автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Модели и алгоритмы оптимизации технологических процессов на судах и управления судовыми техническими средствами

На правах рукописи

ГОЛУБЕВ Павел Викторович

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА СУДАХ И УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

Специальность 05.13.06

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2010

004606819

Работа выполнена в Санкт - Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Барышников Сергей Олегович.

Официальные оппоненты :

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Варжапетян Артемий Георгиевич, кандидат технических наук, доцент

Вирьянский Залман Яковлевич

Ведущая организация:

ОАО «Ленинец»

Защита состоится « 22 » апреля 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт - Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

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

Автореферат разослан «/£» марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук доцент

£. Г. Барщевский

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Концепция развития водного транспорта определяет основные принципы и направления его развития в интересах населения и является основой для разработки и реализации программ, формирования и проведения политики повышения эффективности и качества использования транспорта и водных коммуникаций. Кардинальное улучшение производственных показателей и других видов деятельности хозяйствующих субъектов на водном транспорте должно происходить на основе использования последних достижений науки и техники в условиях развития рыночных институтов при возрастающей конкуренции на мировом рынке транспортных услуг. В рыночных условиях значительно возрастает роль каждого судна как транспортной единицы, вносящей определенный вклад в обеспечение прибыли в процессе транспортных перевозок.

В условиях возрождения отечественного судостроения становится возможным кардинальное изменение технологических решений в области автоматизации технологических процессов на судах, создания высокоэффективных технических средств энергосбережения и автоматизации судовождения.

Новые технологии ресурсосбережения, управления сложными судовыми объектами, процессы стабилизации судов на курсе, маневрирования, устойчивости их движения, поворотливости, управляемости, движения на мелководье, циркуляции и др., реализуемые с учетом требований безопасности плавания, системности и условий обеспечения жизнедеятельности экипажей судов, должны стать определяющими в обеспечении конкурентоспособности отечественного флота на мировом рынке транспортных услуг. Потребность в новых технических решениях вызвана необходимостью повышения экономичности СЭУ и их элементов. Она вызвана также существенными изменениями, происходящими в последние годы в экономической, экологической, социальной и других сферах человеческой деятельности. Потребность обусловлена кризисом в мировой экономике, выходы из которого лежат в новых структурах и методах управления.

Для получения новых технических решений требуется создание моделей и алгоритмов оптимизации и автоматизации судов и судовых технических средств, способов построения систем на основе современных технологий судового машиностроения, разработка алгоритмов для повышения экономичности судовых энергетических установок и их элементов путем эффективного использования различных видов ресурсов в каждом рейсе. Среди технических средств, подлежащих автоматизации, следует выделить судовые энергетические системы, системы и устройства судовых электроэнергетических комплексов, средства управления движением, грузовыми операциями, обеспечения жизнедеятельности,

средства механизации и автоматизации производственных

процессов, автоматизации морской техники для добычи и использования биоресурсов.

Актуальность диссертационных исследований состоит в том, что в результате их выполнения разрабатываются модели и алгоритмы, синтезируются системы автоматизации и управления судовыми динамическими объектами и судном в целом, реализующие эффективные законы управления путем оптимизации технологических процессов.

Цель исследований состоит в повышении эффективности и качества функционирования судовых технических средств на основе моделей и алгоритмов оптимизации технологических процессов, реализации экономичных режимов движения судов при изменении ситуации на линии и в порту назначения, получении способов управления динамическими объектами методами численной оптимизации и по модели следования.

В работе определен класс первоочередных задач, подлежащих решению в исследуемой предметной области.

Задачи исследований:

1. Разработка компьютерной модели водоизмещающего судна на базе обобщенных уравнений динамики судна как морского подвижного объекта (МПО). Алгоритмизация и программная поддержка моделирования режимов движения судов с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений, средств ЬТ1 в среде МаЛАВ, методов моделирования в частотной области и моделей, реализуемых с помощью матричного экспоненциала.

2. Информационное обеспечение, моделирование динамики и управление неустойчивым на курсе водоизмещающим судном. Определение областей притяжения траекторных процессов (аттракторов), зависящих от формы диаграммы управляемости и от параметров модели конкретного судна. Алгоритм расчета нелинейной системы управления судном, неустойчивым на курсе, и обеспечение условий устойчивости способом параметрической оптимизации регулятора выхода.

3. Алгоритм оценки параметров модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния на эволюционном участке траектории движения. Оценка показателя эффективности параметрической идентификации по спектру матриц состояния, определяющему динамические свойства объекта при вариации шага дискретности.

4. Кластерная модель оценки влияния путевых условий на режимы движения судна и разработка рекомендаций по ее практическому использованию в рейсе.

5. Разработка моделей и алгоритмов для экономии топлива на судах в рейсе при изменении путевых условий. Экономичное управление режимами движения судов в рейсе как проблема оптимального распределения ресурсов в условиях ограничений. Оптимизация режимов движения судов в классе генетических алгоритмов.

6. Разработка модели и алгоритма оптимального управления технологическим процессом корпоративной системы в составе: земснаряды, суда, грузовые площадки порта, заказчик продукции.

7. Создание моделей и алгоритмов для обеспечения экономичных технологических режимов судовых технических средств; экономичное распределение нагрузки при параллельной работе судовых дизель -генераторных агрегатов; применение динамических наблюдателей как технических средств восстановления вектора переменных состояния судовых объектов и систем по вектору выхода; моделирование и алгоритмизация процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по быстродействию.

8. Модель и алгоритм реконфигурации систем управления динамическими объектами, получение условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. Оценка устойчивости псевдоинверсного метода, используемого для синтеза системы управления с реконфигурацией.

9. Методика и алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования.

Методы исследований. Исследования проводятся на основе современной прикладной теории оптимизации и управления, методов и алгоритмов автоматизации технологических процессов и производств, общей теории систем, системного анализа и исследования операций. В работе используется обобщенная математическая модель судна как морского подвижного объекта, нелинейные модели, полученные методами гидромеханики и теории корабля

Научная новизна результатов исследовании содержится в следующих положениях, выносимых на защиту:

1. В получении компьютерной модели водоизмещающего судна на базе обобщенных уравнений динамики судна как морского подвижного объекта (МПО); в алгоритмическом и программном обеспечении моделирования режимов движения судов с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений, средств Ь'П в среде МаЛАВ, моделирования в частотной области и моделей, основанных на применении матричного экспоненциала; в определении параметров предельных циклов и аттракторов, зависящих от формы диаграммы управляемости и от параметров нелинейной модели конкретного судна.

2. Новыми являются решения, представленные алгоритмом оценки параметров модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния на эволюционном участке траектории движения и способом оценки показателя эффективности параметрической идентификации по спектрам матриц состояния.

3. В кластерной модели оценки влияния путевых условий на режимы движения судна и ее практическом использовании для экономии топлива и энергетических ресурсов в рейсе.

4. В разработанных моделях и алгоритмах для обеспечения экономии топлива на судах в рейсе при изменении путевых условий; алгоритме распределения ходового времени судна как ресурса при выборе экономичных режимов; оптимизации режимов движения судов в классе генетических алгоритмов.

5. Научная новизна содержится в модели и алгоритме оптимального управления технологическим процессом корпоративной системы в составе: суда транспортного и технического флота (земснаряды), грузовые площадки порта, заказчик продукции.

6. Новыми являются модели и алгоритмы, предназначенные для реализации экономичных технологических режимов судовых технических средств; алгоритм распределения нагрузки судовых дизель - генераторных агрегатов; способы построения динамических наблюдателей как судовых технических средств; дискретная модель и способ алгоритмизации процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по быстродействию.

7. В модели и алгоритме реконфигурации систем управления динамическими объектами, получении условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. В методике и алгоритме расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования с использованием инструментария символьной математики.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в создании моделей и алгоритмов автоматизации судовых технических средств на основе численных методов синтеза оптимальных систем. Практическая значимость работы заключается в новых технических решениях и алгоритмах энергосбережения и экономии топлива на судах, применении динамических наблюдателей для восстановления неполной информации о состоянии судовых объектов и технических средств. Важным для практических приложений следует считать разработанное программное обеспечение для автоматизации и оптимизации технологических процессов на судах, при управлении СЭУ и судовыми ДГА в рейсе, использование которого позволяет кардинально решить вопросы оптимального распределения ресурсов и энергосбережения при изменении условий плавания каждого судна.

Важными для практических приложений являются методика и алгоритм управления техническими средствами судна по модели следования.

Основные выводы и положения диссертационных исследований внедрены на объектах водного транспорта, что подтверждено актом о внедрении. Предложенные модели и алгоритмы используются в учебных курсах на Судомеханичсском факультете и Факультете портовой техники и электромеханики в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК).

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на VI Международной конференции «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах», АН России, СЗГТУ, Морская академия (Щецин, Польша), СПГУВК, с/к академия (Щецин,

Польша), С. Петербург, июнь 2005 г.; на XIV Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», IV Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложение» (см. Труды. Ростов н / Д., изд-во «ЦВВР» 2006-262-ISBN 978-5-94153-138-7. с.133-139 и 140-145); на Международной научно - практической конференции 23-24 июня 2007 г., Котлас, 2007; П-м Международном научно-техническом семинаре «Исследование,

проектирование и эксплуатация судовых ДВС», 27 сентября 2007г.; постоянно действующих семинарах на кафедрах Автоматики, ТОЭ факультетов «Информационных технологий», «Портовой техники и электромеханики» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций

Публикации. Основные положения диссертационных исследований опубликованы в 15 печатных работах автора, перечень которых приведен в заключительной части автореферата. В списке содержатся три работы, опубликованные в научных журналах, содержащихся в перечне изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, четырех глав, заключения, списка использованных отечественных и зарубежных источников, состоящего из 88 наименований, приложений, в которых содержатся файлы, разработанные для выполнения расчетов и проведения машинного эксперимента. Общий объем работы составляет 157 стр. текста, в том числе 27 рисунков, 5 таблиц. Приложения представлены на 56 стр. машинописного текста.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационных исследований, сформулированы основные научно-технические задачи по разработке моделей и алгоритмов оптимизации технологических процессов на судах и управления судовыми техническими средствами. Выполнен краткий анализ опубликованных работ в исследуемой предметной области. Определены задачи по моделированию и алгоритмизации процессов экономии топлива и энергии на судах, получению законов эффективного управления судном в рейсе. Сформулированы научная новизна, практическая значимость и приведены результаты внедрения.

В первой главе на основе универсальной математической модели морских подвижных объектов разработана модель водоизмещающего судна. Математическая модель динамики водоизмещающего речного судна, неустойчивого на курсе, представлена системой нелинейных уравнений. Получены фазовые портреты траекторных процессов при жесткой ОС. Определены параметры аттрактора и их зависимость от вида нелинейности в уравнениях динамики. Асимптотическая устойчивость исследуемой нелинейной системы обеспечена с помощью обратной связи по угловой скорости вращения судна вокруг его ЦТ. Рекомендуемое значение коэффициента обратной связи Кр =0.7. Разработан алгоритм оценки

параметров модели судна по эксперименту. Переменные состояния

модели сухогруза дедвейтом 3500т. получены при «нулевых» начальных

условиях путем перекладки рулей на 6ь = 7° . Измерения производились

через каждые 5с. на рабочем интервале 150с. при скорости судна ¥-5 м/с.

По измерениям сформирована матрица размерности (30Х 5). Введены

следующие обозначения линейной, угловых скоростей и угла крена:

У1=У„У2= 0)ж ,ГЗ= ОУу и У4= □.

Для оценки использовалась дискретная модель в пространстве состояний

х(!с +1) = А-х(к) +В -и(к), (1)

из матриц которой сформирована прямоугольная матрица ац а1г а13 ги £>и

п-ГЙ ■ в! - Зи 3:2 *2г iг^ п\

• И а31 а32 а33 а34 Ь31 > У1)

а41 а42 <Цз а41

содержащая 20 неизвестных коэффициентов. Матрицы А и В рассчитаны по формулам перехода от непрерывных моделей к дискретным посредством матричного экспоненциала по схеме « гоЬ», являющегося функцией шага А. Элементы матрицы О оценены с помощью уравнения

оЧУ22*У22']-'*У22*¥„'. (3)

Массивы Уц и У22 сформированы, согласно уравнению (1), по результатам измерений вектора переменных состояния в дискретные моменты времени. По формуле (3) при сохранении структуры (2) для матрицы Б были получены оценки коэффициентов при различных периодах квантования Т.ч:

Гу=[25 20 15 12 1075 3 1 0.5]. Это позволило восстановить по дискретным моделям матрицы непрерывных систем и определить спектры матриц состояния. Расчеты показали, что с уменьшением А вещественные составляющие спектров практически не изменяются. Изменениям подвержена лишь мнимая часть.

Оценки показывают, что при Тб =5 с. и менее непрерывные системы, восстанавливаемые по дискретным, по динамическим свойствам практически не отличаются от исходной модели сухогрузного теплохода. Установлено, что при малых отношениях показателя «сигнал/шум» в измеряемых сигналах для повышения точности оценок следует использовать эффективные модели и методы численной оптимизации, предназначенные для фильтрации помех, в частности, линейные предшсторные методы, максимума энтропии или авторегрессии.

Внешняя среда оказывает определяющее влияние на качество судовождения на свободных реках и эксплуатационные показатели судовых энергетических установок (СЭУ). Работа СЭУ в эксплуатационных условиях характеризуется широким спектром режимов по нагрузкам. В диссертации предложена кластерная модель оценки путевых условий, в которой используются статистические данные по расходу топлива на отдельных участках водного пути. Полученный временной ряд редуцируется с помощью кластеров, а его элементы приводятся к совокупности расходных характеристик, построенных по параметрам кластеров. Положения кластеров на расходных характеристиках отражают реализованные режимы движения судна в рейсе. Алгоритм построен на К-значимой кластеризации с помощью

функции ктеапь среды Ма^АВ. Алгоритм применен для кластеризации ряда в координатах «часовой расход - скорость судна», заданного матрицей измерений размерности (220 П 2). Число кластеров равно 5.

Для обозначения точек (объектов), принадлежащих к определенному множеству со своим кластером, в алгоритм введен вектор символов риутЬ. Графические построения представлены на рис.1 По завершении вычислений расчетные кластеры нанесены на рис. 1 в виде знаков '©', а соответствующие им множества рабочих точек отмечены знаками по принадлежности: треугольник, прямоугольник, ромб, крест, окружность. Число точек 220.

15 16 ЗрееооГБптапй ,

: 1.8,: ШЕШёШяюВ

Рис. 1. Кластерный анализ путевых условий в координатах «часовой расход топлива- скорость судна »

Выполнена оценка параметров моделей расходных характеристик, на которых располагаются кластеры.

Кластерную модель рекомендовано также использовать для расчета экономичных скоростей судна при минимальном суммарном расходе

топлива; порейсового нормирования расхода топлива; оценки качества управления судном и СЭУ.

Во второй главе представлены модели и алгоритмы экономичного управления режимами движения судов в рейсе. Минимальный суммарный расход дизельного топлива в рейсе обеспечивается путем оптимального распределения ресурсов ходового времени каждого судна в условиях ограничений.

Для практических решений задач ресурсосбережения на судах разработан численный алгоритм, базирующийся на аппроксимирующих функциях среды MatLAB. Эффективность алгоритма подтверждена машинным экспериментом.

Экономия топлива и его рациональное использование является важной технической проблемой на флоте. Известны различные методы решения проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на судах речного флота. Они изложены в известных трудах профессоров Ю.П. Петрова, С.А. Попова, М.И. Фейгина, E.H. Климова, Ю.М. Кулибанова, В.И. Плющаева, П.А. Малого, А.П. Ныркова, В.И. Королева и др. Специфика работы судов в рыночных условиях, частые изменения путевых условий, различное время выполнения грузовых операций в порту, изменяющаяся продолжительность шлюзования требуют для расчетов экономичных режимов движения создания новых, высокоэффективных алгоритмов. В этой связи в работе предложен для нахождения оптимальных решений алгоритм открытого поиска, относящийся к классу генетических алгоритмов. Для генетических алгоритмов и алгоритмов открытого поиска не требуется информация о значении градиентов или высших производных непрерывных функций, что обеспечивает значительное повышение эффективности решения сложных задач и задач высокой размерности.

Для расчета оптимальных режимов движения судна разработана программа, реализующая алгоритм открытого поиска с помощью функции patternsearch среды MatLAB. Решена конкретная задача: выбран маршрут движения (трасса) протяженностью 321.4 км, разделенная на восемь участков с различными условиями плавания. Модели расходных характеристик на участках представлены следующими параболами: G, =0.0398-V3'3399 ; G2 =0.0389-К23 2494 ? G, = 0.0366■ V3 1462 > G4 = 0.0337-К43 0703 ; ^

G, =0.0319-F,30403 G6 =0.0376-V3 1807 > G, = 0.0316-V3 0277 ^ Gs = 0.0307-V3 01,5 _

Протяженность участков трассы, км.: [S1_S8]=[51.4,68.7,42.4,35.6,23.2,35.8,44.7,19.6].

Максимально допустимые скорости по условиям эксплуатации СЭУ: [vl_v8]max=[12.1492,13.1419,14.6386,16.1407,16.8811,14.0766,17.1948,17.6473] Суммарное время хода судна в рейсе задается величиной tau в интервале от tau=TTmin=22.2 ч. до tau=TTmax=32.2 ч.

Результаты вычислений по предложенному алгоритму открытого поиска представлены на рис.2, где на восьми расходных характеристиках (4)

нанесены оптимальные скорости в виде группы значений времени судна в рейсе (см. данные на рис.2).

точек для четырех

Экономичные режимы движения судна в рейсе

180 -РасЯед к 140 —

120100 -80 6040!-20 О1

а

а на участках |трассы, g ( кг^ч.)

-Ы.

"I"

Режимы;

1. tau423 ч. ;j Gopt=Ö482.6 jcr.

t;2. tau=24 4, jGopt=3175.1 kr._

: j 3. tau425 ч. Gopt=2905.8 jx.

4. tauJ30 4. Gopt=1955.9 кг.

:: . . I ----

10

11

12 13 14 V, (КМ./Ч.)

__.....

15 16

17

18

Рис.2. Оптимизация режимов движения судна (4 режима) на восьми участках трассы с различными расходными характеристиками

Время нахождения судна в рейсе tau назначается диспетчерскими службами, от корректности действий которых зависят производственно -экономические показатели работы флота.

В условиях рынка поиск новых источников накопления капитала вызывает необходимость слияния воедино промышленных и транспортных компаний с узкой специализацией в организационно-хозяйственные структуры корпоративного типа, что позволяет обеспечить концентрацию ресурсов, аккумулировать я мобилизовать интегрированный капитал на совершенствование всех сфер хозяйственной деятельности. В этой связи в работе рассмотрена модель порта, состоящая из двух грузовых районов, входящих в состав корпоративного объединения. Грузовые районы обеспечивают поставки песчано-гравийной смеси в строительные организации региона (города). В каждый грузовой район на судах поставляются два вида сырья: строительный песок и гравий, из которых готовится песчано-гравийная смесь с помощью технологического оборудования, переданного и распоряжение грузовых районов.

Предложенные модель и вычислительный алгоритм позволили обеспечить режим работы корпоративной системы при минимальных суммарных затратах на производство и поставку песчано-гравийной смеси потребителям, с учетом спроса и предложения. Исходя из технологического режима корпорации, в комплексе определены состав флота и резервы

ходового времени для каждого судна, с целью экономии топлива в каждом рейсе. Решение сложной нелинейной задачи распределения ресурсов в алгоритме заменено множеством решений более простых задач линейного программирования.

Третья глава посвящена разработке моделей и алгоритмов оптимизации технологических режимов судовых технических средств. Получен алгоритм распределения нагрузки при параллельной работе судовых дизель - генераторных агрегатов (ДГА). Экономичные режимы исследованы методами математического программирования. Расход топлива ¡-го объекта (ДГА) данного класса является нелинейной функцией нагрузки, аппроксимируемой квадратичным полиномом:

Р, =аД +Ь,Ц +с„ ¡=1,2, ... , П (5)

где а„ Ь,, с; - постоянные коэффициенты полинома, оцениваемые по эксперименту методом наименьших квадратов;

- нагрузка ¡-го технологического объекта (ДГА); Б] - количество топлива, потребляемого ¡-ым объектом (ДГА) в режиме, соответствующем генерированию ¡-ым агрегатом мощности Ц , п - число технологических объектов (ДГА) .установленных на судне.

При параллельной работе ДГА производится подключение всех, либо отдельных групп ДГА к судовой сети и обеспечивается питание потребителей электроэнергии. Спрос потребителей электроэнергии на судне удовлетворяется в любой момент времени и в полном объеме:

¿ = ¿1,, ¡=1,2,...,к, (6)

ы

где к - число параллельно работающих объектов в текущий момент, к < п ; Ь - спрос (нагрузка судовой сети), реализуемый с помощью судовой электростанции. По модели и алгоритму находится минимум

(7)

ы

путем вариации Ь; при соблюдении ограничения - равенства (6) и системы ограничений на вектор переменных состояния с элементами Ь|

Ти тт < < ¿, тах, (8)

где Ь, „„„ , Ь\ тах - минимальное и максимальное предельные значения генерируемой мощности ¡-ым ДГА.

Оптимизация по уравнениям (5) + (8) выполняется в терминах синтаксиса функции quadprog. Критерий качества J, представленный в матричной форме, имеет вид:

3 = ■Н-х+/1'-х. (9)

Здесь вектор состояния хт =[1.1 Ь2 Ь3...Ь„]; вектор Г Т=[Ь1 Ь2 Ь3...ЬП], согласно уравнению (5), содержит элементы Ь;, ¡= 1,2,... ,п.

Для восстановления информации по измерениям вектора выхода в судовых технических системах предложено использовать динамические наблюдатели как элементы судовых технических средств. Наблюдатели, по существу, могут использоваться как математические датчики информации при измерениях и контроле наиболее важных параметров судовых

технических средств СЭУ, судовой электростанции, элементов судового движительного комплекса, средств диагностики и систем управления судном. В соответствии с концептуальным положением синтеза наблюдателей, переходная матрица состояния должна обладать свойствами затухания, на порядок (и более) превышающими эти свойства, присущие наблюдаемой системе. С учетом данного положения получены модели и разработан алгоритм синтеза наблюдателей полной размерности. Алгоритм применен к инвариантным во времени системам. В частности, для динамической системы второго порядка получено обобщенное уравнение

К') =

-2100 0-200 2 0-41 1 0-1-2

у(() +

(10)

где первые два элемента вектора у(0 - переменные состояния объекта, а вторые - наблюдателя. Вектор начальных условий \'(0) = [2.5 -3 3 4] , сигнал управления «(/) = 9 • ) + б ■ зт(70 + 4 • зт(9/).

Результаты моделирования (10) отражены на рис. 3. Видно, что переходный процесс в наблюдателе составляет 1.5 с.

Переходный процесс в наблюдателе полной размерности

2 ® 5

Ч 4.;

У1(1),\/2(()- переменные состояния объекта.; |и(1)=9*№(5Ч)+6^т(^*0+4*5(п(9Ч)- управление

9 Зч'

А У4(1) |

Ж":'

А

1

1 ♦ /ч :

\ ! / \:

Ь*^---/^-........

I \ V \ \ I

Рис. 3. Переходный процесс в судовой системе с наблюдателем полной

размерности

Модель и алгоритм расчета дискретного наблюдателя, предложенные для авторулевого в режиме управления маневром судна, позволили получить минимум энергии на управление с помощью апериодического регулятора.

В четвертой главе исследованы вопросы управления судовыми системами по модели следования. Системы управления с изменяющейся формой (структурой) обладают свойством автоматической приспособляемости к возникновению неисправностей, вызванных априорно предполагаемыми условиями эксплуатации. Вследствие того, что во многих ситуациях, связанных с возникновением неисправностей, время для принятия решения крайне ограничено, требуется автоматизировать процесс коррекции законов управления непосредственно во время работы объекта. Для решения данной задачи создан алгоритм, с помощью которого реализовано управление судном с авторулевым по модели следования. Динамические свойства системы исследованы путем численного решения системы дифференциальных уравнений при изменении входного сигнала во времени.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе получены следующие основные результаты:

1. На базе обобщенной модели МПО, пригодной для моделирования как надводных подвижных объектов с различными способами динамического поддержания, так и водоизмещающих судов и подводных лодок, получена нелинейная математическая модель судна. Упрощение модели применительно к водоизмещающим судам основано на введении в состав матриц состояния и управления группы элементов, зависящих от скорости и квадрата скорости хода судна, что позволило использовать математическую модель в терминах пространства состояний для исследований объекта во временной и частотной областях с помощью технологий среды МаЛАВ.

2. Для компьютерного моделирования динамики судна средствами МаЛАВ и исследований свойств объекта во временной и частотной областях разработан вычислительный алгоритм, состоящий из 4-х блоков: численного интегрирования; решения уравнений в среде Ь'П; блока решения в частотной области и решения с помощью матричного экспоненциала.

3. Для модели речного судна, неустойчивого на курсе, характерно наличие устойчивых предельных циклов и образование областей притяжения траекторных процессов (аттракторов), параметры которых зависят от формы диаграммы управляемости и динамических свойств конкретного судна. В этой связи для проведения машинного эксперимента в диссертации разработана программа, с помощью которой установлены условия устойчивости нелинейной системы, выбраны коэффициенты передачи регулятора в обратной связи.

4. Разработан алгоритм оценки параметров модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния в дискретные моменты времени в эволюционном периоде изменения фазовых координат. Приведены оценки параметров, полученные для измерений с различными значениями шага дискретности. Существенное отличие предложенного решения от известных приемов параметрической идентификации состоит в том, что алгоритм реализован на обобщенном методе наименьших квадратов, развитом в предшествующих исследованиях автора, опубликованных в открытой печати.

Показателем эффективности оценки является спектр матриц состояния, оцениваемый на различных этапах машинного эксперимента.

5. Предложена кластерная модель оценки влияния путевых условий на параметры движения судна в конкретном рейсе. В основу предлагаемой кластерной модели оценки путевых условий положены статистические данные по расходу топлива на отдельных участках водного пути в течение заданных интервалов времени. Покачано, что кластерную модель можно использовать для решения важных практических задач: построения расходных характеристик судна в рейсе; расчета экономичных ходов при минимальном суммарном расходе топлива; нормирования расхода топлива в каждом рейсе; оценки качества управления судном и его СЭУ во время эксплуатации.

6. Разработан численный алгоритм оптимального распределения ресурсов, базирующийся на аппроксимирующих функциях среды MatLAB; алгоритм основан на технологических принципах многоцелевых программных структур, позволяющих на качественно новом уровне решать проблемы эффективного функционирования судов без существенных материальных и финансовых затрат. Приведены конкретные решения, полученные с помощью предложенного алгоритма.

7. Для экономичного управления режимами движения судов в рейсе разработаны модели и алгоритмы , позволяющие обеспечить решение задачи эффективного использования дизельного топлива и энергетических ресурсов в эксплуатационных условиях. Предложена модель и разработано программное обеспечение для экономии топлива в рейсе путем оптимального распределения ресурса ходового времени судна по участкам водной коммуникации; выполнено решение конкретной задачи оптимизации режимов движения речного транспортного судна по критерию расхода топлива в рейсе с помощью функций Optimization Toolbox среды MatLAB. При невысоких требованиях к вектору ошибок и большом числе участков трассы с различными путевыми условиями для расчетов экономичных режимов предложен генетический алгоритм, реализованный с помощью функции patternsearch, содержащейся в инструментарии Genetic Toolbox среды MatLAB. Показано, что функции генетического инструментария целесообразно использовать для решения плохо формализуемых задач, либо задач со сложной формой гиперповерхности целевой функции.

8. Работа судна как отдельной транспортной единицы в составе корпоративного объединения, созданного в условиях рынка, определяется организационно - технологическими решениями и критериями качества, вытекающими, прежде всего, из целей и задач корпорации в целом, представляющей собою пример большой системы. Поэтому для автоматизации технологического процесса и выбора экономичных режимов в системе, в составе которой находятся земснаряды, суда, грузовые площадки порта, заказчик продукции, предложены модель и алгоритм оптимального управления, реализованные на пошаговом использовании процедуры линейного программирования.

9. Разработаны модели и алгоритмы, предназначенные для оптимизации технологических режимов судовых технических средств. Для судовых дизель - генераторных агрегатов (ДГА) с различными расходными характеристиками определены экономичные режимы, при которых обеспечивается уменьшение затрат на топливо, потребляемое первичными двигателями, и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях. Экономичные режимы реализуются путем распределения нагрузки параллельно работающих ДГА по алгоритму, полученному методом квадратичного программирования.

30. Для восстановления информации по измерениям вектора выхода в судовых технических системах предложено использовать динамические наблюдатели как элементы судовых технических средств. Разработаны модель и алгоритм построения наблюдателей Луенбергера полной размерности. Показано, что применение динамических наблюдателей, по существу, являющихся математическими датчиками информации, позволяет обеспечить кардинальное повышение эффективности и качества функционирования судовых технических средств.

11. Для оптимального по расходу энергии управления маневром судна в классе дискретных систем предложено использовать дискретную апериодическую систему, позволяющую за назначенное число шагов (не меньшее размерности « п » вектора состояния) обеспечить переход полностью управляемой системы из заданного начального в требуемое конечное состояние. Представлены модель и алгоритм расчета наблюдателя для авторулевого в режиме управления маневром судна.

12. Создана информационная поддержка и выполнена алгоритмизация процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по быстродействию. Решение реализовано методами нелинейного программирования, на базе которых предложено решать динамические задачи оптимизации. Построение дискретных моделей судовых систем в терминах нелинейного программирования связано с учетом особенностей вычислительного инструментария и его ориентацией на использование аппарата разреженных матриц. Алгоритм управления судовой динамической системой, оптимальной по быстродействию, реализован с помощью оператора «йшпсоп», обеспечивающего минимизацию нелинейных функций в среде Ма1:ЬАВ при наличии ограничений.

13. Рассмотрена процедура реконфигурации систем управления динамическими объектами и определены условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. Исследованы условия устойчивости псевдоинверсного метода.

14. Предложена система управления судовым динамическим объектом по модели следования. Разработан и реализован алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования с использованием аппарата символьной математики.

Основные научные положения и выводы диссертационных исследований нашли применение при разработке систем управления технологическими процессами на судах транспортного и технического флота различного назначения, а также на протяжении нескольких лет используются при чтении лекций и проведении лабораторного практикума в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Голубев П.В. Динамические наблюдатели при управлении судном. Сборник научно - технических статей «Автоматизация, информатизация, инновация транспортных систем». Выпуск 4, СПб., Изд-во «ПаокКом», 2007, с. 102-106.

2. Голубев П.В., Королев В.И., Сахаров В.В. Алгоритм оргогонализации в оценке параметров динамических систем. XIV Международная конференция « Математика. Экономика. Образование». IV Международный симпозиум «Ряды Фурье и их приложение». Труды. Ростов н/Д. Изд-во «UBBP»,2006-262-ISBN 978-5-94153-138-7, с.133-139.

3. Голубев П.В., Губин И. В., Королев В.И. Способ оценки коэффициентов матрицы преобразования координат при управлении промышленным роботом. XIV Международная конференция « Математика. Экономика. Образование». IV Международный симпозиум «Ряды Фурье и их приложение». Труды. Ростов н/Д. Изд-во «LlBBP»,2006-262-ISBN 978-594153-138-7, с.140-145.

4. Голубев П.В., Королев В.И., Сахаров В.В. Информационное обеспечение, моделирование и оптимизация корпоративной структуры специализированного порта. Труды института системного анализа Российской Академии Наук (ИСА РАН).Том 17(1), 2005, с.222-235.

5. Голубев П.В., Королев В. И. Использование методов нелинейного программирования для оптимизации динамических систем. Труды Институт а системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН). «Динамика неоднородных систем»/ Под ред. C.B. Емельянова.

Том 29(1).Вып. 11 .-М.:Издательство ЛКИ, 2007, с. 18 -25.

6. Голубев П.В., Губин И. В., Королев В.И. Кластерный анализ в системном диагностировании расхода топлива. Труды института системного анализа Российской Академии Наук (ИСА РАН). Динамика неоднородных систем. Том 29(1),Вып.11.- М.: Изд-во ЛКИ, 2007,с.237-245.

7. Голубев П.В., Лебедев С.И., Старостин A.B. Экономия электроэнергии навигационного оборудования с автономными источниками электроэнергии. Межвузовский сборник научных трудов «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып. 6. СПб.:, СПГУВК, 2005, с.58-62.

8. Голубев П.В., Лебедев С.И., Трояновский Я. (профессор, Польша). Оптимальное управление судовой динамической системой при неполных измерениях, содержащих шум. Межвузовский международный сборник научных трудов «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып. 7. СПб, СПГУВК - Судостроение, 2006, с. 179-184.

9. Голубев П.В., Куликов С.А., Шергина О.В. Распределение ресурсов методом квадратичного программировании. «Интеграционная стратегия становления профессионала в условиях многоуровневого образования: Сборник статей Международной научно-практической конференции», (г. Котлас, 22-24 июня 2007 г.) в 2-х томах. Т.2, с. 296-302.

10. Голубев П.В., Лебедев С.И. Оптимизация составляющих допусков сопряженных деталей при заданном допуске узла. «Автоматизация, информатизация, инновация транспортных систем».Сборник научно -технических статей, СПб.: СПГУВК, №3, 2007, с. 83-88.

11. Голубев П.В., Севрюков A.C. Конструирование регуляторов судовых автоматических систем средствами символьной математики. Межвузовский сборник научных трудов «Информационные технологии и системы (Управление, экономика, транспорт)».СПб.: ООО «Андреевский издательский дом», 2005, с. 35-40.

12. Голубев П.В., Севрюков A.C., Лутков С.А. Информационная поддержка и алгоритм синтеза динамической системы управления методом нелинейного программирования. Межвузовский сборник научных трудов «Информационные технологии и системы (Управление, экономика, трапспорт)».СПб.: ООО «Андреевский издательский дом», 2005, с. 134-139.

13. Голубев П.В., Севрюков A.C. Управление подвижным объектом по заданной модели. Труды VI Международной конференции «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах». -СПб.: СЗТУ, Факультет системного анализа и естественных наук, июнь 2005, с. 194202.

14. Голубев П.В., Королев В.И., Сахаров В.В. Оценка параметров моделей водоизмещающих судов по измерениям вектора состояния. Журнал университета водных коммуникаций. Выпуск 4, 2009, с.41-46.

15 . Голубев П.В., Королев В.И., Губин И.В., Лебедев С.И. Оптимизация режимов движения судна по критерию расхода топлива в рейсе. Труды II -го Международного научно-технического семинара «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» 27 сентября 2007г.//-СПб.: СПГУВК, 2008, с.194-200.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 11.03.10 Сдано в производство 11.03.10 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1Д6. Уч.-изд. л. 1. _Тираж 60 экз._Заказ № 18_

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО СПГУВК 198035, Саикт-Пстербург, Межевой канал, 2

Введение.

1. Модели водоизмещающих судов как нелинейных динамических объектов.

1.1. Алгоритмизация и компьютерное моделирование динамики водоизмещающего судна как объекта управления на основе универсальной математической модели морских подвижных объектов.

1.2. Математическая модель динамики водоизмещающего речного судна, неустойчивого на курсе, и ее использование для обеспечения ее устойчивости и требуемых показателей качества средствами стабилизации нелинейных систем.

1.3. Алгоритм оценки параметров модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния в переходном режиме.

1.4. Кластерная модель для оценки влияния путевых условий на режимы работы СЭУ в рейсе и ее практическое использование.

2. Экономичное управление режимами движения судов в рейсе как проблема оптимального распределения ресурсов в условиях ограничений.

2.1. Численный алгоритм оптимального распределения ресурсов, базирующийся на аппроксимирующих функциях среды MatLAB.

2.2. Обеспечение экономии топлива в рейсе путем оптимального распределения ресурса ходового времени судна по участкам водной коммуникации.

2.3. Оптимизация режимов движения судов по критерию суммарного расхода топлива в классе генетических алгоритмов.

2.4. Модель и алгоритм оптимального управления технологическим процессом корпоративной системы в составе: земснаряды, суда, грузовые площадки порта, заказчик продукции.

3. Модели и алгоритмы оптимизации технологических режимов судовых технических средств.

3.1. Распределение нагрузки при параллельной работе судовых дизель -генераторных агрегатов методом квадратичного программирования.

3.2. Динамические наблюдатели как технические средства восстановления вектора переменных состояния судовых объектов и систем по вектору выхода.

3.3. Модель и алгоритм расчета наблюдателя, оптимальное управление маневром судна.

3.4. Информационная поддержка и алгоритмизация синтеза судовой системы управления, оптимальной по быстродействию.

4. Управление судовыми автоматическими системами по модели следования.

4.1. Реконфигурация систем управления динамическими объектами.

4.2. Устойчивость метода псевдоинверсии при управлении системами с реконфигурацией.

4.3. Управление судовой автоматической системой по модели следования.

4.4. Реализация алгоритма расчета судовых систем управления по модели следования.

Создание судовых моделей и алгоритмов автоматизации судовых технических средств - процесс эволюционный. Он должен основываться на современной прикладной теории управления и, естественно, на классических положениях точной науки об управлении, которая в современный период является наиболее актуальной и наиболее важной из всех наук [1], [75], [78]. Это обусловлено не только существенными изменениями в технической сфере, но и экологическим и общественным экономическим кризисом, выходы из которого лежат в новых структурах и методах управления [30], [63], [82]. Для прикладной теории управления характерно использование новых принципов, позволяющих синтезировать законы» управления, учитывающие внутренние кооперативные взаимодействия конкретных физических явлений и процессов, их физическое содержание. Фундаментальная проблема поиска законов управления при- максимальном учете свойств объекта соответствующей физической природы порождает крупные самостоятельные задачи в тех предметных областях, к которым принадлежит соответствующий объект управления [4], [61].

Совершенствование моделей судовых технических средств с целью обеспечения высокой степени их адекватности реальному, процессу позволяет вскрыть ранее не использованные резервы и возможности для повышения качества работы в условиях изменяющейся внешней среды [64]. По-прежнему актуальными являются вопросы создания и совершенствования моделей судов как управляемых подвижных объектов: В последнее время появились работы по созданию универсальных моделей морских подвижных объектов (МПО), пригодные для аналитического описания и моделирования водоизмещающих судов, судов с динамическими принципами поддержания, подводных лодок и аппаратов, предназначенных для освоения океана, поиска и освоения углеводородных ресурсов на шельфе и др. [8], [9]. На основе универсальных моделей возможно ведение исследовательского проектированиями разработка концептуальных, проектов морской техники. К концептуальным проектам относятся новые технологии развития и обеспечений интеграции систем навигации и управления? техническими1 средствами и судами в целом, создание средств гидроакустики w связи для выполнения* работ под водой, радиолокационных средств, предназначенных для обеспечения морской деятельности на новой электронной компонентной базе.

Актуальным, является процесс создания; моделей и алгоритмов автоматизации судовых технических, средств; . предназначенных для повышения эффективности использования морской техники- создаваемой на основе современных: технологий судового' машиностроения.;, судовых энергетических .установок и систем. Среди технических средств; , подлежащих автоматизации; следует выделить судовые энергетические системы; и их элементы, ■ системы и устройства судовых электроэнергетических комплексов; средства управления! движением;; грузовыми, операциями,, обеспечения жизнедеятельности, средства механизации и автоматизации? производственных процессов, технологий и морской техники для; добычи, и переработкшбйоресурсов;

Актуальность. В отмеченной концептуальной постановке создание И' совершенствование судовых автоматизированных систем путем моделирования и алгоритмизации технологических процессов; на. основе численных методов оптимизации с использованием современной* прикладной; теории управления; является; исключительно ' важной научно-исследовательской задачей,. имеющей большое народно-хозяйственное: значение:. Актуальность диссертационных исследований, состоит в том, что в результате их выполнения разрабатываются модели и алгоритмы, синтезируются системы автоматизации и управления; судовыми динамическими объектами и судном в целом, реализующие эффективные законы; управления путем оптимизации технологических процессов. Представляя; большую сложность исследуемой проблемы, автор определил класс первоочередных задач, подлежащих решению в исследуемой предметной области.

Прежде всего, это задача совершенствования- модели судна как нелинейного объекта и па базе обобщенной модели МПО создание алгоритмов и программных средств, предназначенных для совершенствования судовых рулевых комплексов. Требования к комплексам таковы, что в- случае необходимости, вызванной ситуацией на линии, они должны обеспечивать максимальное быстродействие, а в открытых акваториях и на крейсерских скоростях - наиболее экономичные режимы движения, с минимальным потреблением топлива и энергии. Очевидно, в первую очередь необходимо использовать энергосберегающие технологии на крупнотоннажных судах с энергетическими установками большой мощности. К таким судам следует отнести, прежде всего, супертанкеры дедвейтом-100000-250000 тонн, а также речные суда и составы дедвейтом от 5000 до 20000 тонн. При скорости хода 15 узлов уменьшение среднего значения угла рыскания крупного танкера на 0.5° может обеспечить экономию топлива в рейсе, составляющую несколько десятков тонн за счет рациональных режимов перекладки рулен, повышения точности поддержания курса , учета течения и адаптации к внешним воздействиям, а также за счет автоматизации процессов маневрирования, что может быть достигнуто путем оптимизации режимов эксплуатации судовых технических средств.

Из современной нелинейной динамики и теории оптимизации известно, что именно в классе нелинейных моделей можно добиться существенного повышения эффективности и качества функционирования сложных технологических процессов и производств. Следовательно, для реализации моделей и алгоритмов оптимизации судовых систем необходимо переходить на новые концептуальные основы алгоритмизации технологических процессов, позволяющие учитывать естественные нелинейные свойства объектов и максимально пспользовать имеющиеся способы управления [36], [37].

Исследования в перечисленных выше направлениях позволяют на качественно новом уровне решать задачи синтеза законов оптимального управления с помощью нелинейных регуляторов выхода и состояния, применять модели и алгоритмы для формирования критериев качества, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к замкнутым системам, и обладающих устойчивостью при больших и малых отклонениях координат. Для достижения поставленной цели - создания моделей и алгоритмов автоматизации судовых динамических объектов и технических средств на базе численных методов оптимизации и алгоритмизации - в диссертации решаются следующие задачи:

1. Разработка компьютерной модели водоизмещающего судна на базе обобщенных уравнений динамики судна как морского подвижного объекта (МПО). Алгоритмизация и программная поддержка моделирования режимов -движения судов с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений, средств LTI в среде MatLAB, методов моделирования в частотной области и моделей, реализуемых с помощью матричного экспоненциала.

2. Информационное обеспечение, моделирование динамики и управление неустойчивым, на курсе водоизмещающим судном. Определение областей-притяжения траекторных процессов (аттракторов), зависящих от формы диаграммы управляемости и от параметров модели конкретного судна. Алгоритм расчета нелинейной системы управления судном, неустойчивым на курсе, и обеспечение условий устойчивости способом параметрической оптимизации регулятора выхода.

3. Алгоритм оценки параметров- модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния на эволюционном участке траектории движения. Оценка показателя эффективности параметрической идентификации по спектру матриц состояния, определяющему динамические свойства объекта при вариации шага дискретности.

4. Кластерная модель оценки влияния путевых условий на. режимы движения судна и разработка рекомендаций по ее практическому использованию в рейсе.

5. Разработка моделей и алгоритмов для экономии топлива на судах в рейсе при изменении путевых условий. Экономичное управление режимами движения судов в рейсе как проблема оптимального распределения ресурсов в условиях ограничений. Оптимизация режимов движения судов в классе генетических алгоритмов.

6. Разработка модели и алгоритма оптимального управления технологическим процессом корпоративной системы в составе: земснаряды, суда, грузовые площадки порта, заказчик продукции.

7. Создание моделей и алгоритмов для обеспечения экономичных технологических режимов судовых технических средств; экономичное распределение нагрузки при параллельной работе судовых дизель -генераторных агрегатов; применение динамических наблюдателей как технических средств восстановления, вектора переменных состояния судовых объектов и систем по вектору выхода; моделирование и алгоритмизация процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по ' быстродействию.

8. Модель и алгоритм реконфигурации систем > управления динамическими объектами, получение условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. Оценка устойчивости псевдоинверсного метода, используемого для синтеза* системы управления с реконфигурацией.

9. Методика и алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования.

Методы исследований. Исследования проводятся на основе современной- прикладной теории оптимизации и управления, методов и алгоритмов автоматизации технологических процессов и производств, общей теории систем, системного анализа и исследования операций. В работе используется обобщенная математическая модель судна как морского подвижного объекта, нелинейные модели, полученные методами гидромеханики и теории корабля. Методы, используемые в работе, также основаны на технологии создания информационного обеспечения для синтеза автоматизированных систем, способах построения алгоритмов и машинных программ, организации и проведении вычислительного эксперимента, численных методах оптимизации в классе дискретных систем.

Научная новизна результатов исследований содержится в следующих основных положениях:

1. В получении компьютерной модели водоизмещающего судна на* базе обобщенных уравнений динамики судна как морского подвижного объекта (МПО); в алгоритмическом и программном обеспечении моделирования режимов движения судов с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений, средств LTI в среде MatLAB, моделирования в частотной области и моделей, основанных на применении матричного экспоненциала; в определении параметров предельных циклов и аттракторов,, зависящих от формы диаграммы управляемости и от параметров нелинейной модели конкретного судна.

2. Новыми являются решения, представленные алгоритмом оценки параметров модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния на эволюционном участке траектории движения и способом оценки показателя эффективности параметрической идентификации по спектрам матриц состояния.

3. В кластерной модели оценки влияния путевых условий на режимы движения судна и ее практическом использовании для экономии топлива и энергетических ресурсов в рейсе.

4. В разработанных моделях и алгоритмах для обеспечения экономии топлива на судах в рейсе при изменении путевых условий; алгоритме распределения ходового времени судна как ресурса при выборе экономичных режимов; оптимизации режимов движения судов в классе генетических алгоритмов.

5. Научная новизна содержится в модели и алгоритме оптимального управления технологическим процессом корпоративной системы в составе: суда транспортного и технического флота (земснаряды), грузовые площадки порта, заказчик продукции.

6. Новыми являются модели и алгоритмы, предназначенные для реализации экономичных технологических режимов судовых технических средств; алгоритм распределения нагрузки судовых дизель - генераторных агрегатов; способы построения динамических наблюдателей как судовых технических средств; дискретная модель и способ алгоритмизации процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по быстродействию.

7. В модели и алгоритме реконфигурации систем управления динамическими объектами, получении условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера> в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. В методике и алгоритме расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования с использованием инструментария символьной математики.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в создании моделей и алгоритмов автоматизации судовых технических средств на' основе численных методов синтеза оптимальных систем. Практическая значимость работы заключается в новых технических решениях и алгоритмах энергосбережения и экономии топлива на судах, применении^ динамических наблюдателей для восстановления неполной информации о состоянии судовых объектов, и технических средств. Важным для практических приложений следует считать разработанное программное обеспечение для автоматизации и оптимизации технологических процессов на судах, при управлении СЭУ и судовыми ДГА в рейсе, использование которого позволяет кардинально решить вопросы оптимального распределения ресурсов и энергосбережения при изменении условий плавания каждого судна.

Важными для практических приложений являются методика и алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования.

Основные выводы и положения диссертационных исследований внедрены на объектах водного транспорта, что подтверждено актом о внедрении. Предложенные модели и алгоритмы используются в учебных курсах на судомеханическом факультете и факультете портовой техники и электромеханики в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК).

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на VI Международной конференции «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах», АН России, СЗГТУ, Морская академия (Щецин, Польша), СПГУВК, с/х академия (Щецин, Польша), С. Петербург, июнь 2005 г.; на XIV Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», IV Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложение» (см. Труды. Ростов н / Д., изд-во «ЦВВР» 2006-262-ISBN 978-5-94153-138-7. с.133-139 и 140-145); на Международной научно - практической конференции 23-24 июня 2007 г., Котлас, 2007; П-м Международном научно-техническом семинаре «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС», 27 сентября 2007г.; постоянно действующих семинарах кафедр Автоматики, ТОЭ, факультетов «Информационных технологий», «Портовой техники и электромеханики» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Публикации. Основные положения диссертационных исследований опубликованы в 15 печатных работах, перечень которых приведен в библиографическом списке, помещенном в диссертации. В перечне трудов содержатся три работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК.

Выводы по четвертой главе

В четвертой главе получены следующие результаты:

1. Рассмотрена процедура реконфигурации систем управления динамическими объектами и определены условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов.

2. Исследованы условия устойчивости псевдоинверсного метода, используемого для синтеза системы управления с реконфигурацией.

3. Предложена система управления судовым динамическим объектом по модели следования.

4. Разработан и реализован алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования с использованием аппарата символьной математики.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. На базе обобщенной модели МПО, пригодной для моделирования как надводных подвижных объектов с различными способами динамического поддержания, так и водоизмещающих судов и подводных лодок, получена нелинейная математическая модель судна. Упрощение модели применительно к водоизмещающим судам основано на введении в состав матриц состояния и управления группы элементов, зависящих от скорости и квадрата скорости хода судна.

2. Для компьютерного моделирования динамики судна средствами MatLAB и исследований свойств объекта во временной и частотной областях разработан вычислительный алгоритм, состоящий из 4-х блоков: численного интегрирования; решения уравнений в среде LTI; блока решения в частотной области и решения с помощью матричного экспоненциала. С помощью передаточной функции системы по углу курса построена диаграмма Боде, позволившая по расположению JIAX и ЛФХ в области низких и средних частот оценить поведение системы в статике и динамике.

3. Для модели речного судна, неустойчивого на курсе, характерно наличие устойчивых предельных циклов и образование областей притяжения траекторных процессов (аттракторов). Разработана программа, с помощью которой установлены условия устойчивости нелинейной системы, выбраны коэффициенты передачи регулятора.

4. Разработан алгоритм оценки параметров модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния в дискретные моменты времени в эволюционном периоде изменения фазовых координат. Приведены оценки параметров, полученные для измерений с различными значениями шага дискретности. Показателем эффективности оценки является спектр матриц состояния, оцениваемый на различных этапах машинного эксперимента.

5. Предложена кластерная модель оценки влияния путевых условий на параметры движения судна в конкретном рейсе. Показано, что кластерную модель можно использовать для решения важных практических задач: построения расходных характеристик судна в рейсе; расчета экономичных ходов при минимальном суммарном расходе топлива; нормирования расхода топлива в каждом рейсе; оценки качества управления судном и его СЭУ во время эксплуатации.

6. Разработан численный алгоритм оптимального распределения ресурсов, базирующийся на аппроксимирующих функциях среды» MatLAB; алгоритм основан на технологических принципах многоцелевых программных структур, позволяющих на качественно новом уровне решать проблемы эффективного функционирования судов без существенных материальных и финансовых затрат.

7. Для экономичного управления режимами движения судов в рейсе разработаны модели и алгоритмы , позволяющие обеспечить решение задачи эффективного использования дизельного топлива и энергетических ресурсов в эксплуатационных условиях. При невысоких требованиях к вектору ошибок и большом числе участков трассы с различными путевыми условиями для расчетов экономичных режимов предложен генетический алгоритм, реализованный с помощью функции patternsearch, содержащейся в инструментарии Genetic Toolbox среды MatLAB. Показано, что функции генетического инструментария целесообразно использовать для решения плохо формализуемых задач, либо задач со сложной формой гиперповерхности целевой функции.

8. Работа судна как отдельной транспортной единицы в составе корпоративного объединения, созданного в условиях рынка, определяется организационно - технологическими решениями и критериями качества, вытекающими, прежде всего, из целей и задач корпорации- в целом, представляющей собою пример большой системы. Поэтому для автоматизации технологического процесса и выбора экономичных режимов в, системе, в составе которой находятся земснаряды, суда, грузовые площадки порта, заказчик продукции, предложены модель и алгоритм оптимального управления, реализованные на пошаговом использовании процедуры линейного программирования.

9. Разработаны модели и алгоритмы, предназначенные для оптимизации технологических режимов судовых технических средств. Для судовых дизель - генераторных агрегатов (ДГА) с различными расходными характеристиками определены экономичные режимы, при которых обеспечивается уменьшение затрат на топливо, потребляемое первичными двигателями, и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях.

10. Для восстановления информации по измерениям вектора выхода в судовых технических системах предложено использовать динамические наблюдатели как элементы судовых технических средств. Разработаны модель и алгоритм построения наблюдателей Луенбергера полной размерности.

11. Для оптимального по расходу энергии управления маневром судна в классе дискретных систем предложено использовать дискретную апериодическую систему,. позволяющую за назначенное число шагов (не меньшее размерности « п » вектора состояния) обеспечить переход полностью управляемой системы из заданного начального в требуемое конечное состояние. Представлены модель и алгоритм расчета наблюдателя для авторулевого в режиме управления маневром судна.

12. Создана информационная поддержка и выполнена алгоритмизация процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по быстродействию. Решение реализовано методами нелинейного программирования, на базе которых предложено решать динамические задачи оптимизации. Алгоритм управления судовой динамической системой, оптимальной по быстродействию, реализован с помощью оператора «fmincon», обеспечивающего минимизацию нелинейных функций в среде MatLAB при наличии ограничений.

13. Рассмотрена процедура реконфигурации систем управления динамическими объектами и определены условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. Исследованы условия устойчивости псевдоинверсного метода, используемого для синтеза системы управления с реконфигурацией.

14. Предложена система управления судовым динамическим объектом по модели следования. Разработан и реализован алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования с использованием аппарата символьной математики.

Основные научные положения и выводы диссертационных исследований нашли приложения при разработке систем управления технологическими процессами на судах транспортного и технического флота различного назначения, а также на протяжении нескольких лет используются при чтении лекций и проведении лабораторного практикума в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

1. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы.- М.: Изд. «Мир», 1982.- 584с.

2. Басин A.M. Теория устойчивости на курсе и поворотливости судна. -М.: ГИИТЛ, 1949. 158 с.

3. Бедров Я.А., Конарев Л.Е. О приближенном синтезе быстродействующего управления / Сб. тр. АН СССР. Отделение механики и процессов управления. «Анализ и синтез систем автоматического управления». -М.: Наука, 1968. С. 3-14.

4. Белый О.В., Кокаев О.Г, Попов С. А. Архитектура и методология транспортных систем. Монография. СПб.: «Элмор», 2002. - 256 с.

5. Бенькович Е.С., Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Практическое моделирование динамических систем. СПб.: БХВ- Петербург, 2002.-464с.

6. Варжапетян А.Т., Глущенко В.В. Системы управления. Исследование и компьютерное проектирование. Учеб. пособие. М.: Вузовская книга, 2000. - 328 с.

7. Васильев Е.М. Модальное управление нестационарными системами / Е.М. Васильев, К.Ю. Гусев // Вестн. Воронеж, гос. техн. ун-та. 2008. -№ 8. - С. 46-54.

8. Веремей Е.И., Еремеев В.В., Корчанов В.М. Синтез алгоритмов робастного управления движением подводных лодок вблизи взволнованной поверхности моря.// Гироскопия и навигация. 2000.2, с.34-43.

9. Веремей Е.И., Корчанов В.М., Коровкин М.В., Погожаев С.В. Компьютерное моделирование систем управления движением морских подвижных объектов.- СПб.: НИИ Химии СПбГУ, 2002. 370с.

10. Гамм А.З. Методы расчета нормальных режимов электроэнергетических систем на ЭВМ. Иркутск,1972.-186с.

11. Голубев П.В. Динамические наблюдатели при управлении судном. Сборник научно технических статей «Автоматизация, информатизация, инновация транспортных систем». Выпуск 4, СПб., Изд - во «ПаокКом», 2007, с. 102-106.

12. Голубев П.В., Королев В.И., Сахаров В.В. Информационное обеспечение, моделирование и оптимизация корпоративной структуры специализированного порта. Труды института системного анализа Российской Академии Наук (ИСА РАН).Том 17(1), 2005, с.222-235.

13. Голубев П.В., Королев В. И. Использование методов нелинейного программирования для оптимизации динамических систем. Труды Института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН). «Динамика неоднородных систем»/ Под ред. С.В. Емельянова.

14. Том 29(1).Вып. 11.-М.:Издательство ЛКИ, 2007, с. 18 -25.

15. Голубев П.В., Губин И. В., Королев В.И. Кластерный анализ в системном диагностировании расхода топлива. Труды институтасистемного анализа Российской Академии Наук (ИСА РАН). Динамика неоднородных систем. Том 31(2), М.: Изд-во ЛКИ, 2007,с.213-218.

16. Голубев П.В., Лебедев С.И. Оптимизация составляющих допусков сопряженных деталей при заданном допуске узла. «Автоматизация, информатизация, инновация транспортных систем».Сборник научно -технических статей, СПб.: СПГУВК, №3, 2007, с. 83-88.

17. Голубев П.В., Севрюков А.С. Конструирование регуляторов судовыхавтоматических систем средствами символьной математики.

18. Межвузовский сборник научных трудов «Информационные технологии и системы (Управление, экономика, транспорт)».СПб.: ООО «Андреевский издательский дом», 2005, с. 35-40.

19. Гринкевич Я.М, Сахаров В.В. Наблюдатели и оцениватели состояния всудовых системах управления. СПб.: СПГУВК, 2001. - 193с.

20. Дьяконов В. MATLAB: Учебный курс. СПб.: Питер, 2001. - 560с.

21. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-541 с.

22. Кацман Ф.М, Королева Е А Роль тарифов в конкурентной борьбе портов за транзитные грузы. / Сб. науч. тр. PAT. Актуальные проблемы транспорта. Том 1. СПб, 2001. - С. 14-20.

23. Колесников А.А. Последовательная оптимизация нелинейных агрегированных систем управления. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 160с.

24. Колесников А.А. (ред.). Современная прикладная теория управления часть 2. Синергетический подход в теории управления. Москва-Таганрог, изд-во ТРТУ. 2000. - 559 с.

25. Колесников А.А. Современная прикладная теория управления. Часть 3. Новые классы регуляторов технических систем. М. - Таганрог. Изд-во ТГРТУ. 2000. - 656 с.

26. Колесников Д.Н. (ред.). Системный анализ и принятие решений. Учеб. пособие. СПб.: СПГТУ, 1999. - 205 с.

27. Колесников Ю.Н. Опыт экономии топлива на судах Минречфлота. ЦБНТИ, Речной транспорт. М. - 1983. - Вып. 9. - С. 3-6.

28. Копысов О.Ю., Кулагин В.П., Прокопов Б.И. Быстродействующие адаптивные наблюдатели. М.: Поиск, 1996. - 437 с.

29. Королев В.И., Сахаров В.В., Ставинский А.Г. Алгоритм оптимального управления курсом судна./ В сб. науч. трудов СПГУВК, под ред. А.А. Сикарева. СПб.: СПГУВК,2002.-Вып.7, с 46-53.

30. Краснова С.А. Каскадный синтез наблюдателей состояния для нелинейных систем при наличии внешних возмущений / С.А. Краснова // Автоматика и телемеханика. 2003. - № 1. - С. 3-26.

31. Красовский А.А. (ред.). Современные методы управления многосвязными динамическими системами.

32. Вып. 1. М.: Энергоатомиздат, 2003. - 624 с.

33. Вып. 2. М.: Энергоатомиздат, 2003. - 556 с.

34. Кулибанов Ю.М., Малый П. А., Сахаров В.В. Экономичные режимы работы судовых энергетических установок. М.: Транспорт, 1987. - 205 с.

35. Лабутин С.А., Путин М.В. Статистические модели и методы в измерительных задачах. Н. Новгород, 2000. - 114 с.

36. Лапко А.В., Лапко В.А, Соколов М.И, Чепцов С.В. Непараметриче-ские модели коллективного типа. Новосибирск, Наука, 2000. - 144 с.

37. Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г.,Скороходов Д.А. Навигация и управление движением судов: Учебник. СПб.: Элмор, 2002. - 360 с.

38. Мали Л. Транспорт, энергетика и будущее. М: Мир, 1987. - 160 с.

39. Небеснов В.И., Плотников В.А., Кузюшин А.Я. Оптимальное управление ВРШ на волнении. М.: Пищевая промышленность, 1974. -85с.

40. Пашин В.М. Роль науки в организации и становлении российского судостроения на современном этапе. Судостроение. №6, ноябрь -декабрь 2007, с.3-6.

41. Петров Ю.П. Синтез устойчивых систем управления, оптимальных по среднеквадратичным критериям качества // А. и Т. 1983. - № 7. - С. 5-24.

42. Петров Ю.П. Оптимальные регуляторы судовых силовых установок (Теоретические основы). Д.: Судостроение, 1966. - с.

43. Петров Ю.П. Оптимизация управления систем, испытывающих воздействие ветра и морского волнения. JL: Судостроение, 1973. - 216 с.

44. Погожаев С.В. Фильтрация волновых помех в канале стабилизации курса судна / Труды XXX науч. конф. «Процессы управления и устойчивость». СПб.: НИИ Химии СПбГУ, 1999. - С. 155-164.

45. Попов С.А. Оптимальное управление режимами движения транспортных судов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Л.: ЛЭТИ, 1972. - 54 с.

46. Преображенский А.В., Сатаев В.В, Фейгин М.И. Эффект бифуркационной памяти в динамике судна // Проблемы машиностроения и надёжности машин, РАН 2001. -№ 3. - С. 104-107.

47. Пупков К.А., Егупов Н.Д. (ред.). Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 1. Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления. -М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 656с.

48. Пупков К.А., Егупов Н.Д. (ред.). Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 2. Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 640с.

49. Пупков К.А., Егупов Н.Д. (ред.). Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 3. Синтез регуляторов систехм автоматического управления. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. -616с.

50. Пупков К.А., Егупов Н.Д. (ред.). Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 4. Теория оптимизации системавтоматического управления. М.: Изд. МГТУ им: Н.Э. Баумана, 2004. -744с.

51. Пупков К.А., Егупов Н.Д. (ред.). Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 5. Методы современной теории автоматического управления. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. -784с.

52. Пупков К.А., Егупов Н.Д., Лукашенко Ю.Л. п др. Матричные методы расчета и проектирования сложных систем автоматического управления для инженеров.- М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.- 664с.

53. Ройтенберг Я.Н. Некоторые задачи управления движением. М.: Физматгиз, 1963.-140с.

54. Самарский А.А, Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. М.: Физматлит, 2001. - 320 с.

55. Сатаев В.В. Разработка адаптивных алгоритмов работы интеллектуального авторулевого, использующих динамические особенности неустойчивых на курсе судов. Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук. Н. Новгород, 2001, 23 с.

56. Сахаров В.В. Расчёт оптимальных регуляторов судовых автоматических систем: Теория и приложения. Л.: Судостроение, 1983. - 168 с.

57. Соловьёв Ю.А. Системы спутниковой навигации. Эко-Трендз. М.: 2000. - 267 с.

58. Сикарев А.А. Интеграционные процессы на рубеже XX и XXI веков в глобальных и региональных информационных сетях связи и местоопределения подвижных объектов / Труды Международной Академии Связи, 1(17), 2001. С. 27-29.

59. Фомин Г.П. Математические методы и модели в коммерческой деятельности: Учебник.- М.: Финансы и статистика, 2001.- 544с.

60. Фомин Н.Н., Орлов А.Е. Стандарт безопасности судовых дизелей. Труды Международного научно технического семинара «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» //Под общей редакцией O.K. Безюкова /- СПб.: Изд-во «ПаркКом», 2006, с.237-251.

61. Францев Р.Э., Гаскаров В.Д. Автоматизированные системы управления.Учебное пособие.- СПб.: СПГУВК, 2003.-136.

62. Францев И.Р., Столбов В.В. Системы (анализ, моделирование, проектирование).-СПб.:Судостроение,2002.-140 с.

63. Чернодаров А.В., Матюшин В.А. Управление состоянием интегрированных навигационных систем по полетным данным. МГТУ гражданской авиации. Научный вестник МГТУ ГА, № 89. Серия «Авионика и электротехника», М., 2005, с. 46-58.

64. Abi-Khalaf М., Lewis F.L. Nearly optimal state feedback control of constrained nonlinear systems using a neural networks HJB approach. Annual Reviews in Control. Vol. 28, Part 2, 2004, pp. 239-251.

65. Arbel A., Tse E. Observer Design for Large-Scale Linear Systems. IEEE Trans. A.C. Vol.AC-24, No.3, June 1979, pp. 469-476.

66. Bucy R.S. Lectures on Discrete Time Filtering. Berlin: Springer - Verlag, 1994.

67. Chedid et al. Adaptive Fuzzy Control for Wind Diesel Weak Power Systems. IEEE Trans. Energy Conversion. Vol'. 15, no. 1, March 2000, pp. 71-78.

68. Elwy E., El-kholy E. and others. Robust space-vector current control for induction motor drives. Journal of Electrical Engineering. Vol. 57, No. 2, March-April 2006, pp. 61-68.

69. Holly S., Rustem В., Zerrop M.B. Optimal Control for Economic Models. L.,1977.-386 p.

70. Jordaan J.P., Ungerer C.P. Optimization of Design Tolerances Through Response Surface Approximations. Journal of Manufacturing Science and Engineering. Vol. 124, No. 3, August 2002, pp. 762-767.

71. Kristiansson В. P I D Controllers Design and Evaluation. Chalmers. Goteborg, Sweden, 2003.

72. Lim C.C., Forsythe W. Autopilot for ship control.

73. Pt. 1.: Theoretical design., pp. 281-287. Pt 2.: Simulation studies, pp. 288-294. Control theory and Applications. Vol. 130, Part D, no. 6, November 1983.

74. Malinen J., Staffans O.J., Weiss G. When is a linear system conservative? Quarterly of Applied Mathematics. Vol. LXIV, No. 1, March 2006, pp. 61-91.

75. Reid R.E., Mears B.C. Design of the steering controller of a supertanker using linear quadratic control theory: a feasibility study. IEEE Trans. Automatic Control. 1982. Vol. AC-27, no. 4, pp. 940-942.

76. Villalba S.A., Bel C.A. Hybrid Demand Model for Load Estimation and Short Term Load Forecasting in Distribution Electric Systems. IEEE Trans, on Power Delivery. Vol. 15., no. 2, April, 2000, pp. 764-769.

77. Wang Y.T., Wilson D.R., Heat-Pump control. IEE Proc.~D. Control Theory and Applications. Vol. 130, PartD, no. 6, November 1983, pp. 328-332.

78. Whittle P. Optimal Control Basics and Beyond. John Wiley & Sons, W.Y., Toronto, Singapore, 1996.

79. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИСТЕТ1. ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ1. На правах рукописи1. Голубев Павел Викторович

80. МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА СУДАХ И УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

81. Специальность 05.13.06. Автоматизация и управление технологическимипроцессами и производствами (технические системы)