автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Модели и алгоритмы оптимизации и совершенствования процессов автоматизации судовых энергетических комплексов

'к1

На правах рукописи

ТАРАНИН Александр Геннадьевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АВТОМАТИЗАЦИИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.13.06 —«Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

Санкт-Петербург 2013

005543921

005543921

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Андрианов Евгений Николаевич. Официальные оппоненты :

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГУП «Крыловский Государственный научный центр» Мясников Юрий Николаевич.

Кандидат технических наук, доцент, зам. зав. кафедрой «Менеджмента и систем качества» ФГБОУ ВПО «Санкт - Петербургский Государственный электротехнический университет» Вирьннскнй Залман Яковлевич.

Ведущая организация:

ОАО НПФ «Меридиан», 19719В,С-Петербург,ул. Блохина, дом 19

Защита состоится «19» декабря 2013 г. вКнас. на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 на базе Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова .

Автореферат разослан «18» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат техничес доцент

Е. Г. Барщевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Оптимизация и совершенствование процессов автоматизации судовых энергетических комплексов является механизмом кардинального повышения энергетической эффективности судов, являющейся одной из важнейших проблем на морском и речном флоте. Фундаментальные положения энергоэффектавности и энергоаудита на водном транспорте определяются совокупностью требований национального и международного законодательств, предъявляемых к энергоэффективетости всех судов и предприятий судоходной отрасли. Законодательным документом в России является Федеральный закон об энергосбережении № 261-ФЗ, принятый в 2009 г; закон подлежит выполнению всеми российскими судовладельцами. Международные стандарты и требования в области энергоэффективности нашли отражение в правилах Конвенции МАРПОЛ. Согласно правилам, введено требование по наличию на борту и использованию плана управления энергетической эффективностью судна (ПУЭС). В приложении VI к международной конвенции МАРПОЛ определены "Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов", содержатся требования, ограничивающие выбросы >Юх, летучих органических соединений путем

совершенствования управления энергоэффективностью и введения ПУЭС.

Актуальность диссертационных исследований состоит в том, что для решения комплекса задач, направленных на автоматизацию процессов повышения энергоэффективности судовых энергет!гческих комплексов, научно обоснованы и предложены модели, алгоритмы и программные средства, позволяющие на качественно новом уровне использовать резервы топливоиспользования на судах; определены наиболее важные пути автоматизации снижения расходов на содержание судна за счет топливной составляющей при обеспечении в каждом рейсе режимов, отвечающих требованиям, установленным коэффициентом энергоэффективности, согласно судовому паспорту.

Цель работы

Разработка математических моделей и алгоритмов оптимизации энергоемких технологических процессов на судах по критерию энергосбережения, с целью оптимизации и совершенствования использования топлива на судах путем реализации энергосберегающих технологий.

Достоверность результатов и методы исследования:

Достоверность результатов обеспечивается корректной постановкой задач и обоснованным применением фундаментальных положений теории управления и автоматизации технологических процессов, математического моделирования; моделей структурной диагностики, теории идентификации и параметрической оценки; общей теории систем; системного анализа и исследования операций, применением математического программирования с соблюдением синтаксиса функций используемой вычислительной среды. В работе применены численные методы обработки эксперимента и

параметрической оценки технологических операций элементов

судовых энергетических комплексов; способы построения алгоритмов и машинных программ, организации и проведения вычислительного эксперимента, методы оптимизации в классе энергосберегающих технологий. Научная новизна результатов исследований содержится в следующих основных положениях:

1. В моделях, алгоритмах оптимизации и совершенствования процессов автоматизации использования топлива на судах с дизельными энергетическими установками, в способах поиска оптимальных решений по экономии топлива, новизна которых состоит в создании механизма, обеспечивающего получение энергоэффективных решений при управлении судовыми энергетическими комплексами в условиях аддитивных и мультипликативных внешних возмущений.

2. В модели и генетическом алгоритме оптимизации технологических режимов судового энергетического комплекса с учетом изменения ситуации в рейсе; в способе определения экономичных режимов выполнения транспортной работы путем рационального использования резерва ходового времени до порта назначения, отличающихся обеспечением высокой скорости сходимости вычислительных процедур оптимизации, свойственной генетическим процессам принятия эффективных решений для критериев качества сложной формы .

3. В модели совершенствования процессов автоматизации судовых дизелей с многотопливными системами и алгоритме расчета экономичных режимов потребления топлива в энергетических системах с двигателями, оборудованными двухтопливными системами, позволяющих оперативно выполнять отладку судового комплекса и его настройку на наиболее экономичный режим при использовании различных сортов топлива и смесей.

4. В модели и алгоритме оценки влияния внешней среды на рабочие процессы СЭУ, с целью восстановления параметров расходных характеристик по измерениям расхода топлива в рабочей точке, образующих новую идентификационную систему совершенствования процессов автоматизации судовых энергетических комплексов.

5. В алгоритме энергоэффективного управления курсом судна, алгоритме оптимизации отладки элементов динамических систем с ПИД -регуляторами, а также в модели и алгоритме пассивного демпфирования колебаний динамических систем.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Разработанные автором модели и алгоритмы оптимизации и совершенствования процессов автоматизации использования топлива на судах с дизельными энергетическими установками и способы оценки оптимальных решений по экономии топлива.

2. Генетический вычислительный алгоритм оптимизации режимов топливоиспользования судовым энергетическим комплексом в рейсе; способ рационального использования резерва ходового времени до порта назначения для повышения энергоэффективности судна.

3. Модель оптимизации и совершенствования процессов автоматизации судовых дизелей с многотопливными системами и алгоритм расчета экономичных режимов потребления топлива.

4. Модель и алгоритм оценки параметров влияния внешней среды на рабочие процессы СЭУ и их практическое использование.

5. Алгоритм энергоэффективного управления курсом судна с использованием матрицы Крылова.

6. Алгоритм оптимизации отладки элементов судовых динамических систем с ПИД -регуляторами.

Практическая ценность работы состоит:

1. В создании моделей, алгоритмов и программных средств, предназначенных для решения практических задач энергоэффективного управления и повышения топливной экономичности судовых энергетиче-ских комплексов.

2. В разработке способа параметрической настройки ПИД — регуляторов частоты вращения судовых дизелей средствами MatLAB, алгоритма энергоэффективного управления курсом судна, алгоритма оптимизации отладки элементов динамических систем и их применении для обучения судовых команд на автоматизированных тренажерных комплексах.

3. В разработке методики совершенствования управления технологическими операциями и техническими средствами судовых автоматических систем, в

< которой используются разработанные модели и алгоритмы оптимизации судовых энергетических комплексов. Реализация научных результатов:

Основные положения диссертационной работы использованы в учебных пособиях диссертанта «Тренажерная подготовка вахтенных механиков с использованием тренажера машинного отделения», ч 1 и ч. 2, 2010г. (объемом 288с. и 308 е., соответственно), а также в учебном пособии автора «Безвахтенное обслуживание судовой энергетической установки», ч.1, 244с. и ч.2, 224с., 2011г. Пособия изданы на русском и английском языках и внедрены в учебный процесс в ФГОУ ВПО «Морской государственный университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Реализация научных результатов, выводов, предложений и рекомендаций подтверждается актами внедрения их практического использования, а также применением их в судоходных компаниях «BUM! Shipmanagement», «Columbia Shipmanagement» и международной ремонтной компании «Goltens».

Апробация работы:

Основные результаты диссертационных исследований докладывались на Ежегодных научно — технических конференциях профессорско — преподавательского состава и научных сотрудников ФГОУ ВПО «Морская Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова» в 2008, 2010 и 2011 годах, а также на Международной научно-технической конференции «Надежность машин», г. Орел, ГАУ, 2004г.

Публикации. Основные положения диссертационных исследований опубликованы в 21 печатных работах автора, приведенных в

библиографическом списке. В перечне трудов содержатся 4 работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка, списка опубликованных источников, содержащего 97 наименований, и приложения к диссертации. Объем диссертации - страниц, в работе -рисунков и таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, выполнен обзор публикаций и технических решений, посвященных разработке алгоритмов оптимизации и совершенствования энергосбережения. Сформулированы основные задачи исследований, в основу которых положены требования национального и международного законодательств, фундаментальные положения которых определяют комплекс наиболее важных направлений повышения энергоэффективности судовых автоматизированных систем и энергетических комплексов.

В первом разделе рассмотрены модели и алгоритмы оптимизации использования топлива на судах с дизельными энергетическими установками.

Показало, что для эффективной реализации фундаментальных положений повышения энергоэффективности объектов водного транспорта необходимы новые алгоритмы и модели, обеспечивающий оптимизацию технологических решений по выбору экономичных режимов работы энергетических комплексов в различных условиях эксплуатации. Выбор класса моделей и синтез систем, реализующих энергосберегающие технологии на судах, связан с различными особенностями решений, определяемых условиями эксплуатации судовых энергетических комплексов - крупных потребителей топлива. Разработка модели и алгоритма оптимизации расхода топлива для группы параллельно работающих технологических объектов, выполнена при допущении, что расходные характеристики объектов могут быть аппроксимированы полиномиальными функциями и, в частности, квадратичными полиномами. В этом случае для выбора оптимальных по расходу топлива режимов возможно применение инкрементальных характеристик. Использование инкрементальных характеристик для группы квадратичных полиномов позволяет привести нелинейную задачу оптимизации к линейной и использовать для ее решения методы и алгоритмы линейного программирования. В работе предложен алгоритм для численного решения оптимизационных задач данного класса.

Во многих практически встречающихся ситуациях для повышения эффективности использования топлива и энергии на судах целесообразно использовать алгоритмы оптимизации, базирующиеся на функциях квадратичного программирования среды Ма1ЬАВ. В работе предложен алгоритм расчета экономичных режимов работы судовых дизель -генераторных агрегатов (ДГА) с различными расходными характеристиками методом квадратичного программирования. Определены экономичные

режимы по критерию расхода топлива, необходимого для получения ] кВт-ч генерируемой в сеть электроэнергии.

В общем случае, для класса задач, где допустима аппроксимация расходных характеристик различными полиномиальными функциями, предложен сплайн — алгоритм. Универсальность сплайн - алгоритма распределения ресурсов состоит в том, что он инвариантен по отношению к видам ресурсов. Базирующийся на численных процедурах оптимизации, сплайн - алгоритм обеспечивает устойчивость вычислительного процесса. Согласно алгоритму, сначала определяется группа объектов автоматизации - судовых ДГА в единой сети, которые могут работать на различных сортах топлива. Затем реализуется операция сплайн - аппроксимации характеристик. Далее, на основе функций инструментариев Optimization Toolbox и Spline Toolbox среды MatLAB оптимизируется технологический режим по критерию минимальной стоимости генерируемой в сеть электроэнергии. При переводе агрегатов на определенный сорт топлива в вычислительный алгоритм вносится коррекция исходных данных без изменения его структуры. В рассматриваемом классе задач «ресурсом» является мощность p(t), потребляемая сетью в любой момент времени. «Ресурс» распределяется по «процессам» f](i), i=l,2,...,k, -дизель - генераторным агрегатам. Применение метода демонстрируется на численном примере оптимизации режимов работы пяти дизель - генераторных агрегатов (ДГА), работающих в параллель. Максимальная мощность, потребляемая сетью, вариируется от нуля до 350 кВт (см. рис 2).

Расходные характеристики ДГА

250

150

Э 100

[95,2 з0.5]_

[50 215] : t 5,220]

\ 1 [©5,1 »7.6 •;>.!■• T&S.1 • v-':, - S3]

з : / ¿¿к — ----- ------

ч | 2

10

30 40 50 60 Мощность ДГА, кВт

70

80

100

Рис.1. Зависимости стоимости электроэнергии ДГА от мощности На рис.1 введены обозначения номеров ДГА (1,2,3,4 и 5), а также указаны координаты (XI,У1) на правых границах рабочих точек расходных характеристик ДГА. На рис.2 приведены результаты расчетов оптимальной стоимости генерируемой мощности каждым ДГА (характеристики

1Л,Ь2,ЬЗ,Ь4 и Ь5, соответственно) при изменении мощности,

потребляемой сетью, а также оптимальные значения критерия качества I (сумма Ы, Ь2, ЬЗ, Ь4 и Ь5) на текущих режимах (с масштабным коэффициентом 0.25).

Видно, что при достижении каждым агрегатом предельно допустимой мощности, определяемой вектором Рмах=[50 65 95 75 65]т, соответствующие характеристики принимают положение, параллельное оси абсцисс.

Оптимальные характеристики при параллельной работе ДГА

Рис.2. Оптимизация распределения мощности ДГА по критерию минимальной стоимости электроэнергии

Второй раздел посвящен разработке алгоритмов диагностирования технологических операций и оценки параметров рабочего процесса главных двигателей судна (ГД) по индикаторным диаграммам. Рассмотрена процедура оптимизации отладки и совершенствования рабочего процесса судового дизеля как объекта автоматизации по измерениям эксплуатационных параметров путем сравнения измерений с результатами стендовых испытаний. Получена модель обработки индикаторных диаграмм и способ функционального диагностирования рабочего процесса судового дизеля. Способ применен для диагностирования технического состояния ГД во время рейсов на судне с главным двигателем MITSUI — B&W 6L80GFCA. ( Завод — изготовитель MITSUI Engineering and shipbuilding Co., LTD). Дедвейт нефтеналивного судна 66881 р.т. Построечная скорость судна в грузу 15,68 узла при номинальных оборотах вала двигателя nNOM = 97% от пМАХ = 102 об/мин. Эффективная эксплуатационная мощность двигателя 16180 л. с.

Для построения высокоточных моделей рабочих характеристик ГД предложен алгоритм, основанный на вейвлет - преобразованиях сигналов. Алгоритм применен для диагностирования рабочего процесса судового дизеля по эталонным моделям. Вейвлеты имеют вид коротких волновых пакетов, локализованных по оси независимой переменной, и способны как к сдвигу по этой оси, так и к масштабированию (сжатию, либо растяжению). Поскольку в спектре сигнала давления в цилиндре двигателя могут содержаться высокочастотные гармонические составляющие, недостаточно точно воспроизводимые при аппроксимации характеристик с помощью

0-i.1T.il

, , Г 1 1 1 ■ ; Согшр1еа : .■Э1ппа1 в1асе. ■ Г'**"...... 1 ...... ■ —

« XII!::::

1 М.....Щ/ м <

/ ! V -■—* 1 / 7 7 1 1 Ч.....,р1У |\_ _ 1 \ } \ 1 г I ч '-—" 1

I --—' I_-^ч-"_I 4......-У I .....~г" ь-------- г р;

Ш;„., о; : еоа^:/;.:;.ооог 1200,.1Г4оа(::еро:'.-^^'¡зод

Рис.3. Результаты диагностирования давления в цилиндре дизеля: эксперимент (верхний график) и вейвлет — аппроксимация (нижний график)

ортогональных полиномов и, в частности, рядов Фурье, для численной обработки таких сигналов предложен алгоритм вейвлет — анализа и программа для его реализации. Функциональное диагностирование изменения давления в цилиндре дизеля по эталонной вейвлет — модели выполнено с использованием вейвлетов Добоши. Задача диагностирования состояла в определении отклонения эксплуатационной характеристики от эталонной. На рис.3 представлены зависимости давления в цилиндре двигателя в функции от угла поворота коленчатого вала. На верхнем рисунке представлена исходная характеристика. На нижнем — характеристика с помехой, восстановленная с помощью вейвлет - алгоритма. Критерий диагностирования — максимум абсолютного значения вектора ошибки.

В разработанной программе, составленной в кодах Ма^АВ, предусмотрены графические построения коэффициентов вейвлет-декомпозиции сигнала

давления в цилиндре дизеля на нескольких уровнях. На рис.4 приведены графики коэффициентов для трехуровневого разложения.

Рис.4. Оценка аппроксимирующего коэффициента (АЗ) и детализирующих коэффициентов на трех уровнях (0/,Б2 и ОЗ)

В третьем разделе получены и исследованы математические модели и алгоритмы оценки влияния условий плавания и внешней среды на рабочие процессы элементов судового энергетического комплекса. Здесь характеристики «часовой расход топлива — скорость судна» представлены как инварианты модели пропульсивного комплекса.Так как часовой расход топлива в рейсе является функцией большого числа параметров, целесообразно иметь модель расходных характеристик, параметры которой можно оценить по измерениям в процессе движения судна методами функциональной диагностики. Модель должна обладать свойствами инвариантности, т.е. ее структура должна сохраняться для всего множества режимов в координатах «часовой расход топлива — скорость судна». Параметры же модели будут зависеть от конкретных условий плавания в конкретном рейсе. Именно с помощью элементов ситуационного управления возможно получить наибольший эффект экономии топлива на судах, поскольку вклад этой составляющей энергосбережения в решение всей проблемы энергоэффективности оценивается величиной, составляющей 30 и более процентов.

Базис модели образован с помощью нескольких характеристик, полученных в «идеальных» условиях: в период заводских испытаний, на мерных линиях, швартовных режимах и др. Характеристики, образующие

базис, представлены в терминах инвариантной модели с наполнением ее конкретными данными. Инвариантом служит математическое выражение (алгебраическое соотношение, условие связи) между входными и выходными величинами моделируемого объекта, которое однозначно выполняется в процессе функционирования объекта. Структура математического выражения не изменяется, но при воздействии различных возмущений изменяются численные значения параметров. В результате обеспечивается адекватность реального процесса и его модели во всем рабочем диапазоне функционирования объекта. Оценка параметров модели С = к - V

где: в - часовой расход топлива (кг/ч), V - скорость хода судна ( уз.), к -постоянный коэффициент соответствующей размерности, р - показатель степени, производится с помощью линейной регрессионной модели

= \а%к + р Ло^У (1)

Видно, что (1) по структуре содержит постоянный коэффициент а = \ogik), входную координату х - 1оэ V, выходную переменную у = 1ой О . Если учесть, что измерения й и V производятся на каждом квазистатическом режиме с погрешностью, то для г-го измерения можно записать:

у(0 = а + р-х(/) + £(/) (2)

где: £•(!) - ошибка измерения.

Предположим, что таких режимов будет т, а число экспериментальных точек, полученных на каждом режиме, равно п. Тогда, введя обозначения векторов х

и у мы получим: ?

>,(1) у, (2) ... >>,(«)'

у2( 1) у2( 2) ... У1{п)

*,(2)

х2 (л)

= Д™

У =

у Л")

(3)

Ь™0) У Л 2)

Аналоги'то для погрешности г. выражение в матричной форме будет иметь вид:

с, (и) е2(п)

е2(1) ег(2)

ЕЙ"

(4)

г„(1) ет(2) ... ет(п)} Уравнение (2), записанное в векторно-матричной форме для одного режима и п измерений будет иметь вид:

>,(1)" "1 *,(1)" 40)"

У, (2) 1 х,(2) а, + г, (2)

Р>.

1 х^п) Мп\

или при введении соответствующих обозначений >'] =Н1-уу1+е1

По существу, проблема восстановления зависимостей

\у =

Р1 Рг

(6)

_а„ рт

по эксперименту состоит в обеспечении наилучшей оценки IV при наличии шума, определяемого уравнением (4).

Сформируем матрицу У по следующему правилу: >,(1) у1 (2) ... у,(п) 0 0 ... О ... О 0 ... О О 0 ... О у2( 1) у2(2) ... Уг(п) ... О 0 ... О

У =

(7)

0 о ... О О О ... О ... ут( 1) ^„(2) ... ут{п) Для матрицы X используем следующую структуру, состоящую из блоков Я,':

Х = Шав{Н[,Н'г, ...,Нт) (8)

где знак «'» обозначает операцию транспонирования. Тогда наилучшая параметрическая оценка коэффициентов модели при различных условиях плавания определится по формуле:

И7 = (X• X )-1 -X • У . (9)

Зависимости (1) -ь (8) и оценка (9) используются для получения базисных (эталонных) моделей, с целью определения положения каждой рабочей точки на соответствующей расходной характеристике с известными параметрами. Положение рабочей точки на плоскости ставится в соответствие

определенной характеристике в функциональном пространстве, а сама характеристика является инвариантом для всех лежащих на ней точек. В результате все измерения расходов топлива и скорости судна в рейсе можно представить на множестве расходных характеристик, которые определяют влияние условий плавания на расход топлива. Каждое измерение оказывается «пригнанным» к соответствующей расходной характеристике. В работе предложена модель построения функционального пространства в терминах параметров «эталонных» характеристик. Построение функционального пространства выполнено по данным векторов к и р, из этих элементов образованы интерполяционные узлы для сплайн - аппроксимации и оценки коэффициентов полинома 3-ей степени, по которому определяются параметры расходной характеристики.

В четвертом разделе, с целью экономии топлива и повышения энергоэффективности судовых автоматизированных систем, разработаны алгоритмы совершенствования процессов автоматизации и оптимизации отладки элементов судовых энергетических комплексов. Выполнена параметрическая настройка ПИД — регуляторов частоты вращения судовых дизелей средствами МаЛАВ, произведена оценка регулировочных свойств системы управления частотой вращения ГД с валогенератором и регулятором типа Вудвард иС-40 , а также синтезирован ПИД — регулятор для управления данной системой. Объект моделирования - дизельная установка с валогенератором одновинтового сухогруза водоизмещением 30 тыс. т. с винтом фиксированного шага (ВФШ). Регулятор установлен на судовом

дизеле 9 ДКРН 80/160-4. Эффективная мощность дизеля 15886

кВт, частота вращения на номинальном режиме 122об./мин. Для моделирования использованы модели в форме дифференциальных уравнений.

Частота вращения вала дизеля при воздействии r(t)=1, Md(t)H Pg(t)

р 1.05

а §

i 1

е

1 f

? 0.95

10

15

1

_______________^ /г

Md(t) 0.5*ij>g(t)

/ :

0 5 10 15

t, с.

Рис.5. Изменение частоты вращения вала ГД в рабочем режиме при воздействии входных сигналов r(t), Md(t) и Pg(t) в системе с ПИД -регулятором

На рис.5 представлен рабочий режим системы регулирования частоты вращения дизеля с ПИД - регулятором под воздействием трех возмущений: r(t), Md(t) и Pg(t) (верхний рисунок). Здесь r(t) - задающий сигнал, Pg -мощность валогенератора, Md — момент на валу двигателя, изменяющиеся во времени (нижний рисунок). С помощью оптимизации отладки ПИД -регулятора значительно улучшены регулировочные свойства стационар-ной системы. Применение оператора stepinfo(w,t) для автоматизации оценки показателей переходного процесса в модели позволило установить при скачкообразном изменении сигнала управления:

Время нахождения реакции в активной области (RiseTime): 0.0297с.

Время переходного процесса (вхождения в 2% область ошибки): 0.0456с.

Нижняя граница (Yycr.): 0.9073.

Верхняя граница (YycT.): 1.0181.

Перерегулирование в %: 1.8773.

Отклонение от нижней границы (YycT.): 0.

Максимальная амплитуда (Peak): 1.0181.

Разработанный алгоритм управления курсом судна по критерию минимума энергии на перекладки руля, базируется на процедуре

апериодического управления с использованием матрицы Ляпунова, содержащейся в виде функции в среде МаЛАВ. При кусочно-постоянных сигналах управления системой с одним входом, амплитуда которых изменяется в моменты квантования решение при заданном векторе начальных условий Х(10) получено с помощью соотношения:

Х{(к)=?Г"Х{}а)-Кт.и, (10)

где Х(1%) - вектор состояния объекта в момент / л-, Кг - матрица Крылова, IV-матричный экспоненциал, I}— вектор кусочно - постоянных управлений размерности (Ых1) . Матрица Крылова полного ранга размерности (п хМ) имеет вид

И7""2 ••• IV1 IV"]. *Н , (11)

где и Н=(1- ем) А~' ■ В, д — шаг квантования, I — единичная (п х п) —

матрица. В формуле (11) знак (.*) означает выполнение операции поэлементного умножения на вектор-столбец Н.

Согласно (10), на шаге N при 8=1, т.е. в момент / = , вектор состояния Х(!ц) является функцией только вектора начальных условий Х(10) и управлений и=[и0,и1,---,и приложенных к системе в моменты

квантования. Для перевода динамического объекта из состояния Х(10) в состояние ф 0 требуется получить вектор И с помощью соотношения и=Кг+-(Х(^) - П*-Х([„)) . (12)

Представленньге в работе модель и алгоритм оптимизации отладки элементов динамических систем средствами пассивного управления по заданному спектру собственных частот колебаний применены для модального синтеза и параметрической оценки демпфирующих свойств элементов простых судовых конструкций. Для моделирования применялась модель, представленная матричным дифференциальным уравнением:

Мх + а + Кх = /(с). (13)

где х = хф — п-мерный вектор переменных состояния, являющийся функцией времени I в К"; матрицы М и К — положительно определенные; матрица С-положительно полуопределенная. Все матрицы действительные и симметрические, размерности (п*п), ЭД- вектор-функция входных сигналов. Применительно к системам «масса, пружина, демпфер» физическое значение используемых параметров и векторов в формуле (13) следующее: х^)-положение (перемещение) масс; М- матрица масс; К-матрица жесткостей пружин; С-матрица коэффициентов демпфирования; А^) — внешние силы, воздействующие на систему.

При спектральном анализе недемпфированных систем возможна декомпозиция собственных значений пары матриц (К,М). Если М-неособенная симметрическая матрица, то всегда возможна редукция матриц к диагональному виду

ФтКФ=а^([ц„ ... ,цп]), ФТМФ=1, где I — единичная и Ф — ортогональная матрицы. Для положительно определенных матриц К и М все элементы являются положительными числами, причем этим значениям равны квадраты собственных частот системы. Поэтому

ФткФ=а2 и фтмф=1, (14)

где Q=diag([(i)b(D2, ...,шп]), причем 0),=(i,l/2. Уравнение (14) легко использовать для оценки частот в первом приближении.

Для демпфирования системы (13) с ненулевой матрицей С требуется первоначально задать спектр матрицы состояния замкнутой системы и получить уравнения, устанавливающие связь между имеющимся и требуемым спектрами. Эта связь определена системой алгебраических уравнений, для решения которых, ввиду их сложности, в работе применены функции Symbolic Toolbox среды MatLAB. Приведены численные результаты пассивного демпфирования динамической системы.

В заключении содержатся основные результаты диссертационных исследований. В диссертации разработаны:

1. Математические модели и алгоритмы оптимизации и автоматизации процессов использования топлива на судах с дизельными энергетическими установками. Предложены способы поиска энергоэффективных решений в условиях ограничений с использованием численных методов оптимизации. Разработан алгоритм и программное обеспечение для расчета экономичных режимов элементов судового энергетического комплекса с помощью инкрементальных характеристик. Показано, что для определенного класса объектов переход к инкрементальным характеристикам позволяет сформулировать вариационную задачу в терминах задач линейного программирования. Для случаев аппроксимации расходных характеристик ДГА полиномиальными функциями разработана модель, базирующаяся на методе квадратичного программирования с использованием синтаксиса стандартных операторов инструментария Optimization Toolbox среды MatLAB.

2. Предложена математическая модель и разработан генетический алгоритм оптимизации технологических режимов судового энергетического комплекса с учетом изменения ситуации в рейсе. Модель и алгоритм предназначены для выбора экономичного режима работы СЭУ путем рационального использования резерва ходового времени до порта назначения, корректируемого во время рейса. Расчет экономичных режимов движения судна в рейсе выполнен с помощью алгоритма открытого поиска, относящегося к классу генетических алгоритмов, предназначенных для решения нелинейных задач высокой размерности.

3. Предложена модель совершенствования и автоматизации рабочих режимов судовых ДВС с многотопливными системами. Экономическая целесообразность применения на судах многотопливных систем теоретически обоснована и практически подтверждена. Отечественные дизелестроительные заводы приступили к поставке на объекты водного транспорта двухтопливных дизелей. Для обеспечения экономии топлива и энергии СЭУ, оборудованных ГД с двухтопливными системами, в работе предложен алгоритм оптимизации с периодической коррекцией расходных характеристик при изменении стоимости используемого топлива как функции генерируемой мощности.

4. Модели и алгоритмы для диагностирования и совершенствования технологических операций, оценки параметров рабочего процесса судового дизеля, предложенные в работе, предназначены для повышения точности обработки индикаторных диаграмм в судовых условиях с использованием

компьютерных технологий. Применены новые способы обработки

сигналов и модели, базирующиеся на вейвлет - анализе. Вейвлет -преобразования использованы как процедуры построения высокоточных моделей рабочих характеристик судовых дизелей.

Вейвлет — декомпозиция и вейвлет — реконструкция сложных сигналов реализованы с помощью функций пакета Wavelet Toolbox среды MatLAB. Разработан алгоритм вейвлет — аппроксимации изменения давления в цилиндре дизеля и программа вейвлет — преобразования для автоматизации процесса обработки экспериментальных данных.

5. Для получения информации и оценки влияния внешней среды на рабочие процессы СЭУ разработаны модели и алгоритмы, позволившие использовать измерения переменных состояния с целью адаптации реальных процессов к оптимальным (по суммарному расходу топлива) в квазистационарных режимах работы главных двигателей судна в рейсе. Характеристики «часовой расход топлива — скорость судна» представлены как инварианты модели пропульсивного комплекса. Разработана модель восстановления расходных характеристик по точечным измерениям расхода топлива в рейсе во время функционирования СЭУ с целью их использования для оценки экономичности режимов движения судна. Для построения функционального пространства в терминах параметров «эталонных» характеристик применена процедура оптимизации, в результате чего обеспечена высокая точность оценки параметров моделей расходных характеристик в рабочих точках при заданной структуре. Предложенье математическая модель и алгоритм кластеризации влияния внешних условий на расход топлива в рейсе.

6. Предложены алгоритмы совершенствования процессов автоматизации и оптимизации отладки элементов судовых энергетических комплексов, позволяющие повысить экономичность судовых энергетических комплексов и их элементов.

7. Выполнен анализ и моделирование средствами MATLAB системы автоматического регулирования частоты вращения ГД судна и произведена параметрическая настройка ПИД - регулятора, с целью повышения быстродействия и улучшения качества управления. Определены параметров настройки ПИД — регулятора. Предложенный способ параметрической настройки ПИД - регуляторов частоты вращения судовых дизелей применен для решения типовых задач при обучении судовых команд на тренажере машинного отделения.

8. Предложен алгоритм маневрирования судна по критерию минимума энергии на управление, обеспечивающий переход из заданного начального состояния в требуемое конечное состояние в течение фиксированного времени. Вычислительный процесс минимизации выполнен с помощью апериодического управления дискретной системой. Алгоритм оценки вектора оптимального управления при маневрировании базируется на применении матрицы Крылова.

9. Показано, что практическое использование методов оптимизации и идентификации позволяет на качественно новом уровне оценивать динамические свойства сложных конструкций методами и средствами модального управления, выполнять операции отладки и получения требуемых

динамических характеристик. Для параметрической оценки и отладки динамической системы в работе предложен алгоритм пассивного управления процессом демпфирования.

10. Разработана методика совершенствования управления технологическими операциями и техническими средствами судовых автоматических систем на автоматизированных тренажерных комплексах, базирующаяся на результатах диссертационных исследований.

Основные выводы и положения диссертации, разработанные модели и алгоритмы оптимизации и автоматизации технологических операций элементов судовых энергетических комплексов, предназначенные для обеспечения экономии топлива на судах и повышения эффективности эксплуатации, апробированы на судах и используются в учебном процессе.

В приложении к диссертации приведены отлаженные программы в кодах MatLAB, пригодные для практического применения как в учебных целях, так и для решения конкретных задач по повышению энергоэффективности и совершенствованию автоматизированных технологических процессов на судах.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, предусмотренных "Перечнем изданий ВАК":

1. Таранин А.Г. Параметрическая настройка ПИД - регуляторов частоты вращения судовых дизелей средствами MATLAB. «Вестник

Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Выпуск 1, 2013, с. 50-60.

2.. Таранин А.Г., Андрианов E.H., Сахаров В.В. Модальный метод параметрического демпфирования динамической системы. «Журнал университета водных коммуникаций», выпуск IV (XVI), 2012, с. 56-66.

3. Таранин А.Г., Андрианов E.H., Сахаров В.В. Диагностирование рабочего процесса судового дизеля по эталонным моделям с применением вейвлетов. «Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Выпуск 2, 2013, с. .

4. Таранин А.Г., Сахаров В.В., Чертков A.A. Алгоритм энергоэффектив-ного управления курсом судна. «Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Выпуск 2, 2013, с. .

В других изданиях:

5. Таранин А. Г., Халилов H.A. Расчет износа тронка поршня. Сб.материалов Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин», г.Орел. ГАУ,2004.

6 . Таранин А. Г., Халилов H.A. Методика расчета износа канавок поршней. Сб.материалов Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин». г.Орел. ГАУ,2004.

7. Таранин А. Г., Халилов H.A. Методика оценки технического состояния цилиндровой втулки ДВС. Сб.материалов Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин». г.Орел. ГАУ,2004.

8. Таранин А. Г., Халилов H.A. Методика оценки технического состояния поршневых колец ДВС. Сб.материалов Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин». г.Орел. ГАУ,2004.

9. Таранин А. Г. Determination of engine condition by performance data and indicator diagrams by the way of comparison with engine shop trial test results. Сб.материалов Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин». г.Орел. ГАУ,2004.

10. Таранин А. Г. Determination of ТС condition by performance data and indicator diagrams by the way of comparison with engine shop trial test results. Сб.материалов Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин». г.Орел. ГАУ,2004.

11. Таранин А. Г. Crankshaft mate elements and parts dimensions calculation method for the diesel engines after it damages and rehabilitation by grinding or machining to undersize dimensions. Сб.материалов Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин». г.Орел. ГАУ,2004.

12. Таранин А. Г. Метод расчёта сопряжённых деталей и узлов коленчатого вала для ДВС после повреждения и восстановления шеек протачиванием под ремонтные размеры. «Тяжёлое машиностроение» г.Москва. 2006.

13. Таранин А. Г. Open type indicator diagram treatment, preparation

for calculation and mip-calculation for the engines without indicator drivers. Сб.материалов Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин». г.Орел. ГАУ,2004.

14. Таранин А. Г. Анализ работы двигателя по винтовой характеристике (методическое пособие). ФГОУ ВПО «Морская Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова». Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов» г.Новороссийск, 2008.

15. Таранин А. Г. Выбор режима работы двигателя по условиям ограничения нагрузки при обрастании корпуса судна и при отключении одного цилиндра (методическое пособие). ФГОУ ВПО «Морская Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова». Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов» г.Новороссийск, 2008.

16. Таранин А. Г. Судовая документация (методическое пособие). ФГОУ ВПО «Морская Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова». Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов» г.Новороссийск, 2008.

17. Таранин А. Г., Королёв В.И.Тренажёрная подготовка вахтенных механиков с использованием тренажёра машинного отделения. Часть 1.Training of engineers on watch with usage of the engine room simulator. Part 1.(учебное пособие). ФГОУ ВПО «Морская Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова». Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов» г.Новороссийск, 2010.

18. Таранин А. Г. , Королёв В.И.Тренажёрная подготовка вахтенных механиков с использованием тренажёра машинного отделения. Часть 2.Training of engineers on watch with usage of the engine room simulator. Part 2. (учебное пособие). ФГОУ ВПО «Морская Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова». Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов» г.Новороссийск, 2010.

19. Таранин А. Г., Королёв В.И. Безвахтенное обслуживание

судовой энергетической установки. Часть 1. Unattended machine service of a ship's power plant. Part 1. (учебное пособие). ФГОУ ВПО «Морская

Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова». Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов» г.Новороссийск, 2011.

20. Таранин А. Г. , Королёв В.И. Безвахтенное обслуживаниесудовой энергетической установки.

Часть 2. Unattended machine service of a ship's power plant. Part 2.(учебное пособие).

ФГОУ ВПО «Морская Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова». Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов» г.Новороссийск, 2011.

21. Таранин А. Г., Зеленков С.Г., Королёв В.И. Тепловые аппараты судовых энергетических установок, (учебное пособие). ФГОУ ВПО «Морская Государственная Академия имени Адмирала Ф.Ф. Ушакова». Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов» г.Новороссийск, 2011.

Подписано в печать с оригинал-макета автора 12.11.13 Сдано в производство 12.11.13 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 0,85. _Тираж 60 экз._Заказ № 144_

Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, ул. Двннская, 5/7

Отпечатано в типографпп ФГБОУ ВПО ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

имени адмирала С. О. МАКАРОВА»

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АВТОМАТИЗАЦИИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доцент, кандидат технических наук

Андрианов Е.Н.

Санкт - Петербург - 2013

Содержание

Введение........................................................................................................3

1. Модели и алгоритмы оптимизации использования топлива на судах с дизельными энергетическими установками.............................................12

1.1. Повышение экономичности элементов судовых энергетических комплексов на основе компьютерных технологий и численных методов оптимизации технологических операций.............................;......................................................13

1.1.1. Модель и алгоритм оптимизации расхода топлива при групповом управлении технологическими объектами с использованием инкрементальных характеристик.......................................................................13

1.1.2. Алгоритм оптимизации, базирующийся на квадратичном программировании...............................................................................................21

1.2. Генетический алгоритм оптимизации расхода топлива судовым энергетическим комплексом при изменении условий плавания судна и ситуации на линии..................................................................................................27

1.3. Сплайн-метод и алгоритм оптимизации режимов работы ДГА на различных сортах топлива........................................................................................................36

2. Алгоритмы диагностирования технологических операций и оценки параметров рабочего процесса ГД по индикаторным диаграммам.........................................47

2.1. Оптимизация отладки и совершенствование рабочего процесса судового дизеля как объекта автоматизации по измерениям эксплуатационных параметров и результатам стендовых испытаний...............................................47

2.2. Диагностирование рабочего процесса судового дизеля по эталонным моделям с применением вейвлетов......................................................................................53

2.2.1. Вейвлет-преобразования как процедуры построения высокоточных моделей рабочих характеристик судовых дизелей..........................................................53

2.2.2. Функции пакета Wavelet Toolbox среды MatLAB, реализующие вейвлет-декомпозицию и вейвлет-реконструкцию сложных сигналов........................61

2.3. Алгоритм вейвлет-аппроксимации изменения давления в цилиндре дизеля..62

2.4. Функциональное диагностирование изменения давления в цилиндре дизеля по эталонной вейвлет-модели с использованием вейвлетов Добоши...................65

3. Математические модели и алгоритмы оценки влияния условий плавания судна и внешней среды на рабочие процессы элементов судового энергетического комплекса...................................................................................................................74

3.1. Характеристики «часовой расход топлива-скорость судна» как инварианты модели пропульсивного комплекса......................................................................74

3.2. Модель восстановления расходных характеристик в процессе функционирования СЭУ и её использование для оценки экономичности режимов движения судна в рейсе........................................................................86

3.3. Модель построения функционального пространства в терминах параметров «эталонных» характеристик..................................................................................88

3.4. Математическая модель и алгоритм кластеризации влияния внешних условий на расход топлива в рейсе......................................................................................94

4. Алгоритмы совершенствования процессов автоматизации и оптимизации отладки элементов судовых энергетических комплексов, с целью экономии топлива и повышения энергоэффективности судовых автоматизированных систем.......................................................................................................................103

4.1. Параметрическая настройка ПИД-регуляторов частоты вращения судовых дизелей средствами МаИ,АВ...............................................................................103

4.2. Алгоритм энергоэффективного управления курсом судна, базирующийся на процедуре апериодического управления с использованием матрицы Ляпунова....................................................................................117

4.3. Оптимизация отладки элементов динамических систем средствами пассивного управления по заданному спектру собственных частот колебаний...................................................................................129

4.4. Методика совершенствования управления технологическими операциями и техническими средствами судовых автоматических систем на автоматизированных тренажёрных комплексах................................................142

Заключение..............................................................................................................147

Список использованных источников....................................................................151

Приложения к диссертации....................................................................................160

Введение

Оптимизация и совершенствование процессов автоматизации судовых энергетических комплексов является механизмом кардинального повышения энергетической эффективности судов, являющейся одной из важнейших проблем на морском и речном флоте. Фундаментальные положения энергоэффективности и энергоаудита на водном транспорте определяются совокупностью требований национального и международного законодательств, предъявляемых к энергоэффективности всех судов и предприятий судоходной отрасли. Законодательным документом в России является Федеральный закон об энергосбережении №261-ФЗ, принятый в 2009г., действие которого распространяется на имущество российских компаний, в том числе находящееся за границей; закон подлежит выполнению всеми российскими судовладельцами, независимо от форм собственности.

Международные стандарты и требования в области энергоэффективности и энергоаудита нашли отражение в правилах Конвенции МАРПОЛ. Так, с 1 января 2013 года, в соответствии с положениями Резолюции ИМО МЕРС.203(62), вступили в силу новые правила Конвенции МАРПОЛ, непосредственно направленные на повышение энергоэффективности судов. Согласно правилам, на суда, построенные после 1 января 2013 года, распространяется требование по расчету конструктивного коэффициента энергоэффективности (ККЭЭ), а для судов, находящихся в эксплуатации, с этой даты введено требование по наличию на борту и использованию плана управления энергетической эффективностью судна (ПУЭС).

В добавленном к международной конвенции МАРПОЛ приложении VI определены «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов». В них содержатся требования, ограничивающие выбросы ЫОх, 80х, летучих органических соединений путем введения ККЭЭ и ПУЭС.

Для судовладельцев повышение энергоэффективности, достигаемое путём снижения расходов топлива и энергии, важно как с позиций снижения выбросов токсичных веществ в атмосферу, так и уменьшения стоимости перевозок при

совершении заданного объёмов транспортной работы в заданное время. Снижение расходов на содержание судна за счёт топливной составляющей может быть обеспечено путём проведения комплекса мероприятий по вскрытию имеющихся резервов на каждом судне в конкретном рейсе и совершенствования существующей системы планирования и реализации установленного коэффициента энергоэффективности, согласно паспорту. Проведение мероприятий должно основываться на глубоких научных исследованиях, целевым назначением которых должно быть создание методов и технических средств, предназначенных, прежде всего, для повышения экономичности энергетических установок судов.

Разработанные в диссертации модели и алгоритмы оптимизации и совершенствования процессов автоматизации судовых энергетических комплексов предлагаются в качестве рабочего инструмента для решения составных задач энергосбережения как механизма, предназначенного для кардинальных изменений в области повышения конкурентоспособности отечественных судов на мировом рынке и надежной защиты окружающей среды от выбросов токсичных веществ в атмосферу.

Моделирование и оптимизация процессов функционирования судовых энергетических комплексов с применением современных достижений в области исследования операций и компьютерных технологий является одним из кардинальных направлений повышения эффективности и качества выполнения транспортной работы современным судном при минимальных затратах топлива и энергии в условиях конкуренции. Построение моделей и синтез систем, реализующих энергосберегающие технологии на судах в различных условиях плавания, представляет собой чрезвычайно обширную область исследований, связанных с использованием процедур оптимизации и применением численных методов для решения прикладных задач. Создание моделей и алгоритмов совершенствования технологических операций при управлении энергоемкими технологическими процессами на судах, алгоритмизация и оптимизация процессов энергосбережения требуют учитывать специфику поведения объектов-

потребителей топлива и энергии в конкретных условиях. Разработка алгоритмов оптимизации и совершенствования энергосбережения на качественно новом уровне возможна только при системном подходе к исследуемой проблеме, поскольку модели и алгоритмы должны обеспечивать устойчивость вычислительного процесса, отвечать условиям управляемости, наблюдаемости, идентифицируемости и практической реализуемости оптимальных законов управления [49], [68].

Современный уровень развития средств и методов обработки информации в системах энергосбережения на судах ставит перед разработчиками ряд принципиально новых задач. Главной из них является концепция ресурсосбережения при соответствующем модельном, алгоритмическом и программном обеспечении.

Экономичность судовой энергетической установки во время эксплуатации во многом определяется техническим состоянием, качеством настройки и управления функционированием главных двигателей (ГД), дизель-генераторных агрегатов (ДГА) и других элементов судовых энергетических комплексов [59], [60]. Процессы совершенствования функционирования объектов автоматизации путем улучшения технологии подачи топлива, воздуха, обеспечение высокого качества сгорания и теплообменных процессов, совершенствование системы газораспределения и выпуска отработавших газов при правильном выборе параметров настройки должны сохранять свою эффективность практически на всех режимах нагрузки [28]. Управление качеством функционирования, оптимизация отладки, способы и алгоритмы диагностирования (определение области работоспособности и автоматизация поиска неисправности) ГД должны быть основаны на результатах индицирования, осуществляемого с помощью различных систем контроля рабочих процессов [27]. В таких системах давление газов в цилиндре воспринимается датчиками давления и преобразуется в электрические сигналы, содержащие в своем гармоническом составе высокочастотные составляющие, а в некоторых случаях - даже отдельные импульсы, не подлежащие анализу традиционными способами, например, путём

разложения в ряд Фурье. Кроме того, на точность индицирования может оказывать влияние индикаторный канал и другие факторы, что должно быть, по возможности, исключено за счёт моделей и методов идентификации и компьютерной обработки сигналов с использованием информационных технологий и оптимизационных процедур в исследуемой предметной области [76].

Следует отметить, что проблема отладки ГД и ДГА путём повышения точности и помехозащищенности технологического процесса индицирования давления не нова. На ранней стадии её решению посвящены известные работы академика Крылова А.Н., а на более поздней - публикации А.Ю. Самойленко и др., что свидетельствует об актуальности задачи [55]. Отметим также, что решению проблемы совершенствования энергосбережения на судах и других крупных потребителях топлива посвящено большое число работ отечественных и зарубежных ученых [48]. Решению этой проблемы посвящены труды академика А.Г. Павленко; большой вклад в решение проблемы также внесли профессора, доктора технических наук: P.A. Нелепин, Ю.П. Петров, В.И. Небеснов, E.H. Климов, Ю.Н. Мясников, Л.В. Тузов, В.В. Сахаров, Ю.М. Кулибанов, А.Е. Сазонов, М.И. Фейгин, П.И. Бажан, В.Ф. Большаков и многие другие. Опыт экономии топлива на судах морского и речного флота показывает, что пути решения этой проблемы чрезвычайно разнообразны [43]. По данным, приведенным в известной работе Ю.Н. Колесникова, главного специалиста топливно-энергетического управления МРФ, в пароходствах Минречфлота в предшествующие годы только направления экономии, по которым велась интенсивная работа, насчитывали более 120 позиций [37]. Для их практической реализации требовалось создание организационно-технологических систем, содержащих модельную, алгоритмическую, информационную составляющие. Они должны быть последовательно увязаны по иерархическим уровням функционирования и интегрированы в единую систему. Однако, при отсутствии мощных вычислительных средств эффективное решение проблемы управления энергосбережением на том этапе не представлялось возможным.

Для обеспечения оптимизации режимов экономии топлива в рыночных условиях требуются системные решения, включающие в себя организационные задачи совершенствования перевозок, создание моделей и алгоритмов совершенствования технологических операций на основе новейших компьютерных технологий и коммуникационных средств, реализованных с учетом последних достижений в области автоматизации и оптимизации технологических процессов энергосбережения.

В этой связи главным ориентиром целевой направленности диссертационных исследований является Федеральный Закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...», согласно которому энергосбережение состоит в реализации правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергосберегающих ресурсов и вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.

Цель диссертационных исследований: разработка математических моделей и алгоритмов оптимизации энергоемких технологических процессов на судах по критерию энергосбережения, с целью оптимизации и совершенствования использования топлива на судах путём реализации энергосберегающих технологий.

Объект исследования. Автоматизированные судовые объекты, автоматизированные энергетические комплексы и технологические процессы с высоким уровнем энергопотребления, оптимизируемые по критерию расхода топлива и энергии в условиях ограничений.

Предмет исследований - модели и алгоритмы оптимизации и автоматизации процессов топливоиспользования и энергосбережения на судах с использованием численных методов совершенствования технологических процессов и вычислительных средств.

Задачи исследований: 1. Разработать математические модели и алгоритмы совершенствования и автоматизации использования топлива на судах с дизельными энергетическими

установками, определить способы поиска оптимальных решений с помощью численных методов оптимизации в условиях ограничений.

2. Разработать алгоритм и программу для реализации метода инкрементального группового управления энергоемкими потребителями топливно-энергетических ресурсов на судах и предложить на его основе новые принципы оптимального управления группой генераторных агрегатов.,

3. Разработать математическую модель и алгоритм оптимизации технологических режимов судового энергетического комплекса с учётом изменения ситуации в рейсе, с целью выбора экономичных режимов работы СЭУ путём рационального использования резерва ходового времени до порта назначения с коррекцией скорости судна во время рейса.

4. Создать модель совершенствования и автоматизации рабочих режимов судовых дизелей с многотопливными системами. Разработать алгоритм расчёта экономичных режимов потребления топлива в энергетических системах с двигателями, имеющими двухтопливные системы, с учётом текущих изменений стоимости используемых сортов топлива.

5. Разработать математические модели, алгоритмы и программные средства для совершенствования технологических операций и диагностирования параметров рабочего процесса судового дизеля путём повышения точности обработки индикаторных диаграмм в судовых условиях с использованием компьютерных технологий. Предложить для повышения качества и эффективности обработки индикаторных диаграмм новые способы декомпозиции и реконструкции измеряемых сигналов во временной области, свободные от недостатков, присущих рядам Фурье и ортогональным рядам другой стр