автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование процессов управления в тренажерном комплексе подготовки операторов буровых судов

МОРДОВСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н П ОГАРЕВА

* На правах рукописи

V

МАСЛЯЕВ СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ В ТРЕНАЖЕРНОМ КОМПЛЕКСЕ ПОДГОТОВКИ ОПЕРАТОРОВ БУРОВЫХ СУДОВ

Специальность 05.13.16 — применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саранск 1997

Работа выполнена в Мордовском ордена Дружбы народов государственном университете имени Н.П.Огарева

Научный руководитель: кандидат технических наук В.А. Нечаев

Официальные оппоненты: доктор технических наук Ю.А. Лукомский

кандидат физико-математических наук П.Г. Черников

Ведущая организация: АО "Нефтегазтехнология", г.Мурманск

Защита диссертации состоится 24 декабря 1997 года в часов на

заседании диссертационного Совета К 063.72.04 Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева по адресу: 430000, г.Саранск, ул. Большевистская 68а, Мордовский государственный университет. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мордовского государственного университета.

Автореферат разослан «¿2/ » ноября 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета К 063.72.04

Мордовского государственного

университета им. Н.П. Огарева

кандидат физико-математических ✓

наук С.М. Мурюмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время темпы развития технического прогресса всех отраслей промышленности в значительной степени определяются существующими запасами и приростом энергетических и минеральных ресурсов. Решающую роль в современной энергетике (более 70%) мирового потребления играет добыча нефти и газа.

Добыча нефти и газа, разведка новых нефтяных и газовых месторождений стали актуальной проблемой современности. Богатейшим источником нефти, газа и других сырьевых ресурсов является Мировой океан. Вопросам создания технических средств для изучения и освоения Мирового океана во всем мире продолжает уделяться большое внимание, особенно разработке его сырьевых и минеральных ресурсов, в первую очередь - добыче нефти из морских месторождений. По прогнозам специалистов, к концу 90-х г.г. нашего столетия ежегодный объем добычи нефти в море составит существенно более 100 млн.т., а ее доля в общем производстве увеличится до 40%-50%.

Освоение морских месторождений нефти и газа, как правило, связано со значительно большими затратами, чем на суше. Однако, несмотря на значительный и все более возрастающий уровень капитальных затрат и эксплуатационных расходов при морской добыче нефти и газа (соизмеримых с расходами на освоение космоса), на начало следующего столетия около половины всего объема нефти и газа будет, по прогнозам специалистов, добываться со дна Мирового океана.

В соответствии с программами развития нефтегазового комплекса в России последовательно проводится курс широкого развертывания комплексных исследований Мирового океана и континентального шельфа, поставлена задача создания качественного, высокопроизводительного оборудования морских исследований.

Одним из наиболее эффективных технических средств для проведения обширного комплекса исследований, включая разведочное бурение на глубинах до 5000 м, являются буровые суда (БС). Широкий диапазон использования БС в открытых акваториях морей и океанов требует его продолжительной стабилизации в заданном местоположении над устьем бу-

рения. Наиболее перспективным вариантом решения задачи стабилизации БС является построение автоматизированных систем динамической стабилизации (СДС) на основе использования современных средств компьютерной техники.

При проведении операций морского бурения на больших (более 1000 м) глубинах остро встает вопрос обеспечения безопасности бурового комплекса. Это связано с большой протяженностью буровой колонны, сложностью прогнозирования будущего положения бурового комплекса, что может привести к аварийной ситуации. Автоматизация процесса управления положением БС позволяет исключить субъективные ошибки оператора при управлении, уменьшить вероятность аварии за счет прогнозирования будущего положения бурового комплекса на модели процесса.

Остро стоит также вопрос подготовки и переподготовки высококва-лифицированнных кадров для проведения морского бурения. Для решения указанной проблемы необходимо использовать тренажеры и тренажеры-советчики оператора, являющиеся неотъемлемой составной частью автоматизированной СДС БС.

Построение тренажерных комплексов для подготовки операторов БС сопряжено с трудностями, вызванными нелинейностью и многосвяз-ностью математических моделей БС и бурового оборудования, наличием неконтролируемых внешних возмущений. Указанные трудности осложняются также тем, что управление осуществляется в условиях нестационарности характеристик БС, существенных ограничений на переменные состояния и управления.

Известные отечественные и зарубежные БС оснащены системами динамической стабилизации, построенными на основе фирменных вычислительных комплексов. За рубежом также существуют специализированные тренажеры для подготовки операторов буровых установок. Однако сведения об аппаратной и программной реализации СДС и тренажеров носят в основном ознакомительный, рекламный характер и являются секретом фирм-изготовителей.

Учитывая значительную трудоемкость технологии морского бурения, высокую стоимость бурового оборудования, сложные взаимосвязи динамических процессов управляемой системы и внешних воздействий, можно сделать вывод, что создание высококачественных и надежных

средств контроля и обучения операторов морского бурения является актуальной и сложной технической задачей. ,

Цель работы: Целью диссертационной работы является разработка принципов построения, алгоритмов функционирования и технических средств тренажеров для подготовки операторов БС. В соответствии с этим в работе решаются следующие задачи:

- разработка математического описания процесса движения бурового комплекса, рационального с точки зрения реализации модели процесса на тренажере;

, - разработка алгоритмов управления моделью процесса;

- разработка структуры и алгоритмов функционирования тренажера оператора БС; определение состава и параметров средств вычислительной техники для реализации тренажера;

- исследование разработанных алгоритмов методами математического моделирования с применением компьютерной техники.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались элементы математического анализа и матричной алгебры, методы и аппарат теории динамического программирования, нечетких множеств и аналитического конструирования регуляторов, а также численные и другие методы математических вычислений.

Новые научные результаты. В процессе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

- математическое описание процесса движения бурового комплекса, рациональное с точки зрения анализа и синтеза системы управления БС, включающее математические модели БС;

- алгоритм управления положением БС в процессе динамической стабилизации над устьем бурения с учетом нестационарности характеристик, ограничений на переменные состояния и управления в условиях неконтролируемых внешних возмущений при неполной навигационной информации;

- структура тренажера и тренажера-советчика оператору БС, позволяющие контролировать действия оператора при проведении буровых работ, в экстремальных ситуациях, осуществлять отработку навыков управления;

- алгоритм построения областей допустимых значений переменных состояния БС, позволяющий ускорить процедуру поиска оптимальных управлений.

Практическая ценность. Показана возможность и пути построения бортовых и береговых тренажеров операторов операторов БС. Разработан комплекс программ на для реализации модели процесса -в составе тренажерного комплекса:

- полученная модель процесса движения бурового комплекса может быть использована для прогнозирования будущих положений БС и буровой колонны в целях проверки безопасности выполняемых маневров, а также для моделирования на компьютере при исследовании динамических и статических характеристик управляемой системы;

- предложенная структура и алгоритмы функционирования тренажера могут быть взяты за основу при проектировании бортовых и береговых тренажерных комплексов оператора буровых судов;

- разработан комплекс программ для математического моделирования процесса управления буровым комплексом и имитации процессов движения управляемой системы.

Реализация в промышленности. Исследования, выполненные в диссертационной работе, являются составной частью госбюджетной научно-исследовательской работы, выполняемой на кафедре промышленной электроники Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева в соответствии с договором о научно-техническом сотрудничестве с ВНИПИ Морнефтегаз, а также включены в проект № 19 "Центр тренажеростроения России для подготовки специалистов динамического и якорного позиционирования плавучих объектов разведки и добычи нефти и газа в континентальном шельфе Российской Федерации" "Федеральной Программы экономического и социального развития Республики Мордовия на 1996-2000 г г.".

Полученные в работе результаты использованы при проектировании технических средств подготовки операторов буровых судов на предприятиях нефтегазового комплекса России.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно- технических конференциях (Огаревские чтения) профессорско-преподавательского состава Мордов-

ского государственного университета им. М.П.Огарева в 1984-1996 гг.; на семинаре профессора Е.В.Воскресенского по прикладной математике (Саранск, 1977г.); V Всесоюзной научно-технической конференции «Технические средства изучения и освоения Мирового океана» (Океанотехника-85), Ленинград, сентябрь 1985 г.; V координационном совещании. Геленджик, октябрь 1985 г.; научно-технической конференции молодых ученых, Дагестан, 1987 г.; VI Всесоюзном совещании «Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана», Одесса, октябрь 1987 г.; включены в качестве отдельных глав в отчеты по НИР, выполненных на кафедре промышленной электроники Мордовского государственного университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 2 депонированы в ведомственных научно-технических сборниках.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 22 страницы с рисунками и 8 таблиц, список литературы включает 115 наименований.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы управления динамическим позиционированием БС, выбору и обоснованию подхода к решению задачи проблемы управления положением БС. Разработаны требования к методам и средствам управления движением БС в режиме динамической стабилизации над точкой бурения.

Анализ современных методов и средств разведки добычи нефти и газа со дна морей и океанов с помощью буровых судов позволил выделить ряд проблем, которые необходимо решить для реализации модели процесса управления БС. Трудности построения системы управления БС определяются нелинейным и многосвязным характером математической модели БС, многорежимностью его функционирования, а также необходимостью учета сложных нелинейных и нестационарных воздействий окружающей обстановки при ограниченной мощности подруливающих устройств.

Многорежимность включает в себя следующие основные виды работ БС: длительный переход в район бурения; маневрирование при выхо-

де на точку бурения; динамическая стабилизация в точке бурения; режим повторного выхода на скважину с вводом бурового оборудования. Динамическая стабилизация также является совокупностью локальных режимов управления: автоматический, полуавтоматический, ручной дистанционный.

В итоге должна быть решена задача сведения к минимуму с заданным критерием ошибки моделирования положения судна при учете ограниченности величин упоров, развиваемых подруливающими устройствами. При этом выбор оптимального курсового положения БС является одной из главных задач при бурении, так как при этом значительно уменьшаются ветро-волновые воздействия на корпус БС, что в свою очередь улучшает условия его работы и увеличивает продолжительность режима бурения.

Возможность моделирования удержания БС с помощью системы динамической стабилизации определяется: гидродинамическими и аэродинамическими характеристиками БС; установочной мощностью подруливающих устройств; орбитальным движением, вызванным волновым возмущением; точностью и достоверностью оценивания координат БС.

Модель системы динамической стабилизации должна быть астатической по отношению к постоянно действующим возмущениям, а также быть комбинированной с компенсацией возмущений ветра и течения. Модель не должна реагировать на колебания судна, вызванные волнением. Стабилизация модели положения БС в горизонтальной плоскости по координатам положения и курса должна осуществляться с минимумом затрат энергии на позиционирование.

Чтобы построить модель системы динамической стабилизации БС, удовлетворяющей указанным требованиям, необходимо построить и проанализировать математические модели движения БС и внешних возмущений, характеристики которых должны быть в достаточной мере адекватны реальным физическим процессам.

Необходимость решения поставленных в первой главе задач определило структуру диссертационной работы, включающей построение математического описания процесса движения бурового судна в режиме динамического позиционирования, построение модели системы управления БС, разработку алгоритмов реализации этих моделей в тренажерном ком-

плексе, исследования взаимосвязанного функционирования этих моделей в реальном масштабе времени.

Во второй главе рассматривается задача построения математического описания процесса удержания БС над точкой бурения в режиме динамической стабилизации, основой которого являются математическая модель БС и бурового оборудования, уравнения динамики движения БС, математическая модель внешних ветро-волновых возмущений.

Анализ существующих в настоящее время моделей движения судов морского и речного флота показал, что несмотря на значительное их количество они напрямую не могут быть применены в разрабатываемом тренажерном комплексе по целому ряду причин, одними из которых являются :

- достаточно точные и сложные универсальные модели движения судов требуют слишком больших программно-аппаратных затрат для их решения в реальном масштабе времени;

- более упрощенные модели предназначены для описания частных случаев движения судов и не могут дать достоверности результатов применительно к буровым судам;

- учет специфических особенностей характера движения бурового судна существенно затрагивает структуру системы уравнений, описывающих позедение судна в режиме динамического позиционирования.

При разработке математической модели движения БС использованы классические положения теории статики и динамики судна, при ряде принятых допущениях. Пространственное положение БС как свободного твердого тела, имеющего 6 степеней свободы, в любой момент времени определяется мгновенным положением центра масс, угловой ориентацией в пространстве и значением мгновенных скоростей движения.

Связи между этими кинематическими параметрами, управляющими воздействиями и возмущениями устанавливаются дифференциальными уравнениями динамики, составляющими математическую модель движения БС. С учетом специфики положения БС в пространстве.относительно точки бурения уравнения описаны в связанной системе координат (рис.1).

Получена математическая модель, которая содержит:

- динамические уравнения, описывающие движение центра масс судна;

- динамические уравнения, описывающие движение судна относительно полюса;

- кинематические уравнения связи угловых и линейных скоростей с угловыми и пространственными координатами;

- кинематические связи активных средств управления судном. Уравнения модели движения БС имеют вид:

с/К,

рУ1 аА2

-(т+Ап)——(т+Л1]Ухаг+(122-Л11у.га2<х)$(<р+аТ)+ а

рУг А/а

2 4

аак рУг , ,

(1)

р.У?

^гт-^ЪуИ + М^М^М^М^ =0,

{.)х +Ли)в+/Зцв+1Л1в-МхЬ =0;

Уу+Ля№+/355Ч'+1Яг-Му1)=0; р

(- + ¿зз )'£+ас-Уу^цг = О, £

где /^д,/7^,, - силы и момент, вызванные волнением; ,Рук, Мгк-

силы и момент, обусловленные влиянием буровой колонны; Рху,Р</у,Мгу- силы и момент, создаваемые работой активных средств

управления; т - масса судна; /I,,, А^,Хы< - присоединенные массы и момент инерции судна; 1'х, - проекции скорости движения судна на продольную и боковую оси; (Ог - угловая скорость вращения судна; <р - угол относительно заданного курса; Уг- скорость течения; аТ- угол течения относительно заданного курса; 5 - характерная площадь корпуса; £ - дли-

на корпуса, Схп,Сш,Ст„ - безразмерные гидродинамические коэффициенты сил и моментов, рассчитываются путем представления в виде аппроксимаций и задаются в виде графиков; У£ - скорость обтекания корпуса; Сха, Ст, Спш - аэродинамические коэффициенты продольной и боковой сил и момента, принимаемые постоянными; Зх,Бу - площади проекций корпуса судна на ось д: и у, Уь- скорость ветра; О - весовое водоизмещение судна; JX,JV- моменты инерции; присоединенные массы; А - метацентрическая высота; /?0,/?44,/?55 - коэффициенты, определяющие демпфирующие свойства БС; ^ - площадь главной ватерлинии судна; у ь- удельный вес воды; У33 - суммарный присоединенный коэффициент сопротивления.

2

! к-иоднижпая снсчсма коордмиат

Рис.1

Для построения математической модели движения всего бурового комплекса модель бурового судна дополнена выражениями, учитывающими влияние бурового оборудования, математическими моделями внешних ветро-волновых возмущений, моделью ледовых нагрузок и моделями средств активного управления.

Выражения, учитывающие влияние бурового оборудования сведены к вычислению квазистатических результирующих возмущающих сил и моментов, вызывающих смещение БС в продольном и поперечном направлениях и вращение его вокруг вертикальной оси.

Динамика ветро-волновых воздействий представляется в виде

X !-ъ = + ^н ■ пл

- вектор состояния; Fh - вектор воздействий сил вертикальной качки; £)(,(| - дисперсия волновых воздействий; - вектор скоростей движения волн и ветра; - матрицы коэффициентов, определяемых видом

энергетических спектров, редукционных коэффициентов и зависят от реализации принятого спектра ветро-волновых воздействий.

В качестве первого приближения к реальному морскому волнению рассматривается двумерное нерегулярное волнение, представляющее собой совокупность волн со случайной высотой и длиной, имеющих стандартный спектр. Кроме этого учтено воздействие длиннопериодного волнения, которое может привести к значительным смещениям БС относительно точки бурения.

Модель ледовых возмущений рассчитывает ледовую нагрузку на БС следующим образом:

~ & п У и,.

т

Ь = РАКу,ка),

(3)

где р - характеристика режима плавания; К v - инерционная харакгери-стика судна; Ка - характеристика формы корпуса.

Значения функций р, f задаются для отработки маневров БС в различных погодных условиях, районах плавания и учитывают время года и ряд других условий.

Математические модели средств активного управления БС (движителыю-рулевой комплекс, подруливающие устройства) рассчитывают суммарную тягу гребных винтов в виде суммы

f=P+Pu„+Q, (4)

где Р - сила упора; Рт - силы инерции; Q - максимальное усилие; и позволяют сформировать необходимые результирующие силы и момент вращения для противодействия вынужденному движению БС (уводу с точки бурения).

Рассматривается задача минимизации действия на БС внешних возмущений в виде ветра и течения с целью снижения до минимума действия этих возмущений. Эта задача оптимальной ориентации БС решается с помощью критерия

= min (5)

Ы1 <р

где /)1 - упоры, необходимые для компенсации внешних возмущений; п -число управляемых координат; (р- курсовое положение БС. На основании принятых допущений в результате оптимизации рассчитываются упоры исполнительных (подруливающих) устройств, необходимые для компенсации заданных при моделировании внешних возмущений. При изменении направления действия возмущений будет соответственно изменяться и ориентация БС. Полученные значения использованы для реализации контура замкнутой обратной связи СДС по возмущению.

При заданном диапазоне изменения интенсивности внешних возмущений определяется потребная суммарная установочная мощность подруливающих устройств БС, которая рассчитывается по упорам, полученным из работы модели ориентации. При пересчете упоров в установочную мощность предполагается, что для управления каждой фазовой координатой при максимальных дестабилизирующих возмущениях, еле-

дует воздействовать на БС с помощью кратного числа К, однотипных исполнительных устройств.

где Р01 - упор, создаваемый одним устройством. Для всех управляемых фазовых координат число исполнительных устройств равно сумме всех К. В результате объединения упоров можно рассчитать общую установочную мощность

<2ъ = 1Л,/>,, (7)

1=1

где И - общее число подруливающих устройств СДС БС; о, - номинальная частота вращения винта движителя; /ы функциональная зависимость момента вращения вала привода винта от конструктивных параметров движителя.

На основании указанных расчетов решается задача распределения мощности по подруливающим устройствам.

Полученные во второй главе выражения при принятых допущениях позволяют реализовать математическую модель, наиболее полно и достоверно описывающую процесс движения БС в режиме динамического позиционирования над точкой бурения.

Третья глава посвящена построению модели замкнутой системы динамической стабилизации бурового судна. Рассматриваются особенности решения задачи анализа и синтеза системы динамической стабилизации бурового судна (СДС БС), которые определяются целым рядом причин, основными из которых являются сложность математической модели процесса, необходимость учета возмущающих воздействий в виде морского волнения, течения и ветра, существенные ограничения мощности подруливающих устройств.

Еще одной особенностью задачи построения модели СДС БС являются учет шумов, влияющих на акустическую систему определения координат БС. Наиболее интенсивные помехи вносят шумы движителей подруливающих устройств, качка БС на волнении, а также изменение акустических свойств водной среды при выбросе минеральных пород в процессе бурения.

Полученные во второй главе аналитические выражения, описывающие модель процесса позволяют реализовать в тренажерном комплексе физическое представление имитации движения БС под воздействием внешних возмущений и формируемых управлений.

При построении замкнутой системы необходимо сформировать структуру и разработать алгоритмы ее функционирования. Для решения этой задачи наиболее удобным является аппарат аналитического конструирования регуляторов, но он применим для моделей объектов, описываемых системой линейных дифференциальных уравнений. Чтобы использовать данный подход необходимо преобразовать уравнения (1) и линеаризовать их в области малых отклонений движения БС. Показывается обоснованность такого подхода и осуществлено преобразование модели процесса к виду:

т=А(от+тпо+пдах' д/) = жог(о+м(/мо>| ,

где Х- «-мерный вектор фазовых переменных; V- т-мерный вектор управления; - /5-мерный векторвозмущающих воздействий; V - наблюдаемая переменная; Уг- вектор шумов измерения; С(1) - матрица параметров измерительного устройства; 7. - вектор фазовых переменных возмущающих воздействий; А,В - матрицы параметров модели БС и исполнительных устройств, полученные с помощью идентификации; М, Н, Е, Г - матрицы параметров модели возмущающих воздействий ; \У(Ь) - белый шум возмущения.

При таком подходе модель (1) в тренажере представляет собственно объект управления, а модель (8) используется для синтеза СДС БС. Разработан алгоритм идентификации модели (8) и настройки ее коэффициентов.

Учитывая все вышеперечисленные условия, необходимо найти алгоритмы построения регулятора СДС БС, обеспечивающего заданную

точность с минимумом затрат энергии на позиционирование. Не менее важным, чем получение простых алгоритмов расчета параметров регулятора по показателям качества, является вывод аналитических соотношений, связывающих значения этих показателей с параметрами системы. Такие соотношения дают возможность использовать параметрический подход при учете разнообразных технических ограничений, а также применять беспоисковые алгоритмы, базирующиеся на анализе необходимых условий эктремума, записанных в явном виде для оптимизации параметров, а также для их адаптации.

Указанная задача решается в предположении, что из-за влияния внешних возмущений в системе имеет место стационарный случайный процесс и фазовые координаты представляют собой случайные стационарные функции времени, удовлетворяющие условию эргодичности. Не-■ обходимо получить такое управление, которое обеспечивало бы минимум дисперсий стабилизируемых координат. Чтобы решение задачи было корректным, необходимо учесть ограничение на управления.

В качестве критерия качества выбран дисперсионный критерий, который удовлетворяет особенностям поставленной задачи построения регулятора, так как невозможно достичь одновременно абсолютного минимума функционала по всем фазовым координатам с учетом их взаимосвязи,

где г,, /у- матрицы весовых множителей; 1)х , - матрицы дисперсий, которые можно представить в виде:

Критерий качества управления/определяет взаимосвязь стабилизируемых фазовых координат Л', БС как объекта управления и управляющих воздействий У и является частным случаем критерия среднего риска. В векторной форме он записывается в виде:

п

т

J=Tr¡Dx+Tr1DVr /=/ ' /=/ 1

(10)

(П)

3 = Е\[ХТЯХХ + V'' (12)

о

где У?,.,/^,- положительно определенные симметрические матрицы весовых коэффициентов.

Ограничения на изменение фазовых координат и управлений учитываются в виде:

V

(13)

где Ут и Xт- множества максимально возможных значений управляющих воздействий и фазовых координат.

Таким образом, сформулировано требование к построению замкнутой системы СДС БС, обеспечивающей такое управление У()(Х,У которое удовлетворяет ограничениям (13) и минимизирует критерий качества (9).

С учетом допущений о стационарности характера возмущений в работе показана целесообразность использования детерминированного подхода, рассматривается доказательство эквивалентности стохастического и детерминированного подходов к решению данной задачи.

Рассматривается синтез структуры замкнутой системы СДС БС на основе корреляционного подхода, при котором необходимо решить две задачи:

- построить устройство наилучших оценок координат;

- построить регулятор, на основании оценок наблюдаемых фазовых координат по заданному критерию, обеспечивая заданные ограничения.

Показано, что управление СДС БС целесообразно построить комбинированным - по возмущению и по отклонению.

В итоге структура СДС БС может быть представлена в виде нескольких функциональных блоков. Основной контур замкнутой СДС включает математическую модель БС, наблюдателя и регулятора, которые определяют заданные динамические свойства системы управления. Па основе полученных результирующих управляющих воздействий формируется распределение физических упоров по подруливающим устройствам БС.

Построенная таким образом структура основного контура управления СДС БС является результатом решения задач, поставленных во вто-

рой и третьей главах и ориентирована на максимальное использование компьютера как для моделирования процесса движения БС, так и для реализации алгоритмов управления.

Вследствие нестационарности параметров внешних возмущений на всем интервале времени функционирования модели СДС БС, система управления возможен выход за пределы оптимальных режимов работы. Для поддержания параметров регулятора в области оптимальных значений в системе предусмотрена их беспоисковая подстройка.

В четвертой главе рассмотрены решения уравнений математических мо елей движения и управления БС. Решение системы дифференциальных уравнений (8), описывающих вынужденное движение БС, производится на основе использования численного метода Интегрирования - метода Рунге-Кутга. Приводится обоснование и особенности применения данного метода для решения поставленной- задачи, рассматривается его сходимость для решения уравнений подобного класса.

Решение задачи построения замкнутой СДС БС потребовало в первую очередь идентификации параметров линейной математической модели движения БС (8), которая адекватно определяет функциональные связи входов и выходов многомерной системы по переходным характеристикам.

Выбор структуры линейной модели БС проводится на модели вида: сЬс

Л

(14)

где

Л'(0 =

40 Л(0_

- вектор переменных состояния,

IV) =

УМ К(П

- вектор управлении,

2 2

7 7

,п\ ■•• пт

- матрица коэффициентов,

ёи ••■ ёи,

■ матрица коэффициентов.

_ёп 1 ёпт,

За начальное приближение выбирается вектор параметров, соответствующий опорной точке

(15)

из области ограничений параметров которая представляет многогранник

Ьк еВ,Ск еС,к = 1,...,т;2а еВпС (16)

Степень совпадения реакций идентифицируемой динамической модели и процесса оценивается по квадратичному функционалу

=¿[/у - )]г * /^/усг^ ,7; >- а?)

где Уу{2к) - переходная характеристика БС; Н - матрица весовых коэффициентов; ) - переходная характеристика интерполяционной модели

Гг{2и,(к) = 2иД2„(к)х01 ± У/(2^к),1Ф] (18)

где ) - общее решение идентифицируемой системы;

Х01 - начальные условия. Показана сходимость данного алгоритма идентификации, которая оценивалась по заданным погрешностям £],£]П

Приведены таблицы результатов идентификации параметров линейной математической модели БС.

В третьей главе показано, что управляемой системе БС с помощью обратной связи можно придать заданные динамические свойства. Однако эти возможности обратной связи ограничены условиями неполной измеряемое™ вектора состояний БС. С учетом этого предложено построение наблюдателя, выходные переменные которого с заданной точностью приближаются к переменным состояния БС.

Процесс синтеза оптимальной замкнутой СДС БС проводятся в три этапа. Первый этап - нахождение начального приближения уравнения Риккати, обеспечивающее устойчивость решения. На втором этапе определяется установившееся решение уравнения Риккати при максимально

возможном увеличении точности. На третьем этапе формируется матрица коэффициентов обратной связи. После того, как определены коэффициенты обратной связи, решение уравнения Риккати повторяется с целью получения матрицы коэффициентов регулятора.

На завершающей стадии синтеза СДС БС определяются численные значения коэффициентов наблюдателя. Как показано в работе, полученная структура наблюдателя линейной СДС БС при наличии помех и шумов в точности совпадает со структурой системы управления БС, замкнутой обратной связью.

Представлены соотношения для реализации наблюдателя с подстройкой его параметров призаданных шумах измерений.

Исследование функционирования замкнутой СДС БС проводилось на основе построения переходных процессов, которые дают достаточно полную характеристику качественным показателям замкнутой системы управления БС. Как показали результаты моделирования, ошибка стабилизации БС отвечает заданным ограничениям и СДС с достаточной степенью точности компенсирует генерируемые возмущения. Возмущающие воздействия задавались в виде постоянно действующих ветра, течения и морского волнения. Приведены графики изменения фазовых координат БС.

Проводятся результаты исследования алгоритма оптимальной ориентации БС по курсу, при которой осуществляется поиск минимума функционала (5). В качестве примера приведены результаты моделирования при заданной интенсивности внешних возмущений. Как показали результаты, наибольшее изменение запросов мощности вызывает изменение направления ветра. Оценено наибольшее воздействие течения при заданном направлении.

Показана целесообразность и эффективность алгоритма оптимальной ориентации, которая обеспечивает уменьшение требуемой мощности на позиционирование в среднем более чем на 30%.

Рассмотрены вопросы по адаптации параметров СДС БС. Характер изменения координат БС в режиме динамической стабилизации определяется возмущениями, зависящими от погодных условий, окружающей обстановки изменяющимися с течением времени и характером работы БС. Для обеспечения заданных показателей качества управления БС требуют-

ся периодические уточнения изменяющихся параметров как внешних возмущений, так и физических параметров самого объекта.

Изменение физических параметров объекта генерируется специальной программой обучающей системы тренажера. Корректировка параметров модели внешних возмущений возможно по известным структурным связям их с объектом управления. Для СДС БС требуемая связь определена в оптимальном регуляторе, построенном с учетом оценки неизмеряе-мых внешних воздействий. С целью обеспечения работоспособности регулятора необходимо-производить подстройку тех параметров наблюдателя, которые определяют характер внешних воздействий.

Приводятся расчетные соотношения для беспоисковой подстройки коэффициентов регулятора.

С целью текущего контроля точности и безопасности работы СДС и маневрирования БС рассчитывается значение безопасного радиуса маневрирования. Показана достаточность оценивания точности позиционирования по среднему значению и дисперсии. Это позволило получить связь между возмущениями и точностью управления и использовать для подстройки параметров регулятора.

A R = f{En,DR,H,n) (19)

где Er - среднее значение радиуса точности стабилизации; Оц - дисперсия радиуса точности стабилизации; Н - глубина стоянки БС; п - заданная точность.

Пятая глава посвящена описанию структуры тренажерного комплекса и реализации моделей процесса движения БС, СДС БС, генерации возмущающих воздействий. На основе обзора, выполненного в первой главе и анализа известных тренажерных систем динамического позиционирования предложено обобщение структур тренажерного комплекса, реализующего максимальное функциональное подобие известных бортовых и тренажерных систем АДР, АРМ фирмы "Simrad Albatross" и GEM 80 фирмы GEC.

При разработке тренажера ставилась задача реализации максимально удобного сочетания аппаратных и программных средств. Аппаратно он состоит из двух консолей - рабочего места оператора и рабочего места инструктора, реализованных с использованием двух компьютеров, объединенных в локальную сеть. Работа консолей тренажера поддерживается

комплексом программного обеспечения, включающего: 1) модель процесса обучения; 2) модель имитации процесса движения БС; 3) модель СДС БС; 4) модель генерации внешних возмущений; 5) модель инструктора; 6) комплекс программ поддержки аппаратных средств. На рис. 2,3 представлены структурные схемы аппаратной и программной реализации тренажерного комплекса.

Смиия ДП _ ГШ Принтер РаЗочм мсто ompcnpt

■иструшр« К

Рис. 2. Структурная схема тренажера Рис.3. Структурная схема

программного обеспечения тренажера

Рассмотрены особенности работы и взаимодействия составных усройств тренажера. В качестве базовой операционной системы компьютеров использована ОС WINDOWS 95 с соответствующими приложениями объектно-ориентированного программирования DELPHI, VISUAL С++ и др.

Сформулированы требования к производительности и ресурсам используемых компьютеров, которые должны быть не ниже класса PEN-TIUM-133 с объемом памяти более 16 MB.

В приложении приведены Акт об использовании результатов диссертационной работы, алгоритмы и тексты программ моделирования.

Заключение.

В диссертационной работе пол учены следующие основные результаты:

1. Получено математическое описание процесса движения бурового судна в условиях внешних возмущений, которое включает математическую модель средств активного управления для противодействия внешним возмущениям.

2. Разработана и реализована идентификация линейной математической модели БС, адекватной по переходным характеристикам нелинейной математической модели для режима динамической стабилизации.

3. Разработана математическая модель замкнутой системы динамической стабилизации бурового судна над точкой бурения по квадратичному критерию качества с учетом неизмеряемых внешних возмущений. Для полученной линейной многосвязной модели БС применен метод аналитического конструирования регуляторов. Построенная модель позволяет наилучшим образом использовать модели средств активного управления судном.

4. Разработан и реализован алгоритм и получены расчетные соотношения для оптимальной ориентации БС с учетом характера и особенностей внешних возмущений, позволяющий обеспечить значительный эффект в снижении влияния на БС внешних возмущений и экономии ресурса подруливающих устройств.

5. Определена потребная установочная мощность активных средств управления БС на основе использования алгоритма оптимальной ориентации.

6. Построен алгоритм оперативной параметрической оптимизации регулятора, что позволило произвести расчет коэффициентов обратной связи СДС БС.

7. Предложена адаптация параметров в виде беспоисковой подстройки регулятора, что позволило на всем пространственно-временном интервале функционирования БС учитывать нестационарные возмущения в реальном масштабе времени.

8. Разработана и реализована структурная схема тренажерного комплекса подготовки операторов динамического позиционирования, использ\ю-щая разработанные математические модели процесса, управления, настройки параметров.

9. Разработаны алгоритмы модели обучающей системы тренажера, позволяющей производить отработку навыков управления движением БС и автоматизировать процесс целенаправленного обучения.

10. Разработанная структура тренажера и алгоритмы функционирования составляющих его аппаратных и программных средств могут быть использованы для построения тренажеров и систем позиционирования других морских подвижных объектов подобного класса.

11. Использованные методы исследований отличаются универсальностью и могут быть применены для решения задач управления и моделирования процессов движения целого класса морских подвижных объектов, определяемых в "Федеральной программе экономического и социального развития Республики Мордовия на 1996-2000 г.г." - проект № 19 "Центр тренажеростроения России для подготовки специалистов дина: мического и якорного позиционирования плавучих объектов разведки и добычи нефти и газа в континентальном шельфе Российской Федерации".

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Бальзамов А.Ю., Лемайкин В.Ф., Масляев С.И. К вопросу.об автоматизации процесса удержания заякоренной полупогружной буровой установки с использованием тренажера-советчика оператора // Технические средства изучения и освоения океана : Тез. докл. На V Всесоюз. конф. - Л., 1985. - Вып.2. - с.90.

2. Лемайкин В.Ф., Масляев С.И. О построении структуры системы управления с элементами прогнозирования для стабилизации морских объектов над точкой бурения // Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана : Тез. докл. V координационного совещ., Геленджик, окт. 1985. Л., 1985.

3. Масляев С.И. О построении обучающих-комплексов для подготовки операторов буровых судов // Проблемы создания новой

техники для освоения шельфа : Тез. докл. IV науч.-техн. конф. -Горький, 1985.

4. Нечаев В.А., Масляев С.И., Лемайкин В.Ф. Принципы построения системы автоматического управления движением плавучего сейсморазведочного комплекса / Морд. гос. ун-т им. Н.П. Огарева. - Саранск, 1987. - 30с. : ил. - Библиогр. 5 назв. - Деп. в ИЦ ВНИИГМИ - МЦД 24.07.87, №671 - гм87.

5. Нечаев В.А., Масляев С.И., Лемайкин В.Ф. Способ управления с прогнозированием морскими подвижными объектами / Морд, гос. ун-т им.Н.П.Огарева. - Саранск, 1987. - 12с. : ил. - Библиогр. 4 назв. - Деп. в В/О "Мортехинформреклама" 08.06.87, №724 -мф87.

6. Масляев С.И. Принципы построения технических средств подготовки операторов буровых судов И Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования Мирового океана : Тез. докл. VI всесоюз. совещ., Одесса, 1987. - М., 1987. -с.139-140.

7. Масляев С.И. О построении тренажеров для подготовки операторов буровых- судов // Молодежь и научно-технический прогресс : Тез. докл. XII респ. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов Дагестана. - Махачкала, 1988, с. 33.

8. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования : Отчет о НИР (II этап) / Мордовский гос. ун-т им.Н.П.Огарева; Руководитель В.А.Нечаев, Исп.: С.И.Масляев, В.Л.Акимов и др. №ГР01900055145; Инв. №02900044215. - Саранск, 1989.

9. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов ло системам динамического позиционирования : Отчет о НИР (III этап) / Мордовский гос. ун-т им.Н.П.Огарева; Руководитель В.А.Нечаев, Исп.: С.И.Масляев, В.Ф.Лемайкин и др. -№ГР01900055145; Инв. №02920007228. - Саранск, 1990.

10. Нечаев В.А., Лемайкин В.Ф., Масляев С.И. Математическое моделирование на базе ЦВМ систем управления подвижными объектами // Полупроводниковые системы преобразования, управле-

ния и автоматизации технологических процессов : Межвуз. сб. науч. трудов. - Саранск, 1990. - 120 е.; с. 4-13.

11. Масляев С.И. Разработка аппаратных средств тренажерного комплекса подготовки операторов динамического позиционирования II Методы и средства управления технологическими процессами : Тез. докл. Межресп. науч. конф. - Саранск, 1991. - 102 е.; с.94,

12. Масляев С.И., Шугуров В.В. Математическое моделирование бурового судна в режиме динамического позиционирования // Методы И средства управления технологическими процессами : Тез. докл. Межресп. науч. конф. - Саранск, 1991. -102 е.; с.95.

13. Акимов В.Л., Лемайкин В.Ф., Масляев С.И. Новая концепция тренажеров для подготовки специалистов по системам динамического позиционирования // Методы и средства управления технологическими процессами : Тез. докл. Межресп. науч. конф. - Саранск, 1993.-73 е.; с.6-7.

14. Масляев С.И. Концепция построения обучающих тренажерных систем подготовки операторов динамического позиционирования // Методы и средства управления технологическими процессами : Тез. докл. Междунар. науч. конф. - Саранск, 1995. - 163 е.; с.101.

15. Масляев С.И. Моделирование тренажерного комплекса для подготовки операторов динамического позиционирования // Тез. докл. Второй конф. молодых ученых Мордовского государственного университета им.Н.П.Огарева. - Саранск, апрель 1997. -268с., с.223.