автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методология информационного обеспечения проектирования систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами на основе объектно-ориентированного подхода

На правах рукописи

КОЗЛОВ Анатолий Васильевич

МЕТОДОЛОГИЯ ИНФОРМАЦИОННОЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА ОСНОВЕ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Университете водных коммуникаций

Научный консультант: член-корреспондент РАН,

д.т.н., проф. Сазонов Анатолий Ефимович

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф. Байбурин Фавзей Закиевич д.т.н., проф. Климов Евгений Николаевич д.т.н., проф. Румянцев Игорь Андреевич

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский дизельный институт (ЦНИДИ)

Защита сосюшея " " _ 2003 года в 15 е3 часов

на заседании диссертационного совета Д 223.009.03

в Санкт-Петербургском Государственном Университете водных коммуникаций по адресу: 198133, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУВК Автореферат разослан " "_2003 года

Ученый секретарь диссертационного Совета.

доктор технических наук, профессор у /" Кулибанов Ю.М.

т

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Внедрение прогрессивных информационных технологий является одной из главных составляющих интенсификации промышленной и транспортной отраслей, оказывающее непосредственное влияние на их совершенствование и развитие.

Учитывая пониженную стоимость ресурсов при реализации компьютерных технологий, на сегодняшний день наблюдается тенденция перемещения затрат в сторону разработай инсфумептальио-методакеских средств для ирсдпроскгаых исследований, проектирования, моделирования и комплексной отладки сложных систем управления судовыми техническими средствами (СТС) и, в первую очередь, систем автоматизированного управления судовыми энергетическими установками (СЭУ) на базе новых информационных, технологических и технических решений.

Вследствие этого интенсивное развитие получают исследования в области разработки объекшо-ориенгированной методологии проектирования сложных систем управления, обеспеченной соответствующей инструментальной поддержкой. Современная индустриальная технология разработок информационного обеспечения процессов проектирования содержит комплекс мероприятий, руководящих документов и автоматизированных средств, позволяющих значительно сокращать сроки проектирования, снижать стоимость изделий, повышать качество проектирования конструкторской документации и технологических процессов.

Объектно-ориентированное проектирование и комплексная отладка функционирования сложных технических систем дает возможность минимизировать или полностью отказаться от имитационных стендовых испытаний, для которых требуется применение натурных имитаторов, характеризующих объекты автоматизированного управления, схемотехнические и программно-аппаратные средства автоматизации, управляющие воздействия с операторских постов, всевозможные

внешние и внутренние дестабилизирующие возде

В составе СТС главенствующая роль отводится главным пропульсивным и электроэнергетическим установкам, качественное функционирование которых во многом влияет на технико-эксплуатационную эффективность судна в целом. Существует большой круг задач управления судовыми энергетическими процессами, решающих проблемы повышения топливной экономичности судна, динамического позиционирования судна, общесудового контроля безопасности судна и др., решение которых позволяет существенно повысить эффективность и безопасность эксплуатации судна в целом. Таким образом следует полагать, что развитие мешдо-логии объектно-ориентированного проектирования систем управления судовыми энергетическими к транспортно-тсхнологичсскими процессами, основанная на системном подходе к использованию современных компьютерных технологий, является для современного флота крупной актуальной научной проблемой.

Научная проблема. Развитие методологии информационного обеспечения проектирования систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами с созданием объектно-ориентированного инструментария для цредпроектных исследований, проектирования и комплексной отладки алгоритмов функционирования систем управления путем компьютерного моделирования информационных, технологических и технических решений.

Цель диссертационной работы и задачи исследования. Повышение эффективности и качества информационного обеспечения процессов проектирования систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами на базе формального аппарата описания архитектуры судового машинно-энергетического комплекса и функционирования его агрегатов, основанного на концепции объектно-ориентированных подходов к исследованиям и методам проектирования, с применением специально созданного для этой цели объектно-ориентированного программного инструментария, обеспечивающего решение задач анализа и синтеза локальных и интегрированных информационных систем.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующего уровня автоматизации управления судовыми техническими средствами; разработка модельных представлений о средствах автоматизации судна, критериях их эффективности, показателях качества управления судовыми устройствами и оборудованием.

2. Обоснование и развитие объектно-ориентированного подхода к информационному обеспечению процессов проектирования интегрированных еислем управления судовыми энергетическими процессами, требующих комплексной отладки их функционирования путем компьютерного моделирования.

3. Сформулированы принципы построения систем управления локальной и сетевой структуры, • отличающиеся возможностью проектирования алгоритмов управления и функционирования судового оборудования в виде многопотоковых информационных систем локальной и сетевой структуры с последовательным и параллельным формированием информационных потоков.

4. Разработка объектно-ориентированных методов модульного проектирования систем автоматизированного управления СЭУ и СТС, информационные модели которых на любом выбранном уровне абстракции, рассматриваются в виде композиционной совокупности объектного, субъектного и передаточного модулей

5. Создание и апробация объектно-ориентированного программного инструментария, предназначенного для компьютерного моделирования и функциональной отладки проектируемых систем автоматизированного управления локальной и сетевой структуры.

6. Реализация методологического и программно-инструментального обеспечения при проектировании информационных моделей судовых систем управления повышенной сложности, в том числе систем управления главными и дизель-генераторными СЭУ, судном в целом, системы контроля безопасности судна и др.

7. Разработка комплекса информационных и технических решений по совершенствованию систем управления судовыми энергетическими процессами путем применения в судовых дизелях электронных систем управления нового типа, в частности, электронной системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля и электронной системы управления опережением впрыска топлива.

Методы исследований. В основу процесса исследований и решения сформулированных задач положены методы системного анализа процессов проектирования систем автоматического регулирования, систем авшмахшмровашюго управления судовыми энергетическими процессами, методы и теория информационных систем, теория формирования алгоритмов, методы компьютерного моделирования и функционального программирования сложных систем. При выполнении работы использован математический аппарат дифференциальных уравнений, дискретной математики, теории управления, эффективности, искусственного интеллекта и системного анализа.

Объекты исследований. Судовые средства автоматизации в составе систем управления энергетическими агрегатами, судовыми энергетическими комплексами и судном в целом, а также методы их описания и проектирования.

Предмет исследования. Методологические положения и алгоритмические основы обеспечения информационных систем, связанные с процессами проектирования судовых систем управления.

Научная новизна.

1. Обоснована необходимость объектно-ориентированного подхода к информационному обеспечению процессов проектирования интегрированных систем управления судовыми энергетическими процессами, требующих комплексной отладки их функционирования путем проведения большого числа испытаний, которые могут быть выполнены путем компьютерного моделирования.

2. Исследованы закономерности инженерно-исследовательского процесса модульного проектирования систем управления СЭУ и СТС, информационные моде-

ли которых на любом выбранном уровне абстракции должны рассматриваться в виде композиционной совокупности субъектного, объектного и передаточного модулей.

3. Сформулированы принципы построения систем управления локальной и сетевой структуры, отличающиеся возможностью проектирования алгоритмов управления и функционирования судового оборудования в виде последовательного и параллельного формирования информационных потоков.

4. Обоснован способ представления системы управления судовыми энергетическими процессами, иерархическая структура которой описывается в виде сложных математических и логических операторов, охваченных межсистемпкми обратными связями, с учетом динамических воздействий на судовое оборудование и средства автоматизации.

5. Предложен аппарат формального описания алгоритмов функционирования структурных элементов путем записи математических и логических операций в виде блок-схем передаточных функций, отличающийся возможностью синхройи-зированного формирования последовательных и параллельных информационных потоков.

6. Разработана и апробирована новая технология информационного обеспече7 ния и инструментальной поддержки процессов проектирования систем управления на базе специально созданной объектно-ориентированной инструментальной программы "Our-CAD" универсального применения, предназначенной для исследований, автоматизированного проектирования, компьютерного моделирования и комплексной отладки сложных систем управления локальной и сетевой структуры.

7. Разработан комплекс информационных и принципиально новых конструктивных решений по повышению технического уровня систем управления судовыми энергетическими процессами за счет применения в составе СЭУ систем электронного управления дизелем, отличающихся научной и схемной новизной на уровне изобретений и патентов.

Практическая значимость. Разработанная методология информационного обеспечения, создание соответствующего обьектно-ориеншрованным инструментария и предложенные технические решения имеют практическую значимость, предоставляя возможность проведения компьютерных исследований, проектирования, моделирования и функциональной отладки сложных систем управления, в том числе интегрированных систем автоматизированного управления общесудовыми энергетическими процессами на базе электронно-управляемых СЭУ, оснащаемых электронными системами управления подачей топлива дизеля.

Реализация. Разработанная методология и соответствующий объектно-ориентированный гПхструментаркй использованы при проектировании, поставке и вводе в эксплуатацию: интегрированной АСУ ТП головного нефтерудовоза "Инженер Шлем" Пермского судостроительного завода, проект 15790-1; интегрированной АСУ ТП головного танкера "Ижевск" Ярославского судостроительного завода, проект 14891-1; интегрированной АСУ ТП, оснащаемой системой ДАУ ГД и машинным телефафом с электрическим валом для головного танкера Рыбинского судостроительного завода, проект 15781. Объектно-ориентированные подходы реализованы в совместных с ГМА им. С.О. Макарова работах по формированию предложений к требованиям Российского Морского Регистра Судоходства, предъявляемым к системам управления динамическим позиционированием буровых судов и к общесудовым экспертным системам контроля безопасности судна.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались на научно-техническом семинаре ЛЕНЭКСПО по эффективности и экологической безопасности корабельной и судовой энергетики (СПб, 1996г.), на научно-техническом семинаре ЛЕНЭКСПО по ресурсо- и энергосберегающим технологиям (СПб, 1996г.), на международном научно-техническом семинаре института 1АУ по проблемам создания электронных регуляторов ДВС (1988г., Зап. Берлин), на международном научно-техническом семинаре с участием стран СЭВ по проблемам создания электронных регуляторов и средств испытаний ТА ДВС (1988г.,

НПО "ЦНИТА", Ленинград), на научно-технической конференции по повышению топливной экономичности автомобилей и тракторов (1987г., Челябинск), на 4-й Сибирской научно-практической конференции по надежности научно-технических прогнозов (1987г., Новосибирск), на отраслевом семинаре по проблемам электронизации тракторов и сельскохозяйственных машин (1989г., Одесса), на НТС НПО "ЦНИТА", научно-исследовательских институтов и предприятий автотракторной отрасли, в АДИ СПбГАСУ (каф. ДВС, 1998г.), на НТС ИПТ РАН (2000г.), на юбилейной научно-технический конференции СЗПИ по проблемам радиотехники и метрологии (СПб, 2000г.), ВМИИ (каф. информ. и управления, 20002001г.), ГСЗПУ (каф. метрологии и квалиметрии, 1999-2002г.), на НТС НПО "AMT" (1996-2002г.), СПГУВК (каф. автоматики, 2000-2002г.), на секции "Автоматизация" НТС Российского Морского Регистра Судоходства (2002г.), перед ведущими специалистами ГМА им. С.О. Макарова и ЦНИИМФ (1999-2002г.).

Публикации. Материалы по теме диссертации отражены в моноцзафии, 39 публикациях, в том числе в 5 авторских свидетельствах и в 11 патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 301 страницу печатного текста, включая 73 рисунка, и два приложения.

Основное содержание работы

В первой главе рассмотрены вопросы системной структуризации процессов автоматизированного управления СТС на базе дизельных СЭУ.

Выполненный в п. 1.1 анализ целей, задач и методов разработки судовых САУ показывает, что судно является сложным многомашинным автоматизированным комплексом взаимодействия многочисленного судового оборудования, обеспечивающего в соответствии с транспортно-технологическим назначением скорость и направление движения судна, его электро- и энергообеспечение, остойчивость, автоматизацию управления судовым оборудованием, его контроль и защиту.

Вопросы комплексной автоматизации управления судовыми транспортно-технологическими процессами подробно рассмотрены в трудах Баранова А.П., Кулибанова Ю.М., Недялкова К.В., Нелепина Р.А., Попова С.А., Румянцева И.А., Сазонова А.Е., Сахарова В.В., Те-поева Б.А., и ряда других специалистов в области судостроения.

Важная роль в организации управления общесудовым транспортно-технологическим процессом отводится главным и дизель-генераторным СЭУ. •

Теория автоматического регулирования и вопросы повышения уровня автоматизации СЭУ подробно освещены в работах Воронова А.А., Пугачева B.C., Попова Е.П., КацаА.М., ЛевипаМ.И., КрутоваВ.И., Цыркина М.И.

Анализ показывает, что вопросы, связанные с повышением качества регулирования и уровня автоматизации систем управления СТС, существенно повышающих их технический уровень, требуют дальнейшего развития путем функционального объединения локальных систем и создания на их базе интегрированной системы автоматизированного управления общесудовыми транспортно-технологическими процессами. В конечном итоге решение поставленной задачи существенно повышает показатели технического уровня судна в целом за счет снижения численности судового экипажа, снижения эксплуатационного расхода топлива с максимальным использованием энергетических возможностей СЭУ, повышения качества, надежности и безопасности эксплуатации СТС.

В п.1.2 рассмотрены вопросы формирования оптимальных режимов управления дизельными энергетическими установками. Максимальное использование их потенциальных возможностей обеспечивается за счет эффективного преобразования энергии топлива в полезную работу судовых дизелей. Критерии выбора законов оптимального управления СЭУ в значительной мере зависят от ее транспортного или технологического назначения. В частности, при работе главной пропуль-сивной установки ее главный двигатель, работая в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, обеспечивая автоматизированное управление СЭУ, дол-

жен оптимальным образом обеспечивать преобразование энергии топлива в работу при пуске, разгоне и движении судна. Дизель-генераторные СЭУ судовой электростанции, помимо' повышенных требований к уровню автоматизации, должны обеспечивать повышенное качество регулирования частоты вырабатываемого тока при подключении потребителей и скачкообразных воздействиях нагрузки. Требуется ускоренный пуск дизеля и его выход на режим приема нагрузки, ускоренная синхронизация при вводе в работу резервной дизель-генераторной СЭУ и ее подключении к судовой сети для параллельной работы на общего потребтсля, минимальное рассогласование мощности между дизель-генераторами.

Неоптимальиость преобразования энергии топлива обусловлена множеством причин, в том числе конструктивным несовершенством процессов нагнетания и впрыска топлива, несовершенством процессов смесеобразования и сгорания топ-ливно-воздушной'смеси, засорением воздушных фильтров, недостаточным прогревом дизеля, пониженным качеством топлива, низким качеством техобслуживания и др. В целом, ухудшая эксплуатационные технико-экономические показатели дизеля, перечисленные нричины носят организационный характер. Однако, при всем несовершенстве организационных процессов подобного типа, потенциальные возможное™ СЭУ должны быть использованы в максимальной мере за счет совершенствования процессов управления дизелем.

Особенность как главных пропульсивных, так и дизель-генераторных СЭУ состоит в том, что они значительную часть времени работают при переменных режимах управляющих и возмущающих воздействий. Переменные скоростные и нагрузочные режимы дизеля существенно влияют на организацию процессов нагнетания, впрыска, смесеобразования и сгорания топлива в цилиндрах, определяющих текущие индикаторные и эффективные показатели дизеля в каждый момент времени. Чем шире диапазон дестабилизирующих воздействий и чем хуже динамические показатели качества автоматического регулирования частоты вращения дизеля, тем ниже эффективность преобразования топлива в полезную работу СЭУ.

Поэтому минимизация удельных и эксплуатационных расходов топлива требует существенного повышения уровня автоматизации управления подачей топлива. Именно качество процессов автоматизированного управления подачей топлива главных дизельных и дизель-генераторных СЭУ проектируемого судна определяет два его важнейших выходных технико-экономических показателя - эксплуатационную топливную экономичность и производительность.

Анализ формирования характеристик мощности пропульсивной установки в рабочих зонах скоростных и нагрузочных режимов главного двигателя при его работе на неустановившихся режимах показывает, что текущая эффективность пре-обраЗСишШЯ топлива в соответствухогции момент времени обусловлена двумя ВаЖнейшими факторами: качеством характеристик дозирования, нагнетания и впрыска топлива в цилиндры дизеля и качеством процессов смесеобразования и сгорания топлива в рамках индикаторного цикла дизеля. Поэтому при любых видах управляющих и возмущающих воздействий средства автоматизации дизеля должны управлять подачей топлива таким образом, чтобы при наименьших расходах топлива обеспечивалась максимальная производительность СЭУ.

В п.1.3 проализированы возможности повышения уровня автоматизации управления дозированием и опережением впрыска топлива. В конечном итоге требуемое формирование характеристик дозирования топлива на переходных режимах обеспечивается повышенными показателями качества примененной САР ЧВ дизеля за счет ее повышенного быстродействия и повышенной гибкости управления дозированием топлива. Применение системы электронного управления подачей топлива на базе электронного регулятора частоты вращения обеспечивает качественно новый уровень оптимального управления СЭУ.

В еще большей мере повышается эффективность преобразования топлива за счет повышения качества процессов сгорания топлива в рамках индикаторного цикла дизеля- которое обеспечивается применением в дизеле электронной системы адаптивного управления углом опережения впрыска топлива.

В своем сочетании данные системы образуют электронную систему комбинированного управления подачей топлива, обеспечивающую наиболее низкие значения удельных расходов топлива главных и дизель-генераторных СЭУ в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов.

Применение электронных систем управления подачей топлива предоставляет широкие возможности их интегрированного взаимодействия с сопряженными системами Автоматизированного управления и контроля, в том числе с системами

> воздухоснабжения и наддува дизеля, с топливной системой дизеля, с системой охлаждения, с системами пуска, прогрева и защиты дизеля. Для главной пропуль-сивной установки электронная система управления подачей топлива должна объединяться также с судовыми системами автоматизированного управления трансмиссией (реверс-редуктором) и движителем (ВРШ). Применение электронной системы управления подачей топлива в составе дизель-генераторной СЭУ, помимо повышения качества частоты сети судовой электростанции, предоставляет возможность существенного повышения уровня ее автоматизации в целом.

Сектор дизельных машин и энергосиловых установок различного назначения, в котором существенную часть составляют главные и дизель-генераторные СЭУ, является одним из наиболее емких в энергетическом балансе производства и эксплуатации мирового парка общемашинных транспортно-техпологических средств. Поэтому развитие работ, связанных с применением электронных систем управления подачей топлива, существенно повышающих технический уровень дизельных машин и энергосюювых установок в любых сферах их применения, имеет исключительно важное значение.

> Однако существующие технические решения в недостаточной мере обеспечивают органичный стык дизеля с электроуправляемыми топливоподаювцими устройствами, в результате чего возможности создания высокоэкономичных и высокопроизводительных электронно-управляемых СЭУ существенно снижаются. Требуются такие принципиально новые и универсальные технические решения, кото-

рыс предоставили бы возможность создания электронных систем управления подачей топлива для их применения в дизелях любой мощносш и назначения, в особенности в судовых СЭУ с дизелями средней и большой мощности.

Однако, даже при наличии новых технических решений, их практическая реализация для применения в электронно-управляемых СЭУ, представляет значительную сложность, связанную с проектированием и функциональной отладкой общесудовой нитрированной системы управления энергетическими процессами.

В п. 1.4 рассмотрены особенности проектирования систем автоматизированного управления общесудовым пропульсивно-энергетического комплексом (СПЭК) с главными пропульсивпкми и дизель-генераторными СЭУ. Эффективность функционирования интегрированной системы автоматизированного управления СПЭК на базе электронно-управляемых дизелей, объединяющей множество смежных подсистем пониженных, параллельных и повышенных уровней взаимодействия, гребуех формирования согласованных алгоритмов управления, реализуемых общесудовыми схемотехническими и программно-аппаратными средствами автоматизации.

Возрастающий уровень интеграции судовых систем автоматизированного управления существенно повышает стоимость проектирования и увеличивает сроки проведения мно! очисленных стендовых имитационных испытаний, что требует привлечения новых компьютерных технологий, основанных на модельных методах проектирования и комплексной отладки функционирования СЭУ.

Во второй главе изложена методология объекгао-ориентированного подхода к процессу проектирования судовых систем автоматизированного управления локальной и сетевой структуры и их модельной реализации.

В п. 2.1 выполнен анализ принципов проектирования систем управления автоматизированными объектами. Процессам объекгао-ориентированного проектирования сложных информационных систем взаимодействия посвящены работы

Брукса Ф., Буча Г., Нофа Ш., Шеннона Р., Шлеера С. и Меллор С., Хубки В. и ряда других зарубежных авторов.

В структуре классов и структуре объектов построение судовых систем автоматизированного управления характеризуется иерархичностью взаимоподчиненных подсистем на выбранных уровнях абстракций. Каждый класс содержит количество объектов (экземпляров класса), выбранных для проектирования, различающихся по свойствам и признакам (атрибутам), характеризующим их внутреннюю структуру, содержание и происходящие в них процессы.

Судно, являющееся структурным элементом суперкласса водного транспорта, в иерархии структуры классов и структуры .объектов судовых транспортно-технологических процессов выбрано в качестве объекта верхнего уровня рассмотрения. На промежуточных уровнях рассматриваются классы главных пропульсив-ных и дизель-генераторных СЭУ. На пониженных уровнях представлений рассматриваются системы и элементы управления подачей топлива.

Предметная система взаимосвязанных и взаимодействующих между собой структурных элементов, ограниченная рамками выделенной информационной области и объединенная общей целью и характерными признаками, в своей совокупности рассматривается как информационная модель системы управления.

На рис. 1 показана информационная модель судовой системы управления, которая характеризуется вводимой информацией с условными координатами ее размещения в информационном пространстве и времени. Система управления имеет собственное предметное содержание, целевое назначение, организацию построения, внутренние и внешние связи элементов, жизненный цикл и другие существенные для проектирования факторы. Изменение свойств системы при воздействиях рассматривается как совокупность событий в процессе изменения ее фиксированных состояний. Закон перехода предыдущего фиксированного состояния в последующее описывается математическим или логическим образом и рассматривается как соответствующее приращение числа, характеризуемое передаточной

Информационное пространство

Рис 1. Способ представления информационной модели системы управления.

функцией данного события. Ряд последовательных событий рассматривается как процесс. Совокупность множества передаточных функций, характеризующих одновременное выполнение ряда элементарных математических или логических операций с выбранной дискретизацией шага времени представляет собой обобщенный оператор группы элементарных звеньев, характеризующий процесс изменения состояния рассматриваемого объекта, или обобщенную передаточную функцию его параметров.

В п. 2. 2 описаны методы иерархического структурирования информационных моделей систем управления, которые позволяют упорядочивать ввод и вывод информационных параметров при выбранном объеме оперируемой информации. Процедура разбиения моделей на иерархически подчиненные структурные элементы зависит от предметного содержания информационной модели и принципов ее взаимодействия с сопрягаемыми системами.

Принципы классификационного структурирования информационных моделей судовых систем управления, размещаемых в границах области информационного пространства, предусматривают собственное место для систем проектируемого класса. Точность воспроизведения информационных координат зависит от глубины структурирования выбранной информационной области. Количество уровней и групп на каждом классификационном уровне определяется выбранными критериями разработанной классификации системы и уровнем ее детализации.

Исходя из задач практической реализации объектно-ориентированной методологии проектирования, в п. 2.3 представлен формальный аппарат описания алгоритмов динамического взаимодействия структурных элементов систем управления. Описаны методы анализа математических и логических операций, положенные в основу обобщенного аппарата дипамических информационных преобразований. Изменение состояний элементов субъектов или объектов воздействия описывается передаточными функциями, которые своими причинно-следственными связями образуют общий алгоритм их функционирования.

Обоснован выбор формального аппарата описания средств и методов анализа информационных моделей, способный охарактеризовать и отобразить во времени преобразования свойств любого функционального оператора в виде структурированной блок-схемы передаточных функций. Логическая операция, в такой же мере как и математическая, рассматривается как частная разновидность элементарной передаточной функции.

Судовые подсистемы и взаимодействие их структурных элементов, охваченных мсжснстсмнымк информационными связями, могут быть преде ¡авлены на верхнем уровне абстракции в виде сложных функциональных операторов, информационные модули которых соответственно характеризуют функции судовых операторских постов, управляемого судового оборудования и средств автоматизации.

В п. 2.4 изложены принципы модульного построения многопотоковых систем управления. Введены формализованные категории, свойства которых присуши любой сисгеме управления. Любую информационную модель системы на любом выбранном уровне абстракции, отражающую реальную систему взаимодействия, следует рассматривать как объединенную композиционную совокупность в виде трех основополагающих структурных единиц: источника информации (субъекта воздействия), приемника информации (объекта воздействия) и передатчика информации (средства взаимодействия между субъектом и объектом). Объединение перечисленных структурных единиц рассматривается как системный модуль информационной модели, отражающей реальную систему взаимодействия. На рис. 2 показан принцип объединения объектных, субъектных и передаточных модулей в системный модуль информационной модели. Горизонтальные, вертикальные и диагональные иерархические связи структурных модулей и их структурных элементов обеспечивают интегрированное функционирование системного модуля на верхнем уровне взаимодействия. Из рис. 2 следует, что структура информационной модели системного модуля имеет вид классической системы управления, охваченной внешним и внутренним контурами обратных связей.

Системный модуль САУ транспортио-технологическим процессом

Обратная связь средств автоматизации с оператором

Транспортно-Объектный модуль технологический (транспортно- процесс

Рис. 2. Объединение базовых структурных модулей в системный модуль системы управления транспортно-техяологическим процессом

В качестве источников, приемников и передатчиков могут выступать любые носители взаимодействующей информации с различными физическими описаниями и сочетаниями с той или иной степенью глубины и детализации процессов, которая на выбранном уровне абстракции обеспечивает решение конкретной функциональной задачи и характеризует адекватность информационной модели системы по отношению к реальной.

Третья глава посвящена вопросам инструментального обеспечения многофункциональной систсмы автоматизированного проектирования судовых систем управления. В п. 3.1 показаны пути реализации объектно-ориентированных подходов к построению системы информационного обеспечения процессов проектирования систем управления. Технология проектирования алгоритмической части прикладного программного обеспечения средств автоматизации систем управления предусматривает процесс проектирования в рамках его жизненного цикла, в виде итеративной последовательности этапов и процедур проектирования с модельной параметризацией объектов при синтезе проектируемых систем с логическими структурами.

Синтез системы основан на применении прагматического метода с синтезом логических структур и анрагматического метода с модельной параметризацией. На всех стадиях проектирования по результатам синтеза анализируются, оцениваются и верифицируются промежуточные инженерные решения вплоть до синтеза общей схемы, которая будет представлять окончательное инженерное решение.

В рамках выбранной структуры класса и структуры объекта фактор оценки спроектированной системы имеет сравнительный характер модельных параметров процесса по отношению к параметрам процесса реального объекта и определяется в виде критериев анрагматического и прагматического соответствия. Если критерии соответствия совпадают, задача верификации и синтеза, выполняемого в процессе проектирования системы управления, считается решенной. Равносильность

критериев реального и модельного соответствия на выбранном уровне абстракции свидетельствует об адекватности спроектированной системы.

В п. 3.2 представлен-комплекс требований, предъявляемых к программно-инструментальному обеспечению процессов автоматизированного проектирования и компьютерного моделирования систем управления. По результатам анализа публикаций зарубежных авторов, посвященных общесистемным и объектно-ориентированным методам проектирования сложных систем, в рамках постановки задачи выделепы основные особенности и требования, положенные в основу создания собственного объектно-ориентированного инструментария для проектирования и функциональной отладки информационных моделей систем управления.

Обосновано применение нового, более информативного метода записи алгоритмов функционирования проектируемых информационных моделей систем управления, основанный на едином способе описания математических и логических операций. Новый способ позволяет описывать алгоритмы управления судовым оборудованием и функционирование его информационных моделей в виде сложных операторов, структура которых строится на межсистемном взаимодействии составных блок-схем передаточных функций с дискретными и непрерывными преобразованиями.

На рис. 3 показан пример, «де сопоставлены традиционная и новая форма записи алгоритма управления автоматической системой подогрева масла, входящего в состав общего алгоритма управления судовым пропульсивно-энергетическим комплексом. Описан фрагмент одной и той же простейшей схемы алгоритма управления, однако данного примера достаточно, чтобы уяснить суть подхода к отображению информации и восприятию процесса ее преобразования. Удобство разработанного метода описания состоит в том, что алгоритмическая запись логических и математических операций ведется слева направо по линиям связи в соответствии с привычным направлением считывания информации. Обратные связи организуют движение информации, считываемой в противоположном направле-

А - Традиционный вид записи алгоритма

Сработал датчик РТ2

-20-

Алгоритм АСП масла АСП масла

Включать насос прокачка

Вкл. сигнализацию "Насос работает"

сформировать признак

"Масло прогрето"

Отключить сигнализацию "Насос работает"

Б - Новый вид записи алгоритма

^Возврат

в задачу

Сигнал измерения

Алгоритм АС11 масла

—>

Включение АСП . /

Сработал Г датчик РТ2 \

Сработал датчик РТЗ —>

Откл. сигнализацию "Надое работает" ^

Вкл. сигнализацию 1 | "Насос работает" ^

Включить

иасос прокачки ^

Признак цр» "Масло прогрето"

Отключить иасос прокачки

Рис. 3. Виды записи одного и того же фрагмента схемы алгоритма управления автоматической системой подогрева масла (АСП масла) главного судового двигателя: А) в виде алгоритмической блок-схемы, записанной традиционным образом; Б) новым способом в виде блок-схемы передаточных функций.

нии. Как простые, так и сложные алгоритмические модули объединяются в обобщенные блоки функционирования, которые не требуют вхождения внутрь цикла алгоритмической задачи и читаются последовательно как обычные функциональные схемы.

В п. 3.3 описывается назначение и функции разработанной системы инструментальной поддержки процессов автоматизированного проектирования систем управления. С учегом методологии информационного обеспечения процессов проектирования и поставленных задач по сс реализации, была специально создана и апробирована универсальная объектно-ориентированная инструментальная программа "Our-CAD" (The Object Universal Resoîver - CAD), предназначенная для предпроектаых исследований, автоматизированного проектирования, компьютерного моделирования и комплексной отладки информационных моделей сложных систем многоуровневой структуры в масштабе реального времени.

Формальный аппарат моделирования и отладки функционирования систем управления непрерывными и дискретными динамическими процессами основан на принципах преобразования информации, описываемой логическими и математическими передаточными функциями.

Проектирование информационных моделей систем управления выполняется на структурно-функциональном уровне. При этом принципы функционального программирования проектируемых систем органично опираются на поддерживающий объектно-ориентированный процедурный язык программирования С**, являющийся для программы функционального программирования "Our-CAD" базовым языком пониженного уровня.

В процессе моделирования пользователю предоставляется возможность управлять информационной моделью путем имитации управляющих и дестабилизирующих воздействий по сформированным законам. Значения текущих параметров информационных моделей в цифровом или графическом виде выводятся на экран дисплея ПК, с которого ведется управление.

Инструментальная оболочка программы работает в среде Windows, занимая объем памяти на диске в пределах 300 Кб.

Методология информационного обеспечения и созданный программный инструментарий апробированы при практической реализации алгоритмической части прикладного программного обеспечения средств автоматизации, поставленных в составе общесудовых АСУ ТП для ряда судов конкретных проектов.

Проектирование конкретных систем управления выполняется на функциональном уровне специалистом предметной области, способным выполнить анализ и оценить адекватность предмета проектирования на выбранном уровне детализации, при этом для этой цели не требуется привлечение программистов, специализирующихся на процедурных языках программирования.

Библиотеки спроектированных структурных модулей и универсальных библиотечных элементов информационные моделей могут также использоваться при разработке компьютерных тренажеров различного уровня сложности, предназначенных для отработки действий операторов при внештатных и критических ситуациях, а также для компьютерного обучения специалистов, имеющих собственные уровни предметных представлений о функционировании систем управления.

В конечном итоге, технология функционального проектирования, анализа и комплексной отладки систем управления в гибкой инструментальной среде "OurCAD" может рассматриваться в качестве универсальной технологии визуального программирования при проектировании и отладке алгоритмов функционирования конкретных систем управления локальной и сетевой структуры, а также широко использоваться для создания предметно-ориентированных САПР в самых различных предметных областях.

Поэтому, помимо судостроения, программа "Our-CAD" может использоваться также при разработке транспортных, энергетических и финансово-экономических систем управления как локальной, так и сетевой структуры.

В п. 3.4 показаны особенности методов и способов технологии функционального проектирования систем управления судовыми энергетическими процессами. На примерах многоуровневой иерархии судовых систем автоматизированного управления нижних, промежуточных и верхних уровней, изложены методы модульной структуризации информационных моделей объектов рассмотрения и способы отладки их функционирования. Принципы организации структуры информационной модели системы управления и ее связей при формировании структурных модулей верхних, промежуточных и нижних уровней показаны на рис. 4.

В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с объекшо-ориептированпой технологией проектирования информационных моделей структурных модулей систем управления СТС. Охарактеризовано информационное содержание структурных модулей, которое является существенным для процессов проектирования судовых систем управления, определены виды составных структурных элементов, их свойства, объем функций и состав межмодульных связей.

В п. 4.1 показано, что информационная модель базового субъектного модуля подразумеваег иерархическую структуру операторских постов управления судовым транспортно-технологическим процессом, на которых расположены органы управления судовым оборудованием и органы отображения информации о контролируемых параметрах. Верхнему уровню рассмотрения соответствует главный пост судовождения на ходовом мостике. Промежуточным уровням составных субъектных модулей соответствуют ЦПУ, ГРЩ, выносные и вспомогательные посты управления судовым оборудованием. Нижнему уровню рассмотрения соответствуют местные посты машинного отделения.

Изложены требования к формированию информационной модели субъектного модуля, показан порядок ее разработки и принципы организации связей субъектного модуля с информационным моделями сопряженных структурных модулей. Состав органов управления и отображения информации каждого из постов управ-

Рис. 4. Организация связей при фрагментировании объектного, субъектного

и передаточного Модуля информационной модели системы управления.

ления определяется требованиями для каждого конкретного проекта судна в соответствии с его транспортас-технологаческим назначением.

В п. 4.2 показано, что информационная модель базового объектного модуля характеризует иерархическую структуру судового оборудования. Под информационной моделью объектного модуля понимается многоуровневый транспортно-' технологический комплекс судового оборудования в виде связанных между собой

агрегатов, устройств, машин и механизмов с датчиками и исполшгкздьными уст-

к ПЛПЛ ГППИТ! ТТЛШТТПТЛТТт ГУ Л^ТТТЛЯ ТЛ^ТЛПЛ1УГ1ТЛ_'ГаУ1ТЛТ1Г»Т1таЛТЛАЙ о г, 77

| ¿->1ЛЛУ1 «»} 1ХШЧ/1Л11ШЛ Ч/Ч/Щ^''' 1 ршхуии^ X ми А ч/лиили! /I ^ЦЦиЧ^.

Классифицированы и охарактеризованы виды и источники входной информации и получатели (приемники) выходной информации объектного модуля, определяющие процессы функционирования информационной модели судна на выбранных уровнях структурной иерархии. Изложены требования к формированию информационной модели объектного модуля, показан порядок разработки и принципы организации связей объектного модуля с информационным моделями сопряженных структурных модулей. Каждая из функций воздействия на объектный модуль и соответствующих функций преобразований, характеризующих, выполнение транспортпо-технологического процесса, имеет собственное математическое и логическое описание. Состав оборудования и алгоритмы его функционирования определяются, исходя из требований к обеспечению общесудового транспортно-технологического процесса, предусматриваемого для судна конкретного проекта.

В п. 4.3 показано, что информационная модель базового передаточного модуля характеризует иерархическую структуру схем алгоритмов управления судном, реализуемых судовыми средствами автоматизации. Под информационной моделью передаточного модуля понимается многоуровневая структура алгоритма функционирования схемотехнических и программно-аппаратных средств автоматизированного и автоматического управления судовым оборудованием и контроля его работоспособности, обеспечивающих оптимальное решение поставленной транспортно-технологической задачи с участием или без участия оператора.

Классифицированы и охарактеризованы источники входной информации и получатели (приемники) выходной информации передаточного модуля, определяющей параметры и показатели функционирования информационной модели судна в целом. Алгоритмы управления имеют собственные математические и логические описания и распределяются между оператором и средствами автоматизации, исходя из требований к объему автоматизации и специфики транспортно-технологического процесса. Состав средств автоматизации, их связи и объем функционирования определяются, исходя из требований к уровню автоматизации управления общесудовым транспортно-технологическим процессом, предусматриваемым конкретным проектом судна с соответствующим знаком автоматизации в символе класса.

В п. 4 4 изложена технология формирования системного модуля информационной модели судового пропульсивно-энергетического комплекса судна с ВРШ, оснащенного системой ДАУ главной энергетической установкой. Системный модуль информационной модели формируется путем объединения информационных моделей субъектного, объектного и передаточного модулей, при котором горизонтальные, вертикальные и диагональные связи каждого из перечисленных структурных элементов обеспечивают их межмодульное взаимодействие.

В н. 4.5 изложены модульные принципы структурирования и организации межмодульного взаимодействия систем управления сетевыми объектами. Каждую группу из нескольких выделенных и объединенных между собой локальных объектов следует рассматривать как локальный сетевой модуль приема и распределения сходящихся и расходящихся информационных потоков. Показаны методы формирования синхронизированных многопотоковых сетей на базе 4-х узловых сетевых модулей.

Модульная организация многопотоковых систем сетевой структуры, которая сопровождает внутрисудовые транспортно-технологические процессы энергообеспечения и электроснабжения, формируя распределение энергии по соответствую-

щим локальным потребителям, может быть также распространена и на другие виды транспортно-технологических процессов, в том числе на движение судов между портами, на передачу энергоносителей по электрическим и трубопроводным сетям, на работу производственных средств транспортирования и др.

В пятой главе рассмотрена реализация объектно-ориентированной методологии при проектировании информационных моделей систем управления судовыми | энергетическими процессами. Проектирование выполняется последовательно, по

мере возрастания уровня сложности моделей и организации их взаимодействия.

Описание входных и выходных параметров информационных моделей и их поведение оценивается в относительных отклонениях, что позволяет обеспечивать максимальную унификацию библиотек проектируемых структурных модулей и универсальных библиотечных элементов, создаваемых в процессе проектирования.

В процессе проектирования информационных моделей для конкретных накоплены библиотеки системных, структурных и библиотечных модулей, адекватных реальным системам регулирования, управления и контроля

В п. 5.1 показаны принципы преобразования математической модели системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля (САР ЧВ) в ее информационную модель. Поскольку энергетические процессы преобразования топлива , в работу, не зависимо от назначения СЭУ, являются общими и идентичными для

всех судовых систем управления повышенных уровней, информационная модель САР ЧВ рассматривается в качестве универсального системного модуля нижнего уровня.

Универсальность применения системного модуля САР ЧВ обусловлена сле-

I

дующими факторами. Не зависимо от мощности и назначения дизелей, их центробежные регуляторы прямого и непрямого действия, имея близкие статические и динамические показатели качества регулирования, в общем виде могут быть описаны в относительных Отклонениях как передаточная функция колебательного звена. Не зависимо от мощности, типа турбокомпрессора, степени наддува и на-

значения дизелей, в общем случае все они имеют близкие статические и динамические показатели. Моделируемый дизель обычно описывается передаточной функцией апериодического звена. Однако, если рассматривать дизель как объект с нулевым самовыравниванием, в общем виде он может быть описан как чисто интегрирующее звено. Дистанционная настройка скоростного режима дизеля обеспечивается реверсивным приводом органа управления регулятором с темпом настройки, практически не зависящим от мощности дизеля. В общем случае передаточная функция привода hmcci вид интегрируют« о звена. Не зависимо от мощ- i ности, типа турбокомпрессора, степени наддува и назначения дизелей, при общем подходе, их многопараметровые скоростные характеристики имеют близкий характер формирования параметров в рабочем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов дизеля. Поэтому при компьютерном моделировании САР ЧВ используется универсальный модуль многопараметровых скоростных характеристик удельного расхода топлива.

Вся исходная информация с конкретными проектными данными, в том числе соответствующие коэффициенты и расчетные параметры по дизелям и оборудованию СЭУ, передаются проектанту информационных моделей, который является предметным специалистом конкретной области проектирования.

С учетом изложенного предварительно разрабатываются составные блоки системы уравнений математической модели САР ЧВ дизель-генераторной СЭУ, на базе которой проектируется ее информационная модель. По результатам сопоставления показателей качества регулирования реальной САР ЧВ с ее информацион- * ной моделью, последняя рассматривается как адекватная, после чего выполняются последующие этапы проектирования и отладки информационной модели дизель- » генераторной СЭУ в целом. Описание информационной модели САР ЧВ дизель-генераторной СЭУ в виде блок-схем передаточных функций приведено на рис. 5.

В п.5.2 показаны принципы построения и приведены результаты моделирования системы ДАУ главной пропульсивно-энергетической установки.

РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДИЗЕЛЯ С ДИСТАНЦИОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Увеличение Сервопривод настройки ЧВ дизеля Ручная _ ЧВ дизеля _ __настройка ЧВ

Уменьшение ЧВ дюеля

1 НР —_

Измеритель ЧВ дизеля

I—| >= 0.3 [

■ 1.03|——

Частота Ксервопрнвода вращения 1-

<вд) дюеля

Ктемпа

Крег>ляюра

2 г Тр'р +К\«р +1

Ограничители рейки ТНВД Пусковой Конструктив. Стоп' г—-г—1 тсто.во Положение рейки ТНВД

V- 1.«

41

Крегулятора

В= «.50 Н=-0.3О

В- 1Л0 Н= -0.30

«.60

Рабочая

остановка дюеля .

■СЕмН

нз

Воздух от системы всасывания -вч

Турбокомпрессор наддува

Кткр

Кнадд

Нр

ТНВД дизеля

В

Топливо

от системы питания

ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР И ЕГО ПОТРЕБИТЕЛИ Саловая часть дизеля

Подача воздуха

Давление наддува

! т-

! г" X Ктивд

■< Подача | топлива

■{Мк

Камера сгорания

Теплов. »свивал. Мошн. дюеля

X

Кди)

Р

Частота /—ч врашеиив (тд} дизеля . —

[Тдизепя[ *

Кдю

Генератор

Ыг

Ки

Синус, источн.

\

Ю

1

КПДгенер.

Момент нагрузки дизеля

иг

Рпотр

Ток, 1

Частота^

Рис. 5. Информационная модель САР ЧВ дизель-генераторной установки в виде блок-схем передаточных функций

В информационную модель судна как объекта управления входят информационные модели его составных объектов, в том числе гидродинамическая характеристика корпуса судна, главная прОпульсивная установка с движителем в виде ВРШ или ВФШ, главная СЭУ (с реверс-редуктором для судна с ВФШ), разработанная и отлаженная на предшествующей стадии проектирования САР ЧВ, и универсальный модуль скоростных характеристик удельного расхода топлива.

Информационная модель системы ДАУ строится на основе многоблочной математической модели в виде системы уравнений, которая записывается в опера- к торном виде при относительных отклонениях координат. Блок-схемы передаточных функций структурных элементов системы ДАУ ГД показаны на рис. 6.

В процессе моделирования с компьютера задается частота вращения дизеля и направление вращения гребного винта, при этом скорость движения судна зависит от характеристики крутящего момента ГД и гидродинамической характеристики сопротивления его движению. Статические и динамические показатели системы ДАУ ГД зависят от ограничений крутящего момента ГД, обусловленных положением рейки ТНВД и формируемых регулятором частоты вращения дизеля, а также статических и динамических показателей качества регулирования САР ЧВ дизеля и частоты вращения СЭУ в целом. Текущий часовой расход топлива зависит от текущего удельного расхода топлива, который в свою очередь зависит от текущих переменных значений частоты вращения и момента нагрузки дизеля.

При разгоне судна, для предохранения дизеля от тепловых перегрузок и перерасхода топлива, устанавливаются существенные ограничения дозирования топли- * ва и выдержки времени с последующим снятием ограничений. Скоростные режимы дизеля и соответствующие периоды включения привода дистанционной на- ч стройки и устанавливаются в зависимости от выбранного алгоритма управления автоматизированным разгоном дизеля при разгоне судна, которые должны быть оптимальными с точки зрения периода выхода судна на рабочий режим при экономичном расходе топлива СЭУ и пониженной дымносга отработавших газов.

1"ЧВ I л.ишого дизели с дистанционным сервоприводам настройки скоростного режима

Измеритель ЧВ литая

Увеличите Сервопривод настройки ЧВ диэел» Чо дмэелв

Уменьшение ЧВдюеля ,

"©^GEl

Ручная а «стройка ЧВ

да:

Чей)

Ктемпя

4P Р

-1<- 1.03f—— 1 _

Частота вращения

|Ксср..прквоД.Ь-7,П^

_К1-

Крегулитора

2 2 Тр'р +К»*р +1

Ограничители рейхи ТНВД

н.

-в

Пусковой Консгруютин. Стоп-^ 1 _ устр-ао Положение

' F рейки ТНВД

'-[креп.чпорй

Рабочая

остановка дгоеля .

Н>=оТ|—

В- 1.10 Н--0.30

А)

Главная судовая пропульемвная установка с реверс-редгктором и ВФШ

-»[не]—

Воздх

; Подач»

[i'iJ^L

II-

Й2 _ Топливо

ТНВД

Подача топлива

I r—d)

Реверс-редч ктор

Валопровод < ВФШ

Корпус судна A3+B*+C + I

Упор ¡2' судна.

¡^1нагр,:

-ВЧН-фш] I

Б)

Г-------1 Подач» УпрмлемеВРШ |

Воздух I .2 1В05Д>":--------

-Н '

д

£ <

Главная судовая лропульсивная установка с ВРШ Валопровол с ВРШ

Ню

j ■ в ! _ в>д ! * i*— I________!

II

Гопл^ЛТИВД!" -»-i_________•

—Подача ¡топлива

i о

? ЙЙ

■

'Ji

■-0,05

Тврш'р-Н

■L»- 1-Кск*р

Im

i i Усудва Корпус судка

А3+в1+С+1

! Тсудиа*р +1

Упор судиа

Мнагр , дизеля

Рсодр

Рис. б. Информационные модели дизельных энергетических установок в виде блок-схем передаточных функций: А) с реверс-редуктором и ВФШ, Б) с ВРШ

По результатам моделирования определены характеристики оптимального разгона ГД судна с ВФШ после запуска дизеля с периодами времени, требуемыми для подключения муфты реверс-редуктора и на каждой последующей ступени разгона, в максимальной мере обеспечивающими энергетические возможности СЭУ при заданных ограничениях подачи топлива. Подобным образом моделируются процессы оптимального управления ГД судна с ВРТТТ путем комбинированного воздействия на органы управления частотой вращения дизеля и шагом ВРШ.

В п. 5.3 рассмотрено построение и показаны резулыгиы моделирования системы управления динамическим позиционированием судна (СДПС), которая базируется на разработанных и отлаженных на предшествующих стадиях проектирования информационных моделей и рассматривается на более высоком уровне управления судовыми энергетическими процессами. Управление линейными и угловыми перемещениями судна при его позиционировании предусматривает возможность одновременного управления главными пропульсивными установками, подруливающими и рулевыми устройствами.

При моделировании процессов динамического позиционирования учитываются постоянные времени линейных и угловых отклонений судна от его начального состояния по отношению к точкам приложения упоров воздействий главных про-нульсивных установок, рулевых устройств и подруливающих устройств, которые компенсируют дестабилизирующие силы воздействия ветра и течения.

Как показано на рис. 7, информационная модель СДПС представляется совокупностью параллельных и последовательных каналов управляющих и возмущающих воздействий сил и крутящих моментов воздействия на судно, которые, описываются в виде блок-схем передаточных функций элементов статических и динамических преобразований. В зависимости от выбранной стратегии, строятся и отлаживаются требуемые алгоритмы управления соответствующим оборудованием, определяется последовательность его подключения и периоды работы при ситуациях, дестабилизирующих процесс динамического позиционирования.

] т 001 60

] ГЧЗ>ОИ1ГЗИ9 г., ■ ЭО<)

V я

Средства управления позиционированием судна Возмущающие воздействия

Подруливающие устр-ва ВРН2 ГОРУ2 ВРН1 ГПРУ1 БУР Течение Ветер

* . - - ♦

Н-

.Г

г

н •о

X

I

<г

3 5

а

к

а А

3 [X

в

л

т т т

я га «

п П

« и И ?>

п

I

I ?!

и»

£1

(Я

в

&

г

н-

1Р1

1Ш

И

1

Й

И

у ПУ

+

1+

2

-в п

"ЕЕ"

В п. 5.4 рассмотрено построение и показаны результаты моделирования общесудовой экспертной системы контроля безопасности судна (ОЭСКБС), которая рассматривается как информационно-управляющая система высшего уровня.

ОЭСКБС контролирует степень аварийности судна, его оборудования и средств автоматизации, обеспечивающих управление энергообеспечением судна, скоростью его движения и курсом, остойчивостью судна, контроль и защиту судового оборудования. Управляющие функции формируют и выдают судоводителю рекомендации по предупреждению аварии, а в экстремальных случаях, при ненра- *

вилышх действиях или бездействии судоводителя, выдают команды на устройство аварийного управления, например, на аварийное стоп-устройетво двигателя.

Имитируемыми внешними факторами воздействий на судно являются волнение, ветер, течения, столкновение с препятствием или посадка на мель и др. Имитируемыми факторами внутренних воздействий являются отказы главных и дизель-генераторных СЭУ, нарушение остойчивости судна, неисправности и отказы средств автоматизации судового оборудования и др.

Системный модуль информационной модели ОЭСКБС строится на базе библиотек системных модулей информационных моделей пониженных уровней, разработанных и отлаженных на предшествующих стадиях проектирования.

Шестая глава посвящена рассмотрению путей практической реализации новых технических решений, обеспечивающих возможность перевода судовых дизелей на чисто электронное управление. Электронное управление подачей топлива предоставляет возможность перевести судовые дизели на качественно новый тех- * нический уровень с возможностью создания высокоэффективных интегрированных систем управления общесудовыми энергетическими процессами. »

В п.6.1 проанализированы особенности реализации существующих систем электронного управления дозированием топлива и определены причины, препятствующих применению в судовых дизелях электронных регуляторов частоты вращения (ЭРЧВ). Особенность традиционных схем ЭРЧВ состоит в том, что сигнал

измерения частоты вращения дизеля сравнивается с заданным, при этом сформи-

{

' рованный сигнал управления положением рейки ТНВД подается на обмотки с пропорционального электромагнита или поворотного электродвигателя со знакопеременным направлением движения якоря. Для повышения: стабильности и показателей качества регулирования частоты вращения дизеля, на обмотки электро-^ магнита требуется подавать ток с повышенной частотой переменной полярности вплоть до такого режима, при котором якорь приходит в состояние, близкое к покою, что приводит к насыщению магнитопровода и перегреву обмоток. Наблюдается эффект так называемого "энергетического тупика", поскольку в процессе регулирования дизеля механическая работа якоря в копечпем итоге сводится к нулю. Импульсные датчики ЭРЧВ дизеля не обеспечивают требуемых показателей

I

качества регулирования из-за пониженной точности измерения неравномерно вращающегося вала и пониженной надежности канала главной обратной связи I САР ЧВ дизеля, приводящей при их тказе к так называемому "разносу" дизеля.

Кроме того аналоговый датчик положения якоря или рейки ТНВД, обеспечивающий за счет введения статизма устойчивость системы, имеет повышенную по' грешность измерения, которая не обеспечивает требуемую точность автоматиче-! ских ограничений дозирования топлива и крутящего момента дизеля при его рабо-1 1е по внешней и частичным регуляторным характеристикам. | Однако главной причиной, препятствующей широкому применению элек-| тронных регуляторов в судовых дизелях средней и большой мощности, является * необходимость применения ЭРЧВ непрямого действия Объединение в регуляторе непрямого действия пропорционального электромагнита с пониженными энерге-¡г/ тическими возможностями, прецизионной и силовой гидравлики с множеством рычажных механизмов существенно усложняет конструкцию и стоимость ЭРЧВ.

В п. 6.2 научно обосновано направление, связанное с созданием принципиально нового типа электронного регулятора частоты вращения дизеля (ЭДРЧВ) на

I

базе электроприводного дифференциального измерительно-исполнительного ме-

! I

ханизма (ДИИМ), оснащенного задающим электродвигателем одностороннего направления вращения для его применения в дизелях средней и большой мощности главных и дизель-генераторных СЭУ.

Конструкция ДИИМ одновременно выполняет функции механического измерения заданной частоты вращения электродвигателя, измерения текущей частоты вращения дизеля, сравнения текущих измерений и силового воздействия электродвигателя, перемешающего рейку ТНВД. Функции регулирования и управления частотой вращения дизеля возлагаются на .эл сюру привод, а ЭДРЧВ рассматривается как привод силовой следящей системы прямого действия для управления да-ЗбЛвМ любой мощности. Принципиальная схема ЭДРЧВ показана на рис. 8.

В ЭДРЧВ используется управляемый по частоте электродвигатель одностороннего направления вращения (например асинхронный с короткозамкнутым ротором при КПД порядка 60 - 70%). Значительный резерв форсирования мощности электропривода одностороннего направления вращения снимает проблему "энергетического тупика", наблюдаемого в ЭРЧВ традиционного типа, что создает условия существенного повышения качества регулирования частоты вращения дизеля на его переходных скоростных и нагрузочных режимах.

В ЭДРЧВ применены иовые методы цифровых измерений частоты вращения дизеля и положения рейки ТНВД. Для этого на встречно и синхронно вращающихся входных валах дифференциала ЭДРЧВ, связанных соответственно с валами дизеля и электродвигателя, устанавливаются крыльчатки, инициирующие постоянные срабатывания магнито-импульсных датчиков, размещенных в створах крыльчаток. В зависимости от текущих положений вращающихся валов, шторки их крыльчаток генерируют сигналы магнито-импульсных датчиков, один из которых включает соответствующие генераторы тактовой частоты, а другой - отключает. Число импульсов, накопленных тактовыми генераторами, позволяет измерять положение рейки ТНВД и частоту вращения дизеля с повышенной точностью.

Мощность электродвигателя и конструктивные размеры дифференциального

7 - тнвд

(дизель)

Рис. 8. Структура управления частотой вращения дизеля и вычислительными операциями ЭДРЧВ

1. Входной вал 1

2. Входной вал 2

3. Суммирующий вал

4. Сателлиты

5. Зубчатый венеи

6. Электродвигатель

7. ТНВД(дизель)

8. Вал ТНВД

9. ЭМДР

10. Дозирующая рейка

11. Отметчик вала!

12. Отметчик вала 2

13. Магнитный датчик 1

14. Магнитный датчик 2

15. Блок управления дизелем

16. Таймер 1

17. Таймер 2

18 Вычислитель положения рейки

19 Вычислитель скорости дизеля

20. Карта формирования регуляторных тсарактеристик

21. Инвертор электродвигателя

механизма зависят от мощности и конструктивных особенностей дизеля.

Исследования по оценке энергетических затрат на привод дозирующего органа ТНВД показали, что для обеспечения требуемых показателей качества регулирования частоты вращения дизеля, соотношение мощностей задающего электродвигателя и регулируемого дизеля имеет порядок 1:10000. То есть для дизеля мощностью 100кВт требуется электродвигатель мощностью порядка 10Вт, для 1МВт - 100Вт, для 10МВт - 1кВт.

Испытания ЗДРЧВ в составе дизель-генераторных установок и тракторов, проведенные в "Центральном научно-исследовательском институте топливной аппаратуры (ЦНИТА), на полигоне Научно-исследовательскою автотракторного института (НАШ) и на Северо-западной машинно-испытательной станции (СевЗапМИС), подтвердили работоспособность регулятора и его надежность.

Для проведения исследований системы автоматического регулирования и управления частотой вращения дизеля с регулятором нового типа разработана ее математическая модель. Четырехблочная система уравнений, характеризующих структурные элементы САР ЧВ дизеля, записывается в операторном виде при относительных отклонениях координат. Статические и динамические характеристики математической модели САР ЧВ дизель-генераторной СЭУ, положены в основу проектирования ее информационной модели, характеризуются следующими уравнениями, входящими в ее составные блоки.

Блок 1

(1.1) - уравнение ТНВД дизеля, характеризующее положение рейки ТНВД и преобразование положения рейки в цикловую подачу топлива;

(1.2) - уравнение турбокомпрессора наддува, характеризующее положение рейки ТНВД, частоту вращения дизеля, постоянную разгона турбокомпрессора,

Турбонаддувный дизель с ТНВД:

КТНВДГ1Ч = Яцт'у (1.1)

(ТткР+*)ЧЦ.=КткП<19д\ (1.2)

(Тдр + Гс)<Рд = кц,Чц. х цт (1.3)

где:

преобразование координат положения рейки и частоты вращения дизеля в цикловую подачу воздуха;

(1.3) - уравнение силовой части дизеля, характеризующее частоту вращения дизеля, преобразование цикловой подачи топлива и воздуха в крутящий момент дизеля, момент сопротивления дизеля, постоянную разгона дизеля, обусловленную инерционными характеристиками дизеля и присоединенными массами генератора, коэффициент самовыравнивания дизеля.

Электрогенератор:

А

т — ген п " КПДГ(рд я<ияр' (2.1) Блок 2

(2.2)

где:

(2.1) -уравнение электрогенератора, характеризующее КПД генератора и мощность потребителей, подключенных к шинам;

(2.2) - уравнение, характеризующее преобразование частоты вращения дизеля в частоту вырабатываемого тока с учетом числа пар полюсов генератора.

Электроприводной задающий дифференциальный измерительно-исполнительный механизм (ДИИМ) ЭДРЧВ:

(Тмр + Х)<р3 = кдиэ - кд,т„ (3.1)

(К/р2 + К„р + Кс = т3; (3.2)

(3.3)

1дфкдф°>дфО Р

Блок 3

где:

(3.1) - уравнение электродвигателя, характеризующее уровень сигнала управления, коэффициент преобразования управляющего воздействия в частоту вращения электродвигателя, коэффициент преобразования возмущающего воздействия в частоту вращения электродвигателя, момент сопротивления на валу электродвигателя, электромеханическую постоянную электродвигателя;

(3.2) - уравнение момента сопротивления электродвигателя, характеризующее инерционность механизма ДИИМ и связанных с ним присоединенных к рейке ТНВД движущихся частей, вязкое (гидравлическое) трение механизма, жесткость механической характеристики электродвигателя;

(3.3) - уравнение ДИИМ в составе ЭДРЧВ, характеризующее передаточное отношение дифференциала, радиус зацепления зубчатой передачи суммирующего вала, номинальную частоту вращения сравнивающих колес дифференциала, номинальный ход рейки ТНВД.

Электронный блок управления (ЭБУ) в составе ЭДРЧВ:

2пН „ Ть

(4.1)

'дф^дф

{Из1р< + Длр + Я„)щ = + (4.2)

{Из1рг + Дэ2р + Пэ1 )и} = г,(4- + ^-), (4.3)

«во

2лП„а 9 Т& Ть

Блок 4

где:

(4.1) - уравнение, характеризующее фазовый сдвиг импульсов между периодами срабатывания датчиков положения входных валов ДИИМ, частоты срабатывания датчиков положения входных валов дифференциала со стороны дизеля и электродвигателя, период срабатывания датчика положения входного вала дифференциала со стороны дизеля, период срабатывания датчика положения входного вала дифференциала со стороны электродвигателя;

(4.2) - уравнение, характеризующее формирование сигналов ПИД-регулирования по каналу измерения частоты вращения дизеля с соответствующими коэффициентами интегрирования, дифференцирования и пропорциональности с учетом периодов срабатывания датчика положения входного вала дифференциала со стороны дизеля, периодов срабатывания датчика положения входного вала дифференциала со стороны электродвигателя и фазового сдвига импульсов между периодами срабатывания датчиков;

I

1 (4.3) - уравнение, характеризующее формирование сигналов ПИД-

' регулирования по каналу измерения положения рейки ТНВД с соответствующими

4

коэффициентами интегрирования, дифференцирования и пропорциональности с

* учетом периодов срабатывания датчика положения входного вала дифференциала со стороны дизеля, периодов срабатывания датчика положения входного вала

- дифференциала со стороны электродвигателя и фазового сдвига импульсов между периодами срабатывания датчиков;

# Математическая модель САР ЧВ дизель-генераторной СЭУ с ЭДРЧВ содер-' жит одиннадцать уравнений ее структурных элементов с шестнадцатью переменными параметрами и двадцатью семью коэффициентами преобразования, каждый

I

из которых при более детальном анализе имеет зависимые значения от текущих ^ переменных. Развернутая запись математических и логических операций данной ? математической модели с описаниями аналитических решений требует многостра-' яичных выкладок, которые при проектировании системы и ее развитии затрудняют

| восприятие и анализ многомерных процессов.

| Формирование математической модели САР ЧВ дизель-генераторной СЭУ с

| ЭДРЧВ в 4-х блочном виде предоставляет возможность оперативного проектиро-

I

| вания объединенной информационной модели системы в Структурированном виде.

! Показаны пути практической реализации ЭДРЧВ на базе новых технических

, решений, защищенных рядом авторских свидетельств и зарубежных патентов, в

том числе патентами США № 4936274; № 4947813; № 4986237.

* Имея простую конструкцию и неоспоримые преимущества, ЭДРЧВ может иметь широкое применение в дизель-генераторных и главных СЭУ с ди )елями

^, средней и большой мощности. Помимо главных и дизель-генераторных СЭУ, сфера применения ЭДРЧВ может распространяться на другие виды дизельных машин и энергосиловых установок новых поколений, в том числе на тепловозы, дизельные автомобили, сельскохозяйственные и промышленные тракторы и др.

I !

В п.6. 3 выполнен анализ особенностей реализации существующих систем управления опережением впрыска топлива и определены причины, препятствующие их применению в судовых дизелях.

В процессе работы СЭУ на неустановившихся режимах нарушаются даже самые совершенные процессы индикаторного цикла дизеля, отработанные в условиях стендовых заводских испытаний. При этом, помимо существенного увеличения расхода топлива при работе дизеля на неустановившихся режимах, увеличивается дымность и содержание вредных выбросов в его отработавших газах.

Кроме общего стремления к повышению экономичности СЭУ и дизельных машин в целом, актуальность управления опережением впрыска, диктуется непрерывным ужесточением международных норм, предъявляемым к дымности и токсичности отработавших газов дизелей. В первую очередь им следуют страны США, Европы и Японии, дизелестроительные фирмы которых, параллельно с электронными регуляторами частоты вращения, ведут интенсивные работы по созданию электронных систем управления опережением впрыска топлива.

Практическая реализация электронных систем управления опережения впрыском топлива представляет значительные трудности, что ограничивает возможности создания электронных систем комбинированного управления подачей топлива, построенных на базе электронного регулятора частоты вращения и системы электронного управления опережением впрыска топлива. -

Анализ истории отечественного и зарубежного дизелестроения показывает, что существует два принципиально различных направления по созданию электронных систем комбинированного управления подачей топлива. Первое направление базируется на применении электроприводов дозирования и начала подачи топлива в системе низкого давления (электронные регуляторы частоты вращения и электрогидравлические устройства разворота кулачка ТНВД относительно ВМТ дизеля). Второе базируется на схеме управления электрогидроприводными уст-

ройствами впрыска в системе высокого давления топлива на линии его нагнетания (элекфоиедравлические клапаны ТНВД или электроунравляемые форсунки).

Из анализа следует, что одним из наиболее перспективных зарубежных направлений по электронизации дизелей является применение электронных систем комбинированного управления подачей топлива на базе двухреечных ТНВД с 3-х ■элементными топливными узлами, в котором первая рейка, регулируя частоту вращения, управляет дозированием топлива, а вторая - опережением впрыска топлива. Однако технические решения, связанные с применением двухреечных ТНВД в судовых дизелях средней и большой мощности, пока отсутствуют.

В п. 6.4 научно обоснованы новые технические решения по практической реализации электронных систем комбинированного управления подачей топлива на базе двухреечных ТНВД для их универсального применения в серийно-вьгаускаемых дизелях.

Разработан новый тип 3-х элементного топливного узла для двухреечного ТНВД, который по сравнению с зарубежными аналогами имеет уменьшенные габариты и более простую конструкцию. Топливный узел базируется на конструкции традиционной плунжерной пары однореечного ТНВД, элементы которой и законы нагнетания топлива отрабатываются в процессе серийного производства. Помимо управляемого дозирования топлива, новый топливный узел обеспечивает управление опережением впрыска в широком диапазоне изменения углов опережения по отношению к ВМТ дизеля. Новые технические решения защищены патентами №2097597 и №2132475.

Однако, без применения современных методов проектирования, даже новые технические решения не дадуг возможности в полной мере обеспечивать эффективное управление дизелем. Требуется применение новых информационных технологий, основанных на объектно-ориентированных подходах, которые дают возможность оптимально организовать межсистемное взаимодействие электронной

системы комбинированного управления подачей топлива со множеством сопряженных систем автоматизированного управления, входящих в состав СЭУ и СТС.

Основные результаты работы

Анализ существующих методов совершенствования информационного обеспечения процессов проектирования систем автоматизированного управления СЭУ, СТС и судном в целом, показывает, что существуют достаточные резервы повышения эффективности процессов проектирования и отладки систем за счет внедрения ресурсосберегающих информационных компьютерных технологий Лак в • процессе проектирования СТС с учетом внешних факторов проектирования (уровень информационного обеспечения, технология, техническая элеменгаая база), так и в процессе эксплуатации СТС с учетом внешних факторов воздействий (управляющие и дестабилизирующие воздействия на судно и его оборудование) и внутренних факторов (отказы оборудования, персонала).

Исходя из сказанного, в работе сформулирована и решена научно-техническая проблема, имеющая важное научно-техническое и народнохозяйственное значение, заключающаяся в практической реализации методологического и информационного сопровождения процессов проектирования интегрированных систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами на основе обьекгно-ориентированных подходов.

В соответствии с ними создана и реализована методология информационного обеспечения процессов проектирования систем управления судовыми энёргетиче-скими установками и судовыми техническими средствами на основе специально созданного объектно-ориентированного инструментария, предназначенного для предпроектных исследований, проектирования, компьютерного моделирования и • функционального программирования систем управления с комплексной отладкой алгоритмической части программного обеспечения, реализуемого судовыми средствами автоматизация.

Научные результаты, полученные в работе, представляют комплекс научных информационных и технических решений на базе новых информационных технологий по проектированию интегрированных систем автоматизированного управления общесудовыми энергетическими процессами на основе системного и объектно-ориентированного подхода к их алгоритмической структуризации, реализация которых обеспечивает существенное повышение технического уровня проектируемых судов и представляет собой крупный научный вклад в развитие ваучно-1вхиическош прогресса.

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы следующие.

1. Проведены исследования и выполнен анализ существующего уровня автоматизации судовых энергетических средств, которые позволили структурировать процессы проектирования систем управления общесудовыми энергетическими процессами, с обоснованием необходимости создания и внедрения гибких систем электронного управления дизелем, обеспечивающих существенное повышение показателей технического уровня главных пропульсивных и дизель-генераторных СЭУ и судна в целом.

2. Определены направления работ, связанные с реализацией интегрированной системы автоматизированного управления общесудовыми энергетическими процессами на базе систем электронного управления дизельными СЭУ, обеспечивающих их оптимальное взаимодействие с сопрягаемыми подсистемами дизеля (с системами воздухоснабжения и охлаждения, с топливной системой, с системами пуска, прогрева, разгона, АПС и защиты дизеля), а также оптимальное взаимодействие электронно-управляемого дизеля с движителем главной пропульсивной установки (ВРШ, реверс-редуктором, гребным электроприводом и др.) или с электрической частью дизель-генераторной СЭУ.

3. Обоснована необходимость системного подхода к созданию интегрированных систем автоматизированного управления СЭУ, рассматриваемых как сложные

человеко-машинные комплексы, требующие в процессе проектирования комплексной отладки их функционирования путем проведения большого числа испытаний. При системном подходе, при наличии обоснованных математических моделей и требуемого информационного обеспечения, процессы проектирования, испытаний и комплексной отладки интегрированных систем управления СЭУ могут быть выполнены на модельном уровне с использованием для этих целей соответствующей методологии и компьютерного инструментария.

4. В развитие объектно-ориентированных подходов к информационному обеспечению процессов проектирования, обоснованы методы проектирования судовых йптегрировшпгых систем управления, которые опираются на принципы объектно-ориентированного построения сложных систем в виде структур классов и объектов. Система взаимосвязанных и взаимодействующих между собой структурных элементов, ограниченная рамками выделенной информационной области и объединенная общей целью, в своей совокупности рассматривается как информационная модель проектируемой системы управления.

5. Сформирована иерархическая структура систем управления СЭУ, учитывающая особенности применения и построения их информационных моделей, отражающая состав функциональных блоков СЭУ и их межэлеменпшх связей.

6. Разработан новый способ представления информации в виде системного модуля информационной модели, представляющего декомпозиционную совокупность трех основополагающих структурных модулей в виде источника, характеризующего субъект воздействия, приемника, характеризующего объект воздействия и передатчика, рассматриваемого в качестве средства взаимодействия между субъектом и объектом. На верхнем уровне абстракции данные структурные элементы судовых систем управления могут бьггь представлены в виде информационных модулей, характеризующих соответственно функции операторского поста управления, управляемого оборудования и средств автоматизации процесса управлепия.

7. Исходя из задач по практической реализации объектно-ориентированной методологии проектирования, обоснован выбор средств и методов описания синтеза и анализа информационных моделей, способный охарактеризовать и отобразить во времени преобразования свойств любого функционального оператора.

8. Обоснованы принципы построения информационных моделей объектных, субъектных и передаточных модулей систем управления, их структурирования и объединения в виде сложных функциональных операторов, охваченных межсистемными информационными связями. Описаны методы анализа математических и логических операций, положенные в основу объединенного аппарата динамических преобразований структурированных блок-схем передаточных функций.

9. Обосновано применение нового метода записи алгоритмов функционировании проектируемых информационных моделей систем управления локальной и сетевой структуры с возможностью описания математических и логических операций в виде последовательного и параллельного формирования информационных потоков.

10. Обоснован объем исходной информации, требуемой для проектирования судовых систем управления и их модельной отладки. Выявленные закономерности интегрированы в теоретические положения, определяющие применение методоло-1 ии информационного обеспечения процессов проектирования систем управления в виде формального аппарата описания их информационных моделей как с позиций организации процессов проектирования систем управления, так и с позиций модельных представлений об их функционировании.

11. Обоснован комплекс требований, предъявленных к разработке программно-инструментального обеспечения процессов проектирования и компьютерного моделирования сложных систем. Выделены основные особенности, положенные в основу разработки требований к созданию объектно-ориентированного программного инструментария для проектирования информационных моделей систем управления и их функциональной отладки.

12. С учетом задач информационного обеспечения и инструментальной поддержки процессов ироекшрования сложных систем управления, специально создана и апробирована универсальная объектно-ориентированная инструментальная программа "Our-CAD", предназначенная для предпроектных исследований, автоматизированного проектирования, компьютерного моделирования в масштабе реального времени и комплексной отладки сложных информационных систем управления локальной и сетевой структуры. Компьютерный инструментарий предоставляет возможность минимизировать или полностью отказаться от имитаци- * онных стендовых испытаний, требующих применения натурных имитаторов управляемых объектов, операторских пультов, имитаторов дестабилизирующих воздействий и отказов.

13. Разработана новая технология информационного обеспечения процессов проектирования информационных моделей систем автоматизированного управления, основанная на компьютерном моделировании многопотоковых информационных данных, позволяющая:

- формировать информационные данные в терминах предметной иерархии и разрабатывать спецификации информационных моделей, основанные на объектно-ориентированных представлениях о проектируемых системах;

- выполнять компьютерное моделирование (макетирование) проектируемых систем управления энергетическими и транспортно-технологическими процессами с учетом выбранных концепций и топологических данных.

14. Показаны особенности качественно новой технологии проектирования ал- ' горитмической части прикладного программного обеспечения систем управления, реализуемого программно-аппаратными средствами автоматизации. Проектирова- » ние выполняется на функциональном уровне специалистом предметной области, способным выполнить анализ и оценить адекватность предмета проектирования на выбранном уровне детализации.

15. Технология функционального проектирования, анализа и комплексной от-

ладки систем управления в гибкой инструментальной среде "Our-CAD" может использоваться для создания САПР повышенной сложности в различных предметно-ориентироватшх направлениях проектирования и рассматриваться как универсальная технология визуального программирования алгоритмов функционирования конкретных систем управления. При этом отсутствует необходимость привлечения программистов для проектирования алгоритмической части программного обеспечения средств автоматизации.

16. Подтверждена работоспособность методологии на базе созданного объектно-ориентированного инструментального обеспечения, апробированная в процессе разработки судовых систем управления энергетическими процессами, в том числе САР ЧВ дизель-генераторной установки, системы ДАУ ГД в составе СПЭК, системы управления динамическим позиционированием судна, общесудовой экспертной системы контроля безопасности судна и др.

17. Разработан комплекс информационных, технических, конструктивных и технологических решений по повышению показателей технического уровня судового пропульсивно-энергетического комплекса за счет применения в дизельных СЭУ принципиально нового типа систем электронного управления дозированием и опережением впрыска топлива, отличающихся научной и схемной новизной на уровне изобретений и патентов.

18. Полученные в диссертационной работе результаты подтверждают практическую реализуемость и целесообразность широкого применения системной методологии, направленной на совершенствование информационного обеспечения процессов проектирования судовых систем автоматизированного управления для различного рода сложных человеко-машинных информационно-управляющих энергетических и транспортно-технологических комплексов.

Помимо научно-исследовательских и проектных опытно-конструкторских работ, практические результаты диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе.

Публикации по теме диссертации Монография

1. Козлов A.B. Пути повышения эффективности управления судовыми энергетическими процессами (электронное регулирование СЭУ, автоматизация СТС, компьютерное моделирование судовых САУ). Научное издание: - СПб: Судостроение, - 2002. -194 с.

Патенты и изобретения

2. Козлов A.B. Регулятор скорости теплового двигателя. A.C. № 708065, Бюллетень №1, 1980г.

3. Козлов A.B., Маракин В.И., Конторович P.M. Способ испытаний системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля: A.C. № 1318705, Бюллетень №23 за 1987г.

4. Козлив A.B., Вайнштейн Г.Я., Маракин В.И., Хаймин Ю.Ф. Регулятор частоты вращения теплового двигателя A.C. № 1455023, Бюллетень №4,1989г.

5. Козлов A.B., Вайнштейн Г.Я., Маракин В.И., Хаймин Ю.Ф. Регулятор частоты вращения теплового двигателя A.C. № 1455024, Бюллетень №4, 1989г.

6. Вайнштейн Г.Я., Козлов A.B., Маракин В.И., Хаймин Ю.Ф. Способ регулирования скорости вращения выходного вала теплового двигателя, A.C. № 1495472, Бюллетень №27 за 1989г.

7. Козлов A.B., Маракин В.И. Регулятор частоты вращения теплового двигателя. Патент России №2097593, бюлл. №33 от 27.11.97г.

8. Козлов A.B., Маракин В.Й. Топливоподающий узел высокого давления. Патент России № 2097597, бюлл. №33 от 27.11,97г.

9. Козлов A.B. Устройство комбипироваппого управления подачей топлива дизеля. Патент России №2132475от21.06.99г.

10. А. Kozlov, J. Khaimin, (i. Vainshtein, V. Marakin, Rotation Speed Regulator for Head Engine. PCT WO 88/05568,28.07.88, G 05/D; F 02/D.

11.A. Kozlov, J. Khaimin, G. Vainshtein, V. Marakin. Rotationsgeschwindigkeitsre-gel Vorrichtung Für Warmemotor. Europaische Patentanmeldung № 0 299 072 AI, G 05/D; F 02/D, 18.01.89.

12. G. Vainshtein, A. Kozlov, V. Marakin J., Khaimm. Europäische Patentanmeldung Verfahren Zur Steuerung Der Rotationschwmdigkeit Einer Warmemaschine. Europaische Patentanmeldung № 0320 513 AI, G 05/D; F 02/D, 21.06.89.

13. A. Kozlov, J. Khaimin, G. Vainshtein, V. Marakin. Rotation Speed Regulator for Head Engine. Europaische Patentanmeldung № 0 351 429 AI, G 05/D; F 02/D, 24.01.90.

14. A. Kozlov, J. Khaimin, G. Vainshtein, V. Marakin. Drehzahlregler für eine Warmkrafhnaschine. Patentanmeldung. Deutsche Demokratische Republic, Patentschrift. № DD 275 593 A3, F 02/D, 30.01.90.

15. A. Kozlov, J. Khaimin, G. Vainshtein, V. Marakin. Heat Engine Speed Governor. Patent of USA № 4936274, G 05/D; F 02/D, 26.06.90.

16. G. Vainshtein, A. Kozlov, V. Marakin, J. Khaimin. Method for Controlling the Rotational Speed of a Thermal Engine Heat. Patent of USA № 4947813, G 05/D; F 02/D, 14.08.90.

17. A. Kozlov, J. Khaimin, G. Vainshtein, V. Marakin. Heat Engine Speed Governor. Patent of USA № 4986237, G 05/D; F 02/D, 22.09.91.

* Публикации

18. Бордуков B.B. Козлов A.B. Файнлейб Б.Н. Коганер В.Э. Электронное управление процессом топливоподачи автотракторных двигателей ; Двига-

J телестроение, №6, 1990г., с. 17-21

19 Козлов A.B., В.И. Маракин, Конторович P.M. Оценка энергетических затрат на привод дозирующего органа топливного насоса : Двигателестроение, №8, 1988г., с. 17-19

20. Левин М.И., Козлов A.B. Перспективы САРС дизеля с дифференциальным регулятором и задающим электроприводным устройством : Двигателестрое-

, ние№3,-Л.: 1982

21. Козлов A.B., Хаймин Ю.Ф. Автоматизация тракторных ДВС, состояние вопроса, перспективы : Двигателестроение №1, - Л.: 1983

22. Козлов A.B. Объектно-ориентированный инструментарий для компьютерного моделирования судовых систем управления : Научно - технический сбор-

I ник "Информационные технологии на морском транспорте". Государствен-

ная Морская Академия им. С.О. Макарова, 2002 г., вып. 2.

t 23. Сазонов А.Е., Козлов A.B. Применение общесудовых экспертных систем

контроля безопасности судна для снижения влияния человеческого фактора на аварийность судов. Научно - технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 24, 2001 г.

24. Козлов A.B., Станякин В.М., Петренко Р.В. Объектно-ориентированный подход к разработке систем качества / Радиотехника. Метрология: Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции института. - СПб. : СЗПИ, 2000. - 177 с.

' 25. Козлов A.B. Объектно-ориентированные методы компьютерного моделиро-

вания систем управления технологическими процессами: ж. Индустриальный Петербург № 6 (18), 1999, СПб.

« 26. Быков Э.Б., Козлов A.B., Новиков Н.И. Системы управления и электрообо-

рудование для судостроения, нефтехимии энергетики : ж. Индустрия № 3 (25), 2001, СПб.

27. Быков Э.Б., Гущин С.Б., Козлов A.B., Недялков К.В. Вопросы комплексной автоматизации ЭУ. Тезисы докладов научно-технического семинара " Корабельная и судовая энергетика - эффективность и экологическая безопасность", ЛЕНЭКСПО, СПб., 1996г.

28. Быков Э.Б., Гущин С.Б., Козлов A.B., Недялков К.В. Вопросы комплексной автоматизации ЭУ. Тезисы докладов научно-технического семинара "Ресурсо- и энергосберегающие техника и технологии", ЛЕНЭКСПО, СПб., 1996г.

29. Козлов A.B. Функциональные возможности электронных систем автоматического управления топливоподачей автотракторных дизелей : Труды ЦНИТА, Л., 1989г.

30. Козлов A.B. Шифф К.В. Адаптация задачи моделирования электронной системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля на ЦВМ типа PDP-11 : Труды ЦНИТА, Л., 1989г.

31. Козлов A.B., Хинчук Г.И. Электромеханический регулятор скорости вращения для двигателей внутреннего сгорания : Труды ЦНИТА №54, Л.: 1972.

32. Козлов A.B. Электрические регуляторы частоты вращения автотракторных дизелей и перспективы их применения : Труды ЦНИТА №70, Л.: 1977.

33. Козлов A.B. Анализ устойчивости и качества системы регулирования частоты вращения дизеля с электромеханическим регулятором : Труды ЦНИТА №73, Л: 1979.

34. Козлов A.B. Исследование системы автоматического регулирования скорости дизеля с электромеханическим регулятором : Труды ЦНИТА №74, Л.: 1979.

35. Козлов A.B. Исследование системы автоматического регулирования скорости дизеля с электромеханическим дифференциальным регуляюром / Дис-сёртация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ЦНИДИ, Л.: 1979,108 стр.

36. Николаев Е.А., Козлов A.B. Перспективы применения электроники в системах управления автотракторными дизелями. Тезисы доклада на 4-й Сибирской научно-практической конференции по надежности научно-технических прогнозов,14-16.10. 1987г., Новосибирск

37. Козлов A.B., Маракин В.И. Тенденции электронных систем автоматического управления топливоподачей тракторных дизелей. Тезисы доклада на научно-технической конференции "Повышение топливной экономичности автомобилей и трак-шров", 30.11.87-2.12.87, г. Челябинск.

38. Козлов A.B., Вайшшейн Г.Я., Маракин В.И. Результаты исследований системы автоматического управления топливоподачей тракторного дизеля. Тезисы докладов отраслевого семинара "Проблемы электронизации тракторов и сельскохозяйственных машин". Октябрь 1989г., г. Одесса.

39. Козлов A.B. Электронный дифференциальный регулятор автотракторного дизеля. Доклад на международном научно-техническом семинаре института Ingenieurgesellschaft fiar Aggegatetechnic und Verkehrsfahrzeuge mbH (IAV), Зап. Берлин, 1988г.

Подписано к печати 13.03.03. Сдано в производство 13.03.03.

Усл.-печ. л. 3,2 Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. 3,85

Тираж 70 экз. Заказ №94

СПГУВК ИИЦ 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, д. 2

Введение. Содержание проблемы и задачи исследований

Глава 1. Системная структуризация процессов в объектах автоматизированного управления СЭУ и СТС

1.1. Анализ целей, задач и методов разработки систем управления судовыми энергетическими процессами

1.2. Формирование оптимальных режимов управления дизельной энергетической установкой

1.3. Анализ путей повышения уровня автоматизации управления дозированием и опережением впрыска топлива

1.4. Особенности проектирования систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Методология объектно-ориентированного подхода к процессу проектирования судовых систем автоматизированного управления

2.1. Основные понятия и факторы, определяющие способы проектирования систем управления

2.2. Структурирование информационных моделей систем управления

2.3. Формальный аппарат представления схем динамического взаимодействия судовых технических средств

2.4. Модульное проектирование информационных моделей систем управления и их структурных элементов

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Инструментальное обеспечение многофункциональной системы автоматизированного проектирования судовых систем управления

3.1. Реализация конструктивных подходов к построению системы информационного обеспечения процессов проектирования

3.2. Комплекс требований к разработке системы инструментального обеспечения процессов проектирования

3.3. Назначение и функции разработанной системы инструментального обеспечения и апробация процессов компьютерного проектирования судовых систем управления

3.4. Методы и способы отладки информационных моделей слож- 133 ных систем управления судовым комплексом

3.5. Выводы по главе

Глава 4. Объектно-ориентированная технология проектирования 147 структурных модулей информационных моделей систем управления

4.1. Информационная модель субъектного модуля

4.2. Информационная модель объектного модуля

4.3. Информационная модель передаточного модуля в виде схем 164 алгоритмов, реализуемых средствами автоматизации

4.4. Информационная модель системы управления на базе субъ- 172 ектного, объектного и передаточного модулей

4.5. Модульное построение многопотоковых систем локальной и 178 сетевой структуры

4.6. Выводы по главе 4 "

Глава 5. Реализация объектно-ориентированной методологии про- 190 ектирования судовых систем управления

5.1. Система автоматического регулирования частоты вращения 191 дизеля в составе дизель-генераторной установки судовой электростанции

5 .2. Система дистанционного автоматизированного управления 199 судовой пропульсивно-энергетической установкой

5.3. Система управления динамическим позиционированием 212 судна

5.4. Общесудовая экспертная система контроля безопасности 224 судна

5.5. Выводы по главе

Глава 6. Способы технических решений по совершенствованию 244 процессов автоматизированного управления судовыми энергетическими установками

6.1. Анализ направлений и особенности реализации электронных 244 САР частоты вращения дизеля в составе СЭУ

6.2. Информационная модель и технические решения по реализа- 251 ции САР ЧВ дизеля с электронным регулятором на базе дифференциального измерительно-исполнительного механизма (ЭДРЧВ)

Внедрение прогрессивных информационных компьютерных технологий является одной из главных составляющих интенсификации отраслей промышленности и транспорта, что оказывает непосредственное влияние на их совершенствование и развитие. Учитывая низкую стоимость технических ресурсов компьютерных технологий, на первый план выходит проблема создания новых методологических и инструментальных средств автоматизации, учета развития технологии производства систем управления и разработки новых конструктивных решений. Проблемам автоматизации процессов управления судовыми техническими средствами с оптимизацией их межсистемного взаимодействия уделяется повышенное внимание, отраженное в работах [1-6; 8-14; 27; 32; 51, 54; 55; 61-63; 75; 85; 90; 93-96; 100] и в ряде работ других специалистов в области судостроения.

Однако создание интегрированных систем автоматизированного управления техническими средствами, являющихся системами повышенной сложности, представляет серьезную научную проблему. Существующие методы и средства автоматизированного проектирования и отладки функционирования систем повышенной сложности пока не в силах одновременно охватывать массивы информационных данных и обеспечивать оптимальное многоуровневое взаимодействие множества подчиненных сложных подсистем автоматизированного управления.

Создание судовых интегрированных систем автоматизированного управления требует принципиально новых подходов к процессам автоматизированного проектирования автоматизированных систем и комплексной отладки их функционирования.

Анализ публикаций, отраженных в работах [16-22; 26; 33; 36; 48;49; 56; 79; 92; 104; 106, 109] и в ряде работ других зарубежных авторов показывает, что в настоящее время интенсивное развитие получают исследования, направленные на совершенствования процессов создания управляющих информационных систем путем применения объектно-ориентированных методов проектирования, которые позволяют учитывать особенности объектов автоматизации сложных технических систем с использованием структуризации и межсистемного взаимодействия их элементов.

Объектно-ориентированное проектирование и чисто компьютерная отладка алгоритмов функционирования интегрированных систем автоматизированного управления судовыми транспортно-технологическими и энергетическими процессами предоставляет возможность минимизировать или полностью отказаться от этапа имитационных стендовых испытаний, где требуется применение натурных имитаторов, характеризующих оборудование управляемых объектов, операторские посты, возмущающие дестабилизирующие воздействия, средства автоматизации управления и контроля.

Ставится задача исследования в области объектно-ориентированного информационного обеспечения проектирования сложных систем, с соответствующей инструментальной поддержкой процессов проектирования.

Решение поставленной задачи направлено на передачу процессов проектирования и отладки алгоритмов функционирования сложных систем управления в руки специалиста предметной области. Для этого проектант системы управления должен быть вооружен объектно-ориентированной методологией информационного обеспечения процессов проектирования и соответствующим компьютерным инструментарием, что позволяет свести к минимуму участие программиста в предметно-ориентированных процессах проектирования и комплексной отладки систем управления.

Внедрение в практику новых подходов, основанных на применении современных объектно-ориентированных информационных технологий, повышает эффективность, сокращает трудозатраты и сроки проектирования, связанные с предпроектными исследованиями, проектированием и комплексной отладкой алгоритмов функционирования сложных систем, реализуемых схемотехническими и программно-аппаратными средствами автоматизации.

Однако развитию объектно-ориентированных методов проектирования сложных технических систем пока не уделяется должного внимания.

Поэтому разработка методологии объектно-ориентированного проектирования систем управления на основе системного подхода к использованию информационных компьютерных технологий, в особенности для систем управления судовыми техническими средствами, является крупной научной и актуальной проблемой, способствующей развитию флота.

Научная проблема состоит в развитии методологии информационного обеспечения проектирования систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами и создании объектно-ориентированного инструментария для проведения предпроектных исследований, проектирования и комплексной отладки алгоритмов функционирования систем управления путем компьютерного моделирования и отладки технических, технологических и информационных решений.

В основу процесса исследований и решения сформулированных задач положены методы системного анализа процессов проектирования судовых систем автоматического и автоматизированного управления, методы и теория информационных систем, теории алгоритмов, методы компьютерного моделирования и программирования. При выполнении работы использован математический аппарат дифференциальных уравнений, дискретной математики, теории автоматического регулирования и управления, эффективности, искусственного интеллекта и системного анализа.

Методологические положения и алгоритмические основы информационного обеспечения и инструментальной поддержки процессов автоматизированного проектирования судовых систем автоматизированного управления энергетическими процессами рассматриваются в качестве предмета исследования, который целиком определяет содержание объектов исследований.

В качестве объектов исследований рассмотрены вопросы информационного обеспечения проектирования систем управления судовыми транспортно-технологическими и энергетическими процессами, систем управления судовыми энергетическими комплексами и их агрегатами, а также методы описания систем, их проектирования и совершенствования.

В составе судовых транспортно-технологических и энергетических средств управления энергетическими процессами определяющая роль отводится общесудовому пропульсивно-энергетическому комплексу, содержащему главную пропульсивную установку, электроэнергетические установки судовой электростанции, вспомогательные механизмы, подруливающие устройства, котлы и др. энергетическое оборудование, качественное функционирование которого характеризует техйико-эксплуатационную эффективность судна в целом.

Основными источниками энергии, решающим образом влияющими на качество и эффективность судовых транспортно-технологических и энергетических процессов, являются главная дизельная пропульсивная и дизель-генераторные энергетические установки.

Дизели энергетических установок относятся к числу наиболее массовых, исчисляемых миллионами, устройств преобразования потенциальной энергии топлива в полезную работу. В общемировом балансе преобразователей энергии класс дизельных машин рассматривается как наиболее энергоемкий. Производство дизельных машин и их повсеместная эксплуатация сопряжены с привлечением огромной массы мировых природных ресурсов и финансовых вложений. Поэтому вопросам совершенствования и повышения эффективного использования дизелей, в том числе в составе судовых энергетических установок (СЭУ), должно уделяться особое внимание.

В своем классе дизельные машины могут быть подразделены на две основные группы - транспортную и технологическую.

К первой группе относятся мобильные дизельные машины транспортного назначения большой и малой мощности. В их число входят суда с дизельными пропульсивными установками, тепловозы с дизельными энергосиловыми установками, дизельные грузовые автомобили и автобусы, карьерные самосвалы, универсально-пропашные и промышленные тракторы, сельскохозяйственные машины и комбайны, строительно-дорожные, погрузочные и подъемные машины и т.д.

Во вторую группу дизельных машин технологического назначения входят стационарные дизельные энергетические установки большой и малой мощности, в том числе судовые и береговые дизель-генераторные электроэнергетические и перекачивающие установки.

В зависимости от организации внутрисудового технологического процесса, дизель-генераторные установки используются в качестве электроэнергетических источников судовой электростанции, обеспечивающей электроснабжение судна и его оборудования, в том числе электроснабжение для судов с электродвижением.

Эффективность выходных показателей СЭУ в первую очередь обусловлена показателями эффективности и экономичности дизеля. Поэтому, при всем многообразии применяемых дизелей, не зависимо от их типа, мощности, назначения и др., стоят одни и те же проблемы, связанные с повышением показателей их эффективности и экономичности.

Работы по решению проблемы повышения эффективности преобразования энергии топлива в полезную работу ведутся в двух основных направлениях.

Первое направление связано с повышением эффективности преобразования топлива при переменных скоростных и нагрузочных режимах энергетических установок, обусловленных характером управляющих и возмущающих воздействий в процессе эксплуатации. При этом выходные статические и динамические показатели качества регулирования энергетической установки, работающей в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, ее экономичность и производительность, в первую очередь, обусловлены устойчивостью и качеством регулирования частоты вращения дизеля. Однако по своей природе дизель является малоустойчивым объектом регулирования. Поэтому, при повышенных требованиях к приемистости и эксплуатационной экономичности дизеля, необходимо применение в его составе высококачественной системы управления дозированием топлива, построенной на базе быстродействующей САР частоты вращения дизеля.

Второе направление связано с совершенствованием рабочего цикла дизеля, обусловленного процессами нагнетания, впрыска, смесеобразования и сгорания топлива в цилиндрах дизеля. Неустановившиеся режимы работы дизеля нарушают процессы преобразования энергии топлива, в результате чего ухудшаются показатели эксплуатационной экономичности дизеля, его теплонапряженности, и дымности отработавших газов. Поэтому при повышенных требованиях к качеству управления опережением впрыска, повышающему эксплуатационную экономичность дизеля, необходимо применение в его составе гибкой быстродействующей системы управления началом подачи топлива.

Оба направления, связанные с динамическими преобразованиями энергии топлива в работу дизеля, могут быть реализованы путем оптимального управления дозированием и опережением впрыска топлива в его цилиндры. В этом случае судовой машинно-энергетический комплекс, оснащенный главной дизельной пропульсивной и дизель-генераторными электроэнергетическими установками, должен рассматриваться как сложный объект управления.

Несмотря на интенсивное развитие техники, для подавляющего большинства дизелей существующие системы управления дозированием и опережением впрыска топлива до сих пор базируются на применении центробежных регуляторов частоты вращения с фиксированными настройками ограничений подачи топлива. При этом опережение впрыска топлива в рамках рабочего цикла дизеля обеспечивается силовыми механическими средствами в виде кулачков и других конструктивных узлов с фиксированными настройками, изначально устанавливаемыми на специализированных регулировочных стендах.

Модернизация существующих регуляторов путем их оснащения множеством электроприводных, гидравлических и пневматических управляющих устройств значительно переусложняет конструкции, что резко снижает потенциальные возможности повышения технического уровня дизельных энергетических установок в целом.

Радикальным путем совершенствования САУ дизелем является перевод дизелей на электронные системы регулирования и управления.

Несмотря на трудности электронизации дизелей и, осознавая важность электронного управления дизелями, все ведущие дизелестроительные фирмы более полувека интенсивно работают над созданием электронных систем управления подачей топлива, которые в конечном итоге существенно повышают показатели эффективности дизельных энергетических установок.

К одной из главных причин замедленной электронизации дизелей следует отнести то, что при существующей несовместимости стыка между управляющей электроникой и силовой механикой дизеля, пока еще не найдены достаточно простые и универсальные технические решения, которые создали бы реальные предпосылки к организации высокоунифицированного производства электронных систем управления подачей топлива для дизелей любого типа, мощности и назначения, в том числе.для мощных судовых дизелей.

Однако наличие новых технических решений, в том числе предложенных автором, по реализации электронных систем управления подачей топлива значительно усложняет построение и отладку интегрированных систем автоматизированного управления судовыми энергетическими комплексами, что в еще большей мере обостряет актуальность разработки методологии информационного обеспечения проектирования систем управления судовыми транспортно-технологическими и энергетическими процессами.

Цель диссертационного исследования состоит в повышении эффективности процесса разработок и качества информационного обеспечения процессов проектирования систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами на базе формального аппарата описания архитектуры судового машинно-энергетического комплекса и его агрегатов, основанного на концепции объектно-ориентированных подходов к исследованием и методам проектирования с применением для анализа и синтеза локальных и интегрированных информационных систем специально созданного объектно-ориентированного программного инструментария.

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующего уровня автоматизации управления судовыми техническими средствами; разработка модельных представлений о средствах автоматизации судна, критериях их эффективности, показателях качества управления судовыми устройствами и оборудованием.

2. Развитие объектно-ориентированных подходов к информационному обеспечению процессов проектирования и построению информационных моделей систем автоматизированного управления на основе их реализации в виде многопотоковых информационных систем локальной и сетевой структуры.

3. Разработка объектно-ориентированной модели системного модуля системы автоматизированного управления СЭУ и СТС, рассматриваемого в виде декомпозиционной совокупности объектного, субъектного и передаточного модулей системы.

4. Создание и апробация созданного объектно-ориентированного программного инструментария для компьютерного моделирования и функциональной отладки сложных систем управления.

5. Реализация методологического и программно-инструментального обеспечения при разработке информационных моделей судовых систем автоматизированного управления повышенной сложности, в том числе систем управления главными СЭУ, дизель-генераторными СЭУ, судном в целом, системы контроля безопасности судна и др.

6. Выбор, обоснование и разработка комплекса схемных и технических решений по совершенствованию систем управления судовыми энергетическими процессами, в частности, с применением нового типа электронной системы комбинированного управления подачей топлива в составе судового дизеля.

6.5. Выводы по главе 6.

1. Рассмотрены особенности ограниченного применения электронных систем управления дозированием топлива дизеля. Выявлены причины, сдерживающие создание САР частоты вращения дизелей с электронными регуляторами, основанных на традиционных принципах построения.

Анализ показывает, что принцип регулирования частоты вращения дизеля с электронным регулятором традиционного типа, оснащенным пропорциональным электроприводом знакопеременного направления движения якоря, приводит к так называемому "энергетическому тупику". Несовершенство измерителя частоты вращения дизеля заключается в том, что задержка обработки сигнала измерения приводит к значительному отклонению частоты вращения дизеля относительно заданного значения, а низкая надежность может привести дизель к так называемому "разносу". Используемые для измерения положения рейки ТНВД индуктивные или вихретоковые датчики, вырабатывают аналоговый сигнал с существенной нелинейностью и погрешностью измерения.

В особенности остро стоит проблема применения электронных регуляторов в судовых дизелях средней и большой мощности, где требуется применение ЭРЧВ непрямого действия, в котором шток пропорционального электромагнита связан золотником гидравлического сервоусилителя, что требует создания особо сложной конструкции регулятора и создает дополнительные проблемы по обеспечению устойчивости и качества САР ЧВ дизеля.

2. Научно обосновано применение электронного регулятора нового типа на базе дифференциального измерительно-исполнительного механизма (ЭДРЧВ) с электродвигателем одностороннего направления вращения, реализованное на уровне изобретений и патентов. Помимо судостроения, регулятор обладает универсальными возможностями применения в дизелях любых отраслей народного хозяйства.

В отличие от известных, данный тип электронного регулятора является регулятором чисто прямого действия и для применения в судовых дизелях средней и большой мощности не требует какого-либо гидравлического сервопривода. Для обеспечения требуемых показателей качества регулирования частоты, вращения дизеля, соотношение мощностей электродвигателя и дизеля должно составлять порядка 1:10000.

Разработан новый принцип цифрового измерения положения рейки ТНВД, характеризующего нагрузку дизеля, основанный на синхронности срабатывания магнито-импульсных датчиков от вращающихся входных валов дифференциала.

3. Выполнен анализ направлений развития электронных систем управления опережением впрыска топлива и особенностей, сдерживающих их практическую реализацию. Анализ работ, направленных на создание электронных систем управления опережением впрыска показывает, что новые германские и японские разработки, ориентированные на применение в дизелях двухреечных ТНВД с трехэлементными топливными узлами, представляются наиболее перспективными. Однако конструкции трехэлементных топливных узлов зарубежных фирм имеют сложную конструкцию и повышенные габариты ТНВД.

4. На основании выполненного анализа, проведенных исследований и испытаний, научно обоснованы и разработаны новые конструктивные решения на уровне изобретений и патентов, направленные на применение в дизелях электронной системы комбинированного управления подачей топлива на базе двухреечного ТНВД. Электронная система комбинированного управления подачей топлива имеет универсальные возможности применения в энергетических установках дизельных машин нового поколения любой мощности и назначения с повышенными технико-экономическими и экологическими показателями их технического уровня.

5. Разработана математическая модель САР ЧВ дизеля с ЭДРЧВ дизель-генераторной энергетической установки, используемая для проектирования ее информационной модели. Применение информационных моделей САР ЧВ дизеля с ЭДРЧВ и электронной системы управления опережением впрыска топлива предоставляет возможность, за счет применения объектно-ориентированной методологии, проектировать информационные модели электронно-управляемых дизельных энергетических установок с комбинированным управлением подачей топлива и выполнять комплексную отладку сложных алгоритмов управления и функционирования оборудования, входящего в состав интегрированных систем управления судовыми энергетическими процессами.

Заключение

Анализ существующих методов и способов совершенствования информационного обеспечения процессов проектирования и модернизации систем управления судовыми энергетическими процессами, показывает, что существуют значительные резервы повышения эффективности и качества процессов проектирования судовых технических средств за счет внедрения системных, ресурсосберегающих и информационных компьютерных технологий как в процессе проектирования систем управления с учетом уровня информационного обеспечения, технологии проектирования, технической элементной базы, так и в процессе эксплуатации с учетом внешних и внутренних воздействий на проектируемые системы.

Исходя из сказанного, в работе сформулирована и решена научно-техническая проблема, имеющая важное научно-техническое и народнохозяйственное значение, заключающаяся в практической реализации методологического и информационного сопровождения процессов проектирования интегрированных систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами на основе объектно-ориентированных подходов.

Решение проблемы в рамках данного научного направления позволило определить цели исследований диссертационной работы. В соответствии с ними создана и реализована методология информационного обеспечения процессов проектирования систем управления судовыми энергетическими установками и судовыми техническими средствами на основе специально созданного объектно-ориентированного инструментария, предназначенного для предпроектных исследований, проектирования, компьютерного моделирования и функционального программирования систем управления с комплексной отладкой алгоритмической части программного обеспечения, реализуемого судовыми средствами автоматизации.

Научные результаты, полученные в работе, представляют комплекс научных информационных и технических решений на базе новых информационных технологий по проектированию интегрированных систем автоматизированного управления общесудовыми энергетическими процессами на основе системного и объектно-ориентированного подхода к их алгоритмической структуризации, реализация которых обеспечивает существенное повышение технического уровня проектируемых судов и представляет собой крупный научный вклад в развитие научно-технического прогресса.

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы следующие.

1. Проведены исследования и выполнен анализ существующего уровня автоматизации судовых энергетических средств, которые позволили структурировать процессы проектирования систем управления общесудовыми энергетическими процессами, с обоснованием необходимости создания и внедрения гибких систем электронного управления дизелем, обеспечивающих существенное повышение показателей технического уровня главных пропульсивных и дизель-генераторных СЭУ и судна в целом.

2. Определены направления работ, связанные с реализацией интегрированной системы автоматизированного управления общесудовыми энергетическими процессами на базе систем электронного управления дизельными СЭУ, обеспечивающих их оптимальное взаимодействие с сопрягаемыми подсистемами дизеля (с системами воздухоснабжения и охлаждения, с топливной системой, с системами пуска, прогрева, разгона, АПС и защиты дизеля), а также оптимальное взаимодействие электронно-управляемого дизеля с движителем главной пропульсивной установки (ВРШ, реверс-редуктором, гребным электроприводом и др.) или с электрической частью дизель-генераторной СЭУ.

3. Обоснована необходимость системного подхода к созданию интегрированных систем автоматизированного управления СЭУ, рассматриваемых как сложные человеко-машинные комплексы, требующие в процессе проектирования комплексной отладки их функционирования путем проведения большого числа испытаний. При системном подходе, при наличии обоснованных математических моделей и требуемого информационного обеспечения, процессы проектирования, испытаний и комплексной отладки интегрированных систем управления СЭУ могут быть выполнены на модельном уровне с использованием для этих целей соответствующей методологии и компьютерного инструментария.

4. В развитие объектно-ориентированных подходов к информационному обеспечению процессов проектирования, обоснованы методы проектирования судовых интегрированных систем управления, которые опираются на принципы объектно-ориентированного построения сложных систем в виде структур классов и объектов. Система взаимосвязанных и взаимодействующих между собой структурных элементов, ограниченная рамками выделенной информационной области и объединенная общей целью, в своей совокупности рассматривается как информационная модель проектируемой системы управления.

5. Сформирована иерархическая структура системы управления дизельными СЭУ, учитывающая особенности применения и построения их информационных моделей, отражающая состав функциональных блоков СЭУ и их межэлементных связей.

6. Разработан новый способ представления информации в виде системного модуля информационной модели, представляющего декомпозиционную совокупность трех основополагающих структурных модулей в виде источника, характеризующего субъект воздействия, приемника, характеризующего объект воздействия и передатчика, рассматриваемого в качестве средства взаимодействия между субъектом и объектом. На верхнем уровне абстракции данные структурные элементы судовых систем управления могут быть представлены в виде информационных модулей, характеризующих соответственно функции операторского поста управления, управляемого оборудования и средств автоматизации процесса управления.

7. Исходя из задач по практической реализации объектно-ориентированной методологии проектирования, обоснован выбор средств и методов описания синтеза и анализа информационных моделей, способный охарактеризовать и отобразить во времени преобразования свойств любого функционального оператора.

8. Обоснованы принципы построения информационных моделей объектных, субъектных и передаточных модулей систем управления, их структурирования и объединения в виде сложных функциональных операторов, охваченных межсистемными информационными связями. Описаны методы анализа математических и логических операций, положенные в основу объединенного аппарата динамических информационных преобразований структурированных блок-схем передаточных функций.

9. Обосновано применение нового метода записи алгоритмов функционировании проектируемых информационных моделей систем управления локальной и сетевой структуры с возможностью описания математических и логических операций в виде последовательного и параллельного формирования информационных потоков.

10. Обоснован объем исходной информации, требуемой для проектирования судовых САУ и их модельной отладки. Выявленные закономерности интегрированы в теоретические положения, определяющие применение методологии информационного обеспечения процессов проектирования систем управления в виде формального аппарата описания их информационных моделей как с позиций организации процессов проектирования систем управления, так и с позиций модельных представлений об их функционировании.

11. Обоснован комплекс требований, предъявленных к разработке программно-инструментального обеспечения процессов проектирования и компьютерного моделирования сложных систем. Выделены основные особенности, положенные в основу разработки требований к созданию объектно-ориентированного программного инструментария для проектирования информационных моделей систем управления.

12. С учетом задач информационного обеспечения и инструментальной поддержки процессов проектирования сложных систем управления, специально создана и апробирована универсальная объектно-ориентированная инструментальная программа "Our-CAD", предназначенная для предпроектных исследований, автоматизированного проектирования, компьютерного моделирования в масштабе реального времени и комплексной отладки сложных информационных систем управления локальной и сетевой структуры. Компьютерный инструментарий предоставляет возможность минимизировать или полностью отказаться от имитационных стендовых испытаний, требующих применения натурных имитаторов управляемых объектов, операторских пультов, имитаторов дестабилизирующих воздействий и отказов.

13. Разработана новая технология информационного обеспечения процессов проектирования информационных моделей систем автоматизированного управления, основанная на компьютерном моделировании многопотоковых информационных данных, позволяющая:

- формировать информационные данные в терминах предметной иерархии и разрабатывать спецификации информационных моделей, основанные на объектно-ориентированных представлениях о проектируемых системах;

- выполнять компьютерное моделирование (макетирование) проектируемых систем управления энергетическими и транспортно-технологическими процессами с учетом выбранных концепций и топологических данных.

14. Показаны особенности качественно новой технологии проектирования алгоритмической части прикладного программного обеспечения систем управления, реализуемого программно-аппаратными средствами автоматизации. Проектирование выполняется на функциональном уровне специалистом предметной области, способным выполнить анализ и оценить адекватность предмета проектирования на выбранном уровне детализации.

15. Технология функционального проектирования, анализа и комплексной отладки систем управления в гибкой инструментальной среде "Our-CAD" может использоваться для создания САПР повышенной сложности в различных предметно-ориентированных направлениях проектирования и рассматриваться как универсальная технология визуального программирования алгоритмов функционирования конкретных систем управления. При этом отсутствует необходимость привлечения программистов для проектирования алгоритмической части программного обеспечения средств автоматизации.

16. Подтверждена работоспособность методологии на базе созданного объектно-ориентированного инструментального обеспечения, апробированная в процессе разработки судовых систем управления энергетическими процессами, в том числе САР ЧВ дизель-генераторной установки, системы ДАУ ГД в составе пропульсивно-энергетического комплекса, системы управления динамическим позиционированием судна, общесудовой экспертной системы контроля безопасности судна и др.

17. Разработан комплекс информационных, технических, конструктивных и технологических решений по повышению показателей технического уровня дизельных СЭУ за счет применения в составе судового пропульсивно-энергетического комплекса принципиально нового типа систем электронного управления дозированием и опережением впрыска топлива, отличающихся научной и схемной новизной на уровне изобретений и патентов.

18. Полученные в диссертационной работе результаты подтверждают практическую реализуемость и целесообразность широкого применения системной методологии, направленной на совершенствование информационного обеспечения процессов проектирования судовых систем автоматизированного управления для различного рода сложных человеко-машинных информационно-управляющих энергетических и транспортно-технологических комплексов.

Помимо проведения научно-исследовательских и проектных опытно-конструкторских работ, практические результаты диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе.

1. Автоматизация судовых энергетических установок и систем / Андерзен В.А., Гольдберг М.Э., Городущенко В Н., Уваров Ю.Н.: Учебник 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Судостроение, 1993,- 278 е.: ил.

2. Автоматизация судовых энергетических установок : Справочное пособие : Под ред. Нелепина Р.А. JI. : Судостроение, 1975, - 536 с.

3. Автоматизированное управление судовыми дизелями. М.: Транспорт, 1980,-136 с.

4. Агафонов Н.П., Верлатый Н.И., Голиков В.А. и др. Судовые микропроцессорные управляющие системы: Учеб. пособие для вузов. -М.: Транспорт, 1994. 136 с.

5. Алексеев Н.А., Ушаков В. М. Эксплуатация судовых микропроцессорных систем. Учебное пособие : М.: Транспорт. - 1994. - 209 е., ил.

6. Антонюк Б.Д. Информационные системы в управлении : М.: Радио и связь, 1986. - 240 с : ил.

7. Баранов А.П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы. Учебник для вузов. М.: Транспорт. - 1989. - 157 с.

8. Белый О.В., Копанев А.А., Попов С.А. Системология и информационные системы. /СПб., СПГУВК, 1999 г.

9. Белый О.В., Попов С.А., Францев Р.Э. Транспортные сети России (системный анализ, управление, перспективы). Монография, СПб, СПГУВК, 1999 г. 147с.

10. Белый О.В., Сазонов А.Е. Информационные системы технических средств транспорта. Учебное издание. СПб.: "Элмор", 2001. - 192 с.

11. Белый О.В., Сазонов А.Е. Разработка концепции автоматизации управления технологическими процессами судна. ВИНИТИ, 1991. М.

12. Березин С.А., Тетюев Б.А. Системы автоматического управления движением судна по курсу. JI.: Судостроение. - 1990. - 256 е.: ил.

13. Большаков В.Ф., Решетников И.П., Яковенко В.Г. Рациональное использование природных ресурсов на морском транспорте. М.: Транспорт. - 1992. - 256 с.

14. Бондаренко В.В., Мельник Г.В., Руденко А.Н. Электронные системы регулирования ДВС за рубежом: Обзор. М.: ЦНИИТЭИ тяжмаш, 1988,- 28 е., ил. (Двигатели внутреннего сгорания. Сер. 4. Вып. 3).- Библиогр.: 14 назв.

15. Брукс Фредерик. Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы: Пер. с англ. - СПб.: Символ-Плюс, 1999, - 304с.

16. Бурков В Н., Новиков Д.А. Как управлять проектами: Научно-практическое издание. Серия "Информатизация России на пороге XXI века". ИПУ РАН М.: СИНТЕГ - ГЕО, 1997. - 188 с.

17. Буч. Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд. / Пер. с англ. М.: "Издательство Бином", СПб.: "Невский диалект", 1999. - 560 е., ил.

18. Вертю Ж., Куафе Ф. Телеуправление роботами с помощью ЭВМ : Пер. с франц. М. : Мир, 1989. - 198 е., ил.

19. Винер Н. Кибернетика или управление и связь в живом и машине (2-е издание). /М., 1968.

20. Волков В В., Мешков С.А., Норов А.Т. Основные принципы объектно-ориентированного подхода в САШ IP, / Первая Международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям. Материалы конференции. Моринтех, СПб, 1995.

21. Волков В.В., Мешков С.А., Норов А.Т. Реализация принципов объектно-ориентированного подхода в САИПР, / Первая Международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям. Материалы конференции. Моринтех, СПб, 1995.

22. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления : 2 изд. М.: Энергия, 1980, 312 с.

23. Гайкович А.И., Родионов В.В. Подход к проектированию корабля с позиций теории иерархических многоуровневых систем, / Первая Международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям. Материалы конференции. Моринтех, СПб, 1995.

24. Горб С.И. Моделирование судовых дизельных установок и систем управления: Учеб. пособие для вузов. М.: Транспорт. - 1993. - 134 с.

25. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления. /Л., "Энергоиздат", 1982.

26. Жадобин Н.Е., Крылов А.П., Малышев В.А. Элементы и функциональные устройства судовой автоматики. Учебник, 2-е издание, перераб: и дополн., СПб.: Эльмор, 1998, 440 с.

27. Захаров Б.Н., Шмелев А.В. Наблюдение за постройкой, испытания и приемка судов : Справочник. Л.: Судостроение, 1991. - 512 е.: ил.

28. Захаров И.Г., Дорофеев В.И. Современное состояние теории проектирования кораблей военно-морского флота, / Первая Международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям. Материалы конференции. Моринтех, СПб, 1995.

29. Искусственный интеллект. В 3-х кн. Кн. 1. Системы общения и экспертные системы: Справочник /Под ред. Э.В. Попова. - М.: Радио и связь, 1990. - 464 е.: ил.

30. Искусственный интеллект. В 3-х кн. Кн. 2. Модели и методы: Справочник /Под ред. Э.В. Попова. - М.: Радио и связь, 1990. - 464 е.: ил.

31. Исследование методов контроля технических средств судов и разработка методов моделирования на ЦВМ алгоритмов контроля и диагностики. : Отчет ЛВИМУ им. адм. С.О. Макарова, 1970г., тема №433, Гос. per.69036559.33.