, связанные с выходом из строя систем жизнеобеспечения, энергетических установок или их частей, рулевых устройств, шасси и т.д.

При управлении в подобных условиях основное внимание уделяется безопасности движения и избежанию возникновения катастрофических явлений, связанных с гибелью людей, объектов, транспортных сооружений , промышленных предприятий, жилых домов.:

В настоящее время задачи управления в экстремальных условиях решаются на разных уровнях: !на законодательном, на основе которого создаются различные инструкций и правила эксплуатации транспортных объектов в выше названных условиях, путем обучения экипажей объектов с помощью тренажерных комплексов и других технических средств, разработка и создание транспортных сооружений, обеспечивающих безопасность движения и информированность человека - оператора о возможности возникновения экстремальных ситуаций.

С ростом численности транспортных объектов увеличивается плотность движения. Так на трассе Волго - Донского водного пути на расстоянии примерно в 100 км скапливается до 150 - 200 крупнотоннажных судов, в районе крупных аэропортов, например, Санкт - Петербурга,

1 '4 ' • " 1 количество воздушных судов, находящихся только в воздухе достигает нескольких десятков. В этой обстановке вопросы рационального использования транспортных объектов в экстремальных условиях связаны с организацией движения, с управлением режимами работы силовых энергетических установок и рулевыми комплексами, с решением задач безопасности движения, с осуществлением управления при проходе гидротехнических сооружений, взлете и посадке самолетов.

Работа объектов в экстремальных условиях связана с управлением энергетических установок на предельных режимах. Это понятие, введенное в диссертации, основано на необходимости преодоления возникающих экстремальных ситуаций. Причем предельный режим - это не обязательно использование энергетической установки на максимальных параметрах ее работы. Под предельными режимами будем в дальнейшем понимать именно такие, которые позволяют или преодолеть катастрофические ситуации, или по заданным заранее критериям решить задачи управления в экстремальной обстановке, понятие о которой было дано выше.

Любая энергетическая установка имеет ограничения по мощности, частоте вращения, температурному режиму, расходу топлива, конструктивным особенностям, количеству двигателей, устанавливаемых на объекте. Поэтому рациональное использование этих параметров в пределах имеющихся ограничений для решения поставленных задач и будем в дальнейшем называть предельными режимами.

Поставленные задачи 'управления в экстремальных условиях не могут решаться непосредственно самим человеком - оператором без использования технических средств сбора, переработки, передачи и представления информации, а также систем автоматического и автоматизированного управления, на уровне собственных систем объекта, так и несобственных (централизованных), которые располагаются вне транспортного средства. Эффективное решение поставленных задач определяется уровнем развития математического, алгоритмического и программного обеспечения, современной технической базой. Именно совершенствованию этих вопросов посвящена данная диссертация.

Современной тенденцией развития управления подвижными объектами является использование централизованных систем управления. То есть систем, которые управляют сразу некоторой группой объектов. Управляющаяся и информационная часть таких систем является общей для данной совокупности объектов. > Эти системы позволяют уменьшить субъективные факторы в управлении, которые свойственны человеку-оператору и поэтому повысить безопасность движения.

Централизованные системы обладают значительно большей разрешающей способностью, относительно меньшей стоимостью по сравнению с собственной системой объекта, предназначенной для подобных же целей. Однако данный тип систем может эффективно функционировать только при достаточном уровне развития собственных систем управления. Разрабатываемое в диссертации математическое и алгоритмическое обеспечение может быть использовано для этих двух типов систем. Математические модели, предлагаемые в данном исследовании могут использоваться для проектирования систем управления в собственных системах и для разработки программ управления движением объекта по предлагаемым комплексным критериям, которые могут быть использоваться в централизованных системах. Поэтому создание математического и алгоритмического обеспечения для подобного класса систем на основе современных математических методов и аппаратурных решений является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке математического и алгоритмического обеспечения систем автоматизированного управления предельными режимами работы энергетических установок транспортных объектов для использования в централизованных и собственных системах.

Для выполнения этой цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Ввести и обосновать понятие экстремальных ситуаций эксплуатации транспортных объектов и понятие предельных режимов энергетических установок.

2. Произвести анализ транспортного потока на микро и макро уровнях, для демонстрации применения предельных режимов эксплуатации энергетических установок.

3. Исследовать возможные ситуации, которые возникают в транспортном потоке при движении большой совокупности объектов.

4. Разработать математическое и алгоритмическое обеспечение для получения управлений предельными режимами в динамике для летающих и плавающих транспортных объектов.

5. Предложить технические средства для реализации разработанных алгоритмов управления предельными режимами.

Методы исследования. При решении данных задач использовались методы математического моделирования, основанные на теории больших систем, математическом аппарате оптимизации и в частности принцип максимума, теория автоматического и автоматизированного управления.

Научная новизна. Основными научными положениями являются:

- характеристики предельных режимов работы энергетических установок для двух типов транспортных объектов: плавающих и летающих, а также обоснование их использования при ' решении задач преодоления экстремальных ситуаций,

- методика исследования транспортного потока, основанная на микро и макро математических моделях, позволяющая получать закономерности поведения большой совокупности объектов и анализировать вероятность возникновения экстремальных ситуаций,

- формулировка комплексных критериев и ограничений при управлении экстремальными ситуациями, постановка и решение задач оптимизации на максимум быстродействия для объектов с разными динамическими свойствами: нейтральными, апериодическими при разных начальных и конечных условиях,

- алгоритмы оптимального управления энергетическими установками транспортных объектов, обеспечивающие работу транспортного объекта в экстремальных ситуациях.

Результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Способы анализа транспортного потока на микро и макро уровнях, для выявления возникновения экстремальных ситуаций,

2. Обоснование предельных режимов работы транспортных энергетических установок, как способа преодоления экстремальных ситуаций,

3. Комплексные критерии и ограничения для управления предельными режимами работы транспортных энергетических установок,

4. Формулировка и решение задач оптимизации на максимум быстродействия для объектов с разными динамическими свойствами: нейтральными, апериодическими при разных начальных и конечных условиях и ограничениях,

5. Научно обоснованные технические решения для создания аппаратного обеспечения процесса автоматизированного управления предельными режимами.

Практическая значимость исследований. Практическая значимость исследований состоит в создании алгоритмов управления предельными режимами в виде структурных и функциональных схем, а также в разработке, создании и внедрении в практику эксплуатации энергетических установок транспортных объектов целого ряда контрольно измерительных систем, систем автоматизированного управления предельными режимами, которые защищены патентами и авторскими свдетельствами.

Реализация и внедрение результатов. Основные результаты работы использовались при проектировании информационных систем, систем управления предельными режимами работы энергетических установок судов и летающих объектов в НПФ «Меридиан», ОАО «Техприбор», ОАО «Звезда», НИИ проблем автоматизации «Север - ЭВМ комплекс».

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на одной международной научной конференции по наукоемким технологиям (г. Москва), всероссийской конференции (г. Санкт - Петербург), на отраслевых семинарах в СПГУВК, ОАО «Техприбор» и НПФ «Меридиан» (г. Санкт - Петербург), на секции по наукоемким технологиям Дома ученых им. М. Горького (г. Санкт -Петербург).

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 10 статьях, 2 тезисах докладов на научных конференциях, 28 Патентах и Свидетельствах на изобретения. с

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка использованной литературы, работа содержит страниц печатного текста, рисунков.

В процессе проведения исследований, изложенных в диссертации, получены следующие основные результата:

1. Введено и обосновано понятие экстремальных ситуаций эксплуатации транспортных объектов и понятие предельных режимов энергетических установок.2. Выполнен анализ транспортного потока на микро и макро уровнях, что позволило доказать возможность применения предельных режимов для преодоления экстремальных ситуаций.3. Выведены необходимые условия для получения комплекса управляющих последовательностей, которые рассматриваются как возможные оптимальные управления, показано, что каждому начальному состоянию объекта соответствует единственная управляющая последовательность переводящая его в начало координат, на основании чего получено четыре закона управления.4. Получено выражение минимального времени переход из произвольного начального состояния в начало координат в виде функции начального состояния и введено понятие минимальной изохроны.5. Для исследования управлений предельными режимами при входе судна в шлюз разработан комплекс математических моделей, учитывающих геометрические размеры шлюза и судна, гидравлические явления происходящие при данном процессе, на основе активного эксперимента доказана адекватность полученных моделей, которая составила 2-5 %.6. Используя основные теоретические материалы главы 2 разработаны законы управления предельными режимами судовой энергетической . установкой при условии, что геометрические размеры судна несоизмеримы с размерами шлюзовой камеры и при условии, что данные геометрические размеры соизмеримы между собой.7. Приведены основные тактико-технические данные системы защиты быстроходного судового дизеля, предназначенной для контроля за параметрами при работе на предельных режимах, топливно -

расходомерных систем, систем топливоизмерения и центровки, систем управления и измерения топлива, аппаратуры контроля вибрации, в разработке и внедрении которых принимал непосредственное участие автор данных исследований.

1. Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление. - М.: Машиностроение, 1968.-765 с.

2. Автоматизация судовых энергетических установок / Р. А, Нелепин, О. П. Демченко, В. И. Агеев, В. Л. Бондаренко; Под ред. Р. А. Нелепина. - Л.: Судостроение, 1975. - 534 с.

3. Атлас единой глубоководной системы Европейской части РСФСР. Том 8, Волго-Донской водный путь, от Волгограда до Азовского моря. Минречфлот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1978.

4. Атлас единой глубоководной системы Европейской части РСФСР. Том 8, река Волга от Саратовского гидроузла до Астрахани. Минречфлот РСФСР. Главводпуть, Волжское бассейновое управление пути. ДСП. 1982.

5. Басин А. М. Ходкость и управляемость корабля. - М.: Транспорт, 1967.-255 с.

6. Басин А. М., Анфимов В. Н. Гидродинамика судна. - М.: Транспорт, 1961.-654 с.

7. Баскин А. С, Москвин Г. И. Береговые системы управления движением судов. - М.: Транспорт, 1986. - 160 с.

8. Блехман И. И. Синхронизация динамических систем. - М.: Наука, 1971.-494 с.

9. Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1972.-648 с.

10. Брук М. А., Рихтер А. А. Режимы работы судовых дизелей. - Л.: Судпромгиз, 1963. - 320 с.

11. Ваганов Г. И. О соотношении габаритов судового хода и толкаемых составов. - М.: Речной транспорт, 1962. - 22 с.

12. Васильев А. В,, Белоглазов В. И. Управляемость винтового судна, - М.: Транспорт, 1966. - 167 с.

13. Водоэнергетические расчеты методом Монте-Карло, Под ред, Резниковского А. М. - М.: Энергия, 1969. - 303 с.

14. Воронов А, А, Устойчивость, управляемость, наблюдаемость, - М,: Наука, 1979.-320 с.

15. Габасов Р, Ф., Кириллова Ф, М. Качественная теория оптимальных процессов. -М.: Наука, 1971,-508 с,

16. Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Оптимизация линейных систем. - Минск: изд-во БГУ имени В. И. Ленина, 1973. - 245 с.

17. Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Особые оптимальные управления - М.: Наука, 1973.-256 с.

18. Гиттис В. Ю., Бондаренко В. Л. Теоретические основы эксплуатации судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1965. - 376 с.

19. Гофман А. Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания. -Л. : Судостроение, 1971. - 255 с.

20. Гурман В. И. Вырожденные задачи оптимального управления. - М.: Наука, 1977.-309 с.

21. Д. Дрю. Теория транспортных потоков и управление ими. - М,: Транспорт, 1972, - 424 с,

22. Дружинин В. В., Конторов Д. Проблемы системологии. - М.: Советское радио, 1976. - 296 с.

23. Жевнин А. А., Глушко Ю. В. Синтез алгоритма управления нелинейными, нестационарными объектами на основе обратной задачи динамики. Доклады АН СССР, 1981. т. 256, № 5, с. 1057 - 1061.

24. Звонков В. В. Судовые тяговые расчеты, - М,: Речной транспорт, 1956,-320 с.

25. Земляновский Д. К. Расчет элементов маневрирования для предупреждения столкновения судов // Тр. ин-та / Новосибирский институт инженеров водного транспорта. - 1960. - 46 с.

26. Земляновский Д. К. Теоретические основы безопасности плавания судов. - М.: Транспорт, 1973. - 223 с.

27. Зигель А., Вольф Дж. Модели группового поведения в системе человек-машина. - М.: Мир, 1973 - 262 с.

28. Иносэ X., Хамара Т. Управление дорожным двил<ением. - М.: Транспорт, 1983.-248 с.

29. Климов Е. Н., Попов А., Сахаров В. В. Идентификация и диагностика судовых технических систем. -Л. : Судостроение, 1978. - 176 с.

30. Козлов И. Т. Пропускная способность транспортных систем. - М.: Транспорт, 1986. - 240 с.

31. Коренев Г. В. Цель и приспособляемость движения. - М.: Наука, 1974.-528 с.

32. Красовский Н. Н. Теория управления движением. - М.: Наука, 1968, -476 с.

33. Крутько П. Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Линейные модели. - М.: Наука, 1987. - 268 с.

34. Кулибанов Ю. М. Динамические модели в обратных задачах управления движением флота / Сб. научных трудов "Управление в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1995. с. 90-97.

35. Кулибанов Ю. М. Исследование и построение математической модели системы автоматического управления курсовыми углами речного судна при возмущенном движении // 25 научно-техническая конференция ЛИВТ: Сб. докл. - Л., 1971. - с. 256 - 265.

36. Кулибанов Ю. М. Оптимизация эксплуатационных режимов работы дизельных энергетических установок судов внутреннего плавания / Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -Л. 1990. с.

37. Кулибанов Ю, М. Основы системотехники. Учебное пособие. - Л.: ЛИВТ, 1988.-46С.

38. Кулибанов Ю, М. Судно как объект многосвязного регулирования при оптимальном управлении главными двигателями // Тр. ин-та: Экономика и организация перевозок / ЛИВТ. - 1966. часть I. - с 78 - 88.

39. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М. Ю. Групповое поведение в системах человек-машина / Сб. научных трудов "190 лет транспортного образования" СПб.: СПГУВК, 1999. с.184-188.

40. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М. Ю. Особые управления в задачах оптимизации расхода энергии при движении транспортных судов / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1998. с. 131-136.

41. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М, Ю, Особые управления в человеко- машинных системах оптимизации расхода топлива / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" выпуск II, СПб.: СПГУВК, 1998. с. 78-83.

42. Кулибанов Ю. М., Поливанов Н. В. Управление мощными энергетическими установками транспортных объектов. В книге "Информационные системы на транспорте», издательство «Судостроение», с. 165-168.

43. Кулибанов Ю. М., Поливанов Н. В., Лопарев В. К. Управления оптимальные по расходу топлива. В книге "Информационные системы на транспорте», издательство «Судостроение», с. 168-174.

44. Лопарев В. К., Марков А. В., Поливанов Н. В., Степанян Н. М. Повышение точности функции преобразования частотного датчика давления. В книге "Информационные системы на транспорте», издательство «Судостроение», с.190-193.

45. Маршрутное описание Водных путей Донского Бассейна. Минреч- флот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1975.

46. Маслов Ю. В. Ресурсосбережение в системах управления режимами работы дизельной энергетической установкой. «Прикладная математика в инженерных расчетах на транспорте». Сборник научных трудов. СПб., 2001 г., с. 26-28.

47. Маслов Ю. В. Управление дизельной энергетической установкой и рулевым устройством при расхождении судов. «Прикладная математика в инженерных расчетах на транспорте». Сборник научных трудов. СПб., 2001 г., с. 19-25.

48. Маслов Ю. В., Фурмаков Е, Ф,, Гусев В, С, Аварийная защита быстроходного судового двигателя, «Авиационно-космическая техника и технология». Сборник научных трудов. Вып. 23, Харьков, 2001 г., с. 158-162.

49. Маслов Ю. В., Фурмаков Е. Ф., Гусев В. Некоторые особенности адаптации системы автоматизации быстроходных дизелей. «Авиационно-космическая техника и технология». Сборник научных трудов. Вып. 26, Харьков, 2001 г., с. 252-255.

50. Маслов Ю. В., Фурмаков Е. Ф., Гусев В. Система автоматизации аварийной защиты быстроходных судовых двигателей. «Прикладная математика в инженерных и экономических, расчетах». Сборник научных трудов. СПб, 2001 г., с. 67-73.

51. Мейстер Д. Эргономические основы разработки сложных систем. - М.: Мир, 1979.-456 с.

52. Месарович М., Махо Д., Тахахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. - М.: Мир, 1973. - 344 с.

53. Михайлов А. В. Внутренние водные пути. - М.: Стройиздат, 1973. - 328 с.

54. Моисеев И. Н. Численные методы в теории оптимальных систем. - М.: Наука, 1971.-424 с.

55. Морозов В. П., Дымарский Я. Элементы теории управления ГАП. -Л.: Машиностроение, 1984.-333 с.

56. Небеснов В. И. Вопросы совместной работы двигателей, винтов и корпуса судна. -Л. : Судостроение, 1965. - 247 с,

57. Небеснов В. И. Динамика содовых комплексов. - Л.: Судостроение, 1967.-294 с.

58. Небеснов В. И. Оптимальные режимы работы судовых комплексов. - М.: Транспорт, 1974. - 200 с.

59. Николаев В. И., Брук В. М. Системотехника: методы и приложения. - Л.: Машиностроение, 1985. - 200 с,

60. Ольшамовский Б., Земляновский Д. К., Щепетов И. А. Организация безопасности плавания судов. - М.: Транспорт, 1972. - 215 с.

61. Павленко В. Г. Элементы теории судовождения на внутренних водных путях. Часть 1,2.- М.: Транспорт, 1962. - 300 с.

62. Пашков И. Н., Долгачев Ф. М. Гидравлика. Основы гидрологии. - М.: Энергия, 1977.-407 с.

63. Петров Ю. П. Оптимальное управление движением транспортных средств. -Л. : Энергия, 1969. - 96 с.

64. Петров Ю. П. Оптимальные регуляторы судовых силовых установок .(теоретические основы). -Л . : Судостроение, 1974. - 117 с.

65. Петров Ю. П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

66. Понтрягин Л. С , Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Л. В., Мищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов. - М.: Наука, 1969. - 384 с.

67. Пушкин В. Г. Кибернетические принципы самоорганизации. - Л.: ЛГПИ, 1974.-350С.

68. Растригин Л. А., Пономарев Ю. П. Экстраполяционные методы проектирования и управления. - М.: Машиностроение, 1986. - 116 с.

69. Рыжов Л. М. Управляемость толкаемых составов. - М.: Транспорт, 1969.-128 с.

70. Рыжов Л. М., Соларев Н. Ф. Маневренность речных судов. - М.: Транспорт, 1967. - 144 с.

71. Соларев Н. Ф. Безопасность маневрирования речных судов и составов.-М.: Транспорт, 1980. -215 с.

72. Соларев Н. Ф., Сорокин Н. А. Инерционные характеристики и безопасность расхождения судов и составов. - М.: Транспорт, 1972. - 136 с.

73. Стечкин Б., Субботин Ю. Н. Сплайны в вычислительной математике. - М.: Наука, 1976. - 248 с.

74. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2182698 «Топливно- расходомерная система самолета». Москва 20.05.2002.

75. Степанян Н.М. и др. Свидетельство на полезную модель № 13931 «Система контроля и защиты дизельной установки». Москва 10.06.2000.

76. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2152594 «Топливно- измерительная система летательного аппарата». Москва 14.07.2000.

77. Степанян Н.М. и др. Свидетельство на полезную модель № 13894 «Топливомерно-расходомерная система самолета». Москва 10.06.2000.

78. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2186345 «Бортовая .топливо измерительная система с компенсацией по статической диэлектрической проницаемости топлива» Москва 27.07.2002.

79. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2191355 «Бортовая топливо измерительная система с компенсацией по статической и динамической диэлектрической проницаемости топлива» Москва 27.10.2002.

80. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2186346 «Бортовая топливо измерительная система с компенсацией по температуре и динамической диэлектрической проницаемости топлива» Москва 27.07.2002.

81. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2189926 «Бортовая топливо измерительная система с температурной компенсацией» Москва 27.09.2002.

82. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2185604 «Способ контроля уровня жидкости» 20.07.2002.

83. Степанян Н.М. и др. Патент на изобретение № 2185602 «Терморези- сторный сигнализатор уровня жидкости». Москва 20.07.2002.

84. Степанян Н.М. и др. Свидетельство на полезную модель № 26518 «Бортовая топливо измерительная система с идентификацией марки топлива по его диэлектрической проницаемости». Москва 10.12.2002.

85. Тарасов М. А., Ляхов К. Организация движения флота. - М.: Транспорт, 1985. -288 с.

86. Фурмаков Е. Ф., Коломнин В. В., Петров О. Ф., Степанян И. М., Маслов Ю. В. Заявление о выдаче патента РФ на изобретение. «Способ определения запаса топлива на борту маневренного самолета» 13.08.2001 г.

87. Фурмаков Е. Ф., Коломнин В. В., Петров О. Ф., Степанян Н. М., Маслов Ю. В. Решение о выдаче свидетельства на полезную модель (заявка .№2001118785/20(020208) 09.07.2001 г. «Топливоизмерительная система»

88. Фурмаков Е. Ф., Маслов Ю. В., Гусев В. С , Поливанов Н. В. Перспективы систем диагностики авиадвигателей. В книге "Информационные системы на транспорте», издательство «Судостроение», с.297-298.

89. Хатем А., Кулибанов М. Ю. Окружающая среда как объект автоматизированного управления / Сб. научных трудов "Информационная поддержка систем контроля и управления на транспорте" СПб.: СПГУВК, 1998. с. 60-67.

90. Цибулевский И. Е. Человек как звено следящей системы. - М.: Наука, 1981.-288 с.

91. Шалютин М. Искусственный интеллект. - М.: Мысль, 1985. - 200 с.

92. Шанчуров П. Н., Соларев Н. Ф., Щепетов И. А. Управление судами и составами. - М.: Транспорт, 1971. - 352 с.

93. Шеридан Т. В., Феррел У. Р. Системы человек-машина. - М.: Машиностроение, 1980. - 400 с.

94. Юфа А. Л. Автоматизация процессов управления маневрирующими надводными объектами. - Л.: Судостроение, 1987. - 288 с.