автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и алгоритмы управления в тренажерах для операторов морских буровых комплексов

На правах рукописи

р' - ОД

САВКИНА Анастасия Васильевна

Модели и алгоритмы управления в тренажерах для операторов морских буровых комплексов

Специальность 05.13.01 — «Управление в технических системах»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2000

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева.

Научный руководитель — доктор технических наук В.А. Нечаев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Годунов А.И.;

доктор технических наук, профессор Лезин П.П.

Ведущее предприятие: АО "Нефтегазтехнология" (г. Мурманск).

Защита состоится 29 июня 2000 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 063.18.03 Пензенского государственного университета (440017, г. Пенза, ул. Красная, 40).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат диссертации разослан 26 мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В. В. Смогунов

И1ЪШ9.1-5'082.02р(2)'Щ0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Существующий в настоящее время дефицит энергетических ресурсов привел к созданию оборудования, предназначенного для морской разведки нефтяных и газовых месторождений. Для работ по освоению Мирового океана служат морские буровые комплексы (МБК). В их состав входят буровое судно (БС) и оборудование, предназначенное для добычи нефти и газа, в частности, буровая колонна (БК). Эксплуатация буровых комплексов основывается на системе управления технологическими операциями, начиная с перехода" и постановки на точку бурения и кончая проходкой скважины. При этом на каждом этапе должно обеспечиваться качество, необходимое на следующих этапах, и поддерживаться высокая безопасность, надежность, производительность и эффективность всей установки и всего процесса в целом. Для этого требуются как совершенные средства и системы автоматизации, так и высококвалифицированные операторы, принимающие правильные и обоснование решения по управлению техническими средствами.

Сложность работы оператора системы динамического позиционирования эпределяется большой протяженностью и инерционностью самого объекта управления, ограниченными пределами работы технологического оборудова-тя. На качество процесса удержания большое влияние оказывают субъектив-ше факторы: усталость, потеря навыков управления после длительного отсут-ггвия практики, психологическая неуверенность. Как показал анализ, примерно >0% аварийных ситуаций возникает по вине экипажей и, в основном, из-за низ-сой квалификации операторов.

Одним из важнейших факторов эффективного освоения морских место-юждений нефти и газа является создание тренажеров для подготовки и пере-[одготовки кадров плавсостава с целью безаварийной работы при выполнении [орогостоящих технологических операций и эксплуатации сложного оборудо-ания. Создание такого тренажера для обучения, тренировки и отбора специа-истов по системам динамического позиционирования позволит имитировать роцессы управления БС в условиях действия внешних возмущений при полых или частичных отказах системы управления и позволит избежать аварий-ые ситуации. При разработке тренажера ставилась задача создания обобщен-ой структуры известных судовых систем управления. Зарубежные тренажер-ые комплексы построены на основе фирменных вычислительных комплексов, ведения об аппаратной и программной реализации носят рекламный характер

и являются секретом фирм-изготовителей. Попытки непосредственно использовать отечественные разработки моделей и алгоритмов в составе тренажеров для решения новых задач часто не приносят желаемого результата. Это во многом связано с большими глубинами, особенностями задач управления МБК, отсутствием удобных для использования математических моделей и алгоритмов.

В этих условиях создание тренажера, разработка математических моделей, методик и алгоритмов управления, высококачественных и надежных средств контроля и обучения операторов весьма актуальны.

Актуальность тематики подтверждается решениями международных, всесоюзных и всероссийских совещаний по автоматизации процессов управления техническими средствами, исследования Мирового океана, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференций "Технические средства изучения и освоения океана", "Проблемы научных исследований в области изучения Мирового океана", "Методы и средства управления технологическими процессами".

Целью работы является разработка моделей и алгоритмов управления в тренажерах для операторов морских буровых комплексов, характеризующихся большой протяженностью, нестационарностью характеристик, существенной инерционностью при случайных внешних воздействиях. Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих основных задач:

— исследование технологического процесса как объекта управления, изучение специфических особенностей оборудования и устройств;

— анализ результатов исследований и определение методов и средси решения данной проблемы;

— разработка математической модели бурового судна в режимах постановки на точку бурения и условиях проходки скважины с учетом влияния буровой колонны на буровое судно;

— разработка математической модели буровой колонны с учетом случай ных воздействий ветровых волн, течений и смещений судна, определение об ластей применимости полученных формул;

— разработка алгоритмов адаптации модели бурового судна, обеспечи вающих высокое качество управления и прогнозирования при нестационарно ста характеристик управляемых процессов в условиях неконтролируемосл внешних возмущений;

— разработка алгоритмов прогнозирования движения МБК, обеспечи вающих безаварийную эксплуатацию бурового оборудования;

— разработка, экспериментальное исследование и внедрение алгоритмов управления в составе тренажера для операторов МБК;

— разработка требований к структуре, вычислительным средствам тренажерного комплекса, обеспечивающего реализацию полученных алгоритмов управления, прогнозирования и обучения.

Методы исследований. Теоретическая часть диссертации разработана с привлечением элементов теории вероятностей и математической статистики, матричной алгебры, спектрального анализа, теории дифференциальных уравнений в частных производных, методов вычислительной математики, метода возмущений и согласованных асимптотических разложений, метода динамического программирования.

Экспериментальные исследования проведены на базе программных и аппаратных ср^лств с привлечением стандартного программного обеспечения, среды Delphi 4.0, пакета Statistica/W v5.77J.

Научная новнзна. В процессе выполнения работы получены следующие новые научные результаты:

— разработана математическая модель морского бурового комплекса, включающая модель бурового судна и буровой колоты, алгоритмы расчета статических и динамических характеристик в реальном и ускоренном масштабах времени;

— разработаны алгоритмы оперативной идентификации модели бурового судна в условиях нестационарности характеристик и неконтролируемости внешних возмущений в процессе эксплуатации;

— разработаны алгоритмы квазиоптимального управления бурового комплекса с использованием динамического программирования в ретроспективном времени в условиях жестких ограничений на переменные управления и состояния при изменении критерия качества в процессе функционирования;

— определены рациональные сочетания параметров алгоритмов управления морским буровым комплексом;

— разработаны методика построения, структура и алгоритмы функционирования тренажерного комплекса, предназначенного для подготовки операторов к управлению МБК как в нормальных, так и экстремальных условиях, контроля действий оператора в процессе проведения добычных и исследовательских работ на море;

— определены требования к структуре и вычислительным средствам тренажерного комплекса, обеспечивающие реализацию полученных алгоритмов управления, прогнозирования и обучения.

Практическая значимость работы. Полученные результаты в рамках проведенной работы представляют собой модели и алгоритмы управления в тренажерах для обучения операторов МБК и позволяют:

— обеспечить необходимый уровень подготовки и переподготовки операторов буровых комплексов;

— повысить безопасность эксплуатации дорогостоящего добычного и исследовательского оборудования;

— повысить качество управления буровым комплексом;

— создать основы инженерного расчета для реализации тренажерных комплексов и тренажеров-советчиков операторов МБК;

— решить круг задач, связанных с проектированием систем управления морского бурового комплекса,

— реализовать модели и алгоритмы управления в тренажерах для обучения операторов МБК.

Практическая реализация. Материалы диссертационной работы внедрены и в настоящее время успешно используются при проектировании технических средств для подготовки операторов буровых судов на предприятиях нефтегазового комплекса России, в частности, в Мурманском АО "Нефтегаз-технология".

"Результаты исследований положены в основу реализации проекта №19 Федеральной программы экономического и социального развития республики Мордовия на 1996-2000 гг.".

Методики построения и программное обеспечение тренажерных комплексов, предназначенных для подготовки операторов к управлению буровыми судами в аварийных и экстремальных условиях, использованы в разработках РАО "Газпром".

Результаты диссертационной работы широко используются в учебной работе факультета электронной техники Мордовского госуниверситета в рабочих материалах учебных курсов "Методы математического моделирования", "Промышленные цифровые системы управления и контроля", "Статистические методы обработки данных и планирование эксперимента" в курсовом и диплом ном проектировании.

Практическая реализация подтверждена актами о внедрении результате! диссертационной работы на предприятии АО «Нефтегазтехнология» и в учеб ной работе факультета электронной техники.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационно! работы, а также отдельные ее главы, отражены в отчетах по научно

исследовательской работе "Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования", проводимой согласно проекту программы по разработке, изготовлению и поставке технических средств и оборудования для освоения ресурсов нефти и газа на шельфе России на период до 2005 года, подготовленная в соответствии с поручением Совета Министров СССР от 08.12.86 г.

Основные результаты докладывались и обсуждались на Межреспубликанской научной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1991), Республиканской научно-технической конференции "Новые материалы и процессы деформации" (г. Саранск, 1991), Огаревских чтениях в Мордовском госуниверситете им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 1995), конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета (г. Саранск, 1997), I, II Международных научных конференциях "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1995, 1997), III Международной научной конференции "Дифференциальные уравнения и их приложения" (г. Саранск, 1998), Международной научно-технической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров" (г. Пенза, 1999).

Публикашш. По результатам разработок и исследований, проведенных в процессе работы над диссертацией, опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, содержащего 137 источников, а также ряда приложений. Материал диссертации изложен на 199 страницах, иллюстрирован 32 рисунками. Общий объем приложений составляет 30 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и средства ее достижения, определены задачи исследований, показана новизна полученных результатов, их практическая значимость и степень реализации, приведена краткая характеристика работы в целом.

Первая глава диссертации посвящена анализу современных проблем создания моделей и технических средств, выбору и обоснованию подхода к разработке алгоритмов управления в тренажерах для обучения операторов морских эуровых комплексов.

Проведенные исследования показали, что современные буровые комплексы, оснащенные зарубежными системами управления, обладают рядом недостатков, существенно снижающих эффективность их эксплуатации. В частности, вектор управляющих воздействий формируется без учета специфических особенностей работы бурового оборудования, без оперативной оценки возможных перегрузок буровых колонн. Системы управления не позволяют оценить правильность действий оператора, спрогнозировать поведение МБК в ускоренном масштабе времени, рассчитать наилучшие варианты управления в экстремальных условиях. Существующие модели не учитывают всего многообразия явлений, возможных при управлении буровым комплексом, а также характерных особенностей взаимодействия отдельных элементов, не ориентированы на комплексное решение задач управления, не позволяют выполнять их в реальном и тем более ускоренном масштабе времени.

Рассмотрены характеристики сложного технологического оборудования, на основании чего сделан вывод, что для успешной работы буровых комплексов актуальной является задача тщательной отработки соответствующих навыков у операторов; несмотря на сложность объектов и влияние психологических факторов, создания для этого необходимых технических средств — тренажеров и разработки обучающих и контролирующих работу оператора систем, соответствующего программного и методического обеспечения. Показана необходимость разработки обобщенной математической модели МБК, учитывающей особенности динамики, алгоритмов и программ реализации уравнений движения, обеспечивающих их однозначную разрешимость при условии сохранения физической осмысленности решений, алгоритмов и программ идентификации моделей по результатам модельных и натурных экспериментов, их реализации в тренажерном комплексе, исследования взаимосвязанного функционирования этих моделей в реальном и ускоренном масштабах времени.

Вторая глава диссертации посвящена анализу и разработке математических моделей бурового комплекса. Показана целесообразность представления модели МБК в виде совокупности модели с сосредоточенными (буровое судно) и распределенными (буровая колонна) параметрами с сохранением связи через соответствующие переменные.

Анализ эксплуатации буровых колонн показал целесообразность моделировать их поведение в виде аналитических решений. Для этого выделяются основные зоны колонны, различающиеся между собой по характеру работы. К таким зонам относятся зона волновых воздействий, основной участок, верхний и нижний пограничные слои. В каждой из этих зон дифференциальное уравнение,

описывающее работу колонны, можно, используя методы возмущений и согласованных асимптотических разложении, записать в упрощенном виде. После этого с помощью нелинейных вероятностных методов определить главные статистические параметры случайной реакции колонны на внешние воздействия. Полученные выражения позволяют явно видеть характер влияния важнейших параметров, таких как глубина воды, размеры колонны и природные условия.

Представленные в диссертации формулы являются приближенными и могут использоваться в случаях, когда выполняются следующие условия:

— колонна считается почти прямолинейным, вертикальным растянутым стержнем, на который действуют волновая нагрузка типа Морисона, смещения бурового судна и равномерное течение;

— нижний и верхний концы колонны соединены с опорной конструкцией шарнирно;

— частоты ветровых волн, смещений платформы и характеристические частоты колебаний колонны являются величинами одного порядка;

— влияние сопротивления жидкости на демпфирование собственных форм колебаний незначительно;

— параметры колонны таковы, что можно выделить верхнюю зону волновых воздействий, поверхностный и придонный пограничные слои, центральную зону колонны. Такое разделение в общем случае допустимо при диаметрах колонн менее 0,5 м и при глубинах воды более 150 м. Этот класс колонн встречается во многих практических случаях, включая этапы бурения и добычи нефти и газа.

Поскольку напряженно-деформированное состояние колонны в пределах пограничных слоев носит квазнстатический характер, приводимые в диссертации формулы могут применяться для определения как статической, так и динамической реакции колонны.

Для центрального участка колонны получены как статическое, так и динамическое решения, а именно:

— решение, соответствующее статическому напряженно-деформированному состоянию, вызванному действием течения и статического смещения бурового судна;

— решение, описывающее динамическое напряженно-деформированное состояние колонны, вызванное колебаниями судна под влиянием ветровых волн;

— решение, описывающее колебания колонны, вызываемые срывом вихрей с поверхности колонны под воздействием течения.

Полученные выражения позволяют определить общую картину напряженно-деформированного состояния колонны, что необходимо на предварительных этапах проектирования и при обучении операторов. С целью исследования адекватности модели были использованы матрицы массы и совокупной жесткости и стандартная подпрограмма для определения естественных частот' определенной буровой колонны с длиной и другими конструктивными параметрами, определенные по дискретной модели естественных частот. Расчеты показали, что между первыми и вторыми естественными частотами, полученными либо указанным методом, либо по дискретной модели, мало расхождений.

Необходимость разработки модели бурового судна определяется наличием в его составе специального оборудования, что приводит к ряду специфических особенностей в реализации математической модели БС: динамическое позиционирование, которое предполагает практически нулевые скорости по сравнению с транспортными, быстроходными и другими судами; режим маневрирования, который обеспечивает поворот судна на месте до 90°; в отличие от других судов БС имеет связь с буровым оборудованием, находящимся на дне моря, через буровую колонну. При построении математической модели судна применены классические положения теории статики и динамики с использованием традиционных допущений и учетом влияния буровой колонны. Исходя из специфики движения бурового судна в горизонтальной плоскости относительно точки бурения, уравнения динамики в связанной системе координат представляются в виде результирующих уравнений баланса сил и моментов: ^ + + Кт + +Кь +Рхд+Рл =0;

Ру» +РуТ +РуЬ +Руу =0; (1)

+ М2а+Ми+М,р+М2у+МгГ+М1к =0, где Рхи , Р^ , Мя - инерционные составляющие сил и момента, действующих на корпус БС; Рхг , Р№ , М^ - гидродинамические силы и момент вязкой природы, действующие на корпус судна при отсутствии течения; РхТ , РуТ , МгТ - силы и момент течения; Д^м-силы и момент ветровой

нагрузки; Р^ руЬ Л/^- силы и момент, вызванные волнением; Рхр ,РурМгр~ силы и момент, обусловленные влиянием руля; Р^ р^Мгу- силы и момент, создаваемые подруливающими устройствами; РхГ руГ №2г ~ силы и момент, создаваемы работой главных гребных винтов; Рхк Рук М гк - силы и момент, обусловленные влиянием буровой колонны.

Для анализа и синтеза системы динамического позиционирования в точке бурения математическая модель БС с приведением к неподвижной системе координат представляет собой несимметричную нелинейную систему дифференциальных уравнений. Основное время функционирования МБК'Осуществляется в режимах малого изменения переменных состояния, что позволяет использовать упрощенные линеаризованные модели.

Линеаризацию модели бурового судна целесообразно рассматривать как задачу идентификации параметров линейной системы по динамическим переходным характеристикам. Исходной нелинейной системе поставлено в соответствие множество линейных систем. В итоге в режиме малых отклонений от опорных точек модель бурового судна, примет вид:

— = AX+BU + F, (2)

dt

где X(t) — вектор переменных состояния; U(t) — вектор переменных управления; A(t), B(t) — матрицы параметров; F(t) — вектор возмущений.

В матричном виде:

V/ V U2 ~ь„ 0 0 0 ' 0

Vy Ь21 0 0 0 ~ап ап а13 0 0 '

= со X Щ 0 ;В = 0 0 ь33 0 ап ап а22 °32 а2з азз 0 и 0 0 0 0

У 0 0 0 0 а41 а42 0 0 0 °46

0 0 °6 3 0 0 0

V . 0 0 0 0

где Vx, Vy — проекции скорости движения судна на продольную и боковую оси; х, у ■— перемещение вдоль продольной и поперечной оси; со — угловая скорость вращения; —угол курса; «;, и2, и3 — суммарные управляющие силы, действующие вдоль и поперек БС, и момент, вызывающий вращение относительно вертикальной оси.

Для расчета напряженно-деформированного состояния колонны и реализации модели БС была использована среда объектно-ориентированного и визуального программирования Delphi, что позволило создать наглядное представление поведения МБК, необходимое оператору бурения.

В третьей главе диссертации разработаны алгоритмы управления в тренажерах морских буровых комплексов. При управлении буровыми комплексами с использованием методов прогнозирования необходимо решать ряд взаимосвязанных задач, заключающихся в получении модели управляемого объекта, адекватной ему на текущий момент времени to и на отрезке времени прогноза [to.

1(1 ■ '/'„/; в задании в модель начального состояния Х„ и отыскании оптимальных в смысле заданного критерия качества управлений при заданных ограничениях на неременные управления и состояния. При этом удобно выделить составные части системы управления судна в виде подсистем параметрической идентификации и, собственно, управления.

Для~ обеспечения качественного управления движением бурового комплекса в процессе выполнения всей программы буровых работ при изменении характеристик объекта необходимо производить настройку моделей в процессе функционирования системы управления. Целесообразно использовать для этой цели, с учетом достаточно высокой точности при незначительных требованиях к объему оперативной памяти и быстродействию бортовой ПЭВМ, метод параметрической идентификации в соответствии с выражением

Ск+1=Ск-НкЧсЕк, (3)

где Ск, Нк, Ек — вектор параметров модели, вектор коэффициентов усиления и минимизируемый функционал ошибок идентификации после к-ой настройки параметров, соответственно.

Используемая в контуре управления модель судна принята в виде, структурно совпадающем с выражением (2):

(IX

и=АиХи*Вии. (4)

(II

Сравнительно высокочастотный характер действующих на МБК управляющих и возмущающих воздействий при малой скорости изменения параметров А и В в процессе движения дают возможность предположить малость величины V Ек и воспользоваться для ее определения беспоисковой процедурой. При этом алгоритм адаптации примет вид:

= А\я + НАк — МаяX Ш) '* •'

СЛК!к сл лл ^

вш +/ =вмк +НВк —(вш ик) -г к ■ д л сХт

Характерные изменения параметров бурового судна позволяют использовать при синтезе "алгоритмов адаптации критерии мгновенных ошибок. При этом точность адаптации моделей целесообразно оценивать по величине рассогласования векторов состояния моделей по методу наименьших квадратов

] хм

Я* =~ ¿>шп(Чшь (6)

* п.т-1

где упт —нормирующие коэффициенты, —порядок модели.

Полученные уравнения щптации, позволяют определить приращения

етствующих параметров модели бурового судна при новой подстройке:

^мпО1 + = Чпхш(к)1х шО1) ~х1(к)]:

<п(к + = ЯпХм2(к)[х,1,(к)-х,(к)1;

Ааии(к + = Ч,зхнз(к)[хм,(к)-х,(к)];

АаЧ2,(к + = Ч2,хИ1(к)[хМ2(к)-х2(к)];

Аа„2:(к + = Ч22хК,2(к)[хМ1(к) -х2(к)] ;

АаМ2з(к + = 4 2зхмз(к)[хм2(к)-х/к)];

^кшО1 + = Чз,хш(к)[х ш(к) -х¡(к)];

Ааиз/к + = Чз2хи2(к)[ х,п(к)-х3(к)];

Ламзз(к + ) = Яззхмз(к)[хиз(к)-х3 (к)];

ЛаАЫ,(к + = Ч4,хи,(к)[ хм/к) ~х4(к)]. (7)

ЛаШ2(к + = Ч42хш(к)1х мА) ~х4(к)1;

+ = с!4бхт(к)1х шМ ~х4(к)];

¿"АШ^ + = '1мхм1 (к)[х м,(к) -Х;(к)];

ЛаМ5:(к + = (152хИ2(к)[х т(к) -х5(к)];

ЛаМ5б(к + = Ч5бх\/б (к)1хш (к) ~ хб(к)1-

^>М6з(к + = Чбзхмз(к)[хИб(к) -х/к)};

ЛЬШ1(к + = ЧЬпи,[хм,(к) -х,(к)] ;

¿ЬИ22(к + = ЧН::и21хш(к) -х2(к)] .

Л Ьмз(к + = ч''!1"з1х.из<к) ~хз(к)] ■

Коэффициенты, регулирующие скорость сходимости алгоритмов адаптации, определяются из выражений в процессе моделирования.

ч™ = я1=гь„ЛтД1. (8)

где Л1 — временной интервал параметрической настройки моделей, /;„„ — компоненты матрицы Н.

Алгоритмы адаптации должны со временем компенсировать ошибки, связанные с неверным заданием оператором начальных значений параметров, а также отслеживать дальнейшее изменение характеристик судна.

Эффективным средством управления сложными буровыми комплексами являются системы управления с прогнозированием, в которых используются упрощенные модели движения бурового комплекса в целом, а затем реализуется на объекте безопасный и оптимальный в смысле минимума отклонения судна эт точки бурения и с учетом поведения колонны вариант управления. Для полу-

чения алгоритмов управления необходимо выполнять процедуру динамического программирования в обратном времени. Поскольку будущие состояния бурового судна на интервале прогнозирования от ^ = /0 + АГдо ^ точно неизвестны, необходимо задавать области начальных конечных ОД,) , а также промежуточных ОД , +пАТ ) состоянии, используя априорную информацию о траектории движения судна с учётом рассогласования истинной ^('о) и заданной К, (О траекторий движения БС и используемого на данном отрезке прогнозирования критерия качества.

Разделим весь промежуток прогнозирования Тп на N интервалов равной длительности ЛТ^Тц/И и сформируем области возможных состояний управляемого объекта на каждом из временных интервалов. Для каждого из состояний сформируем всевозможные управления, которые переводят судно из одной области состояний в другую. Каждую пару значений состояния системы и соответствующего ему управления назовём вариантом управления. Выбранному варианту управления на N -м шаге соответствует значение функционала

<2=±-°\(Хг11хХ+итК„и)Л, (9)

* а I

1 О о' 0 10. О О 1

Найдем минимальное значение критерия качества и соответствующее ему оптимальное управление. Количество условно оптимальных вариантов управления на любом н-м шаге управления равно числу всевозможных состояний системы из этой области. Таким образом, в результате оптимизации на последнем N -м шаге для каждого состояния бурового судна будет известно оптимальные управление и траектория.

Изменение планового положения протяженных элементов бурового комплекса в подвижной, связанной с ним системе координат, с достаточной точностью определяется средним значением действующего на него управления, это позволяет прогнозировать будущее перемещение комплекса путем приложения

где =

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 г,з 0 0 0

0 0 0 гы 0 0

0 0 0 0 Г,5 0

0 0 0 0 0 Г,6

>Ки =

на вход модели постоянного по величине управления, определяемого как

1/111 = ~ , в течение всего интервала от /; до Тп +10.

Для процесса управления бурового комплекса вполне применимо свойство конечности памяти к входным воздействиям, то есть независимости выходных переменных от бесконечности далекого прошлого. Вместе с тем при реализации метода динамического программирования необходимо учитывать инерционные и динамические свойства комплекса, проявляющиеся в том, что значения его выходных переменных в данный момент зависят не только от настоящих, но и от предшествующих значений входных воздействий. Задание будущих состояний бурового комплекса в виде целых областей позволит учесть его динамические свойства, как объекта управления. Будущие возможные на интервале прогноза Тп области состояний С(х) складываются из областей изменения отдельных переменных. После определения "осей" переменных и формирования вокруг них областей изменения можно приступить к выполнению процедуры динамического программирования в обратном времени.

Полученные алгоритмы параметрического оценивания и управления образуют адаптивную систему управления буровым комплексом с прогнозированием. Благодаря полученному прогнозу оказывается возможным предоставить оператору достоверную информацию о будущем поведении комплекса и оценить тем самым безопасность проведения буровых работ.

Четвертая глава посвящена анализу функционирования моделей и алгоритмов и возможностей тренажера морского бурового комплекса. Работа тренажера исследовалась в соответствии с программой морских работ, включая изучение качества функционирования системы управления в условиях разнообразных внешних возмущений при нестационарности динамических характеристик и зашумленности навигационной информации. Программное обеспечение тренажера разбито на блоки: блок ввода начальных условий и констант; блок задания программы бурения; блок выработки внешних возмущений; блок формирования шумов измерения; блок формирования изменений параметров бурового комплекса; блок параметрической идентификации модели; блок прогнозирования и поиска оптимальных управлений; блок математического описания процесса движения МБК.

На разработанном тренажере были проведены эксперименты в широком диапазоне изменения начальных условий с учетом влияния выбора констант на качество управления, заданием различных целей управления и траектории дви-

жения бурового комплекса, изменением ограничений на переменные состояния &„ и управления Д,.

Произведено исследование алгоритмов адаптации. Точность настройки параметров моделей оценивалась относительной величиной невязки параметров настраиваемой модели ( aMnm,bM„m,) и модели имитирующей МБК {аИт„, Ьцпщ):

dт = а"т ~ а""т 100 % : ¿ъш = Ьи"т ~Ъшт ЮО % . '(10)

аМгт ^Мпт

Частотные спектры идентифицируемых параметров задавались в виде

~ аИгт

(0) + А аИпт sin О t;

Ьц„т (0 = Ьи„т (0) + Л ЬШт sin Q t, (11)

где £2 — частота, диапазон изменения которой зависит от идентифицируемого параметра. Найдена область определения оптимальных в смысле минимума функционала коэффициентов.

Тренажер для операторов морского бурового комплекса реализован с соблюдением максимального функционального подобия известным бортовым и береговым тренажерным системам АДР, АРМ фирмы «Simrad Albatross» и GEM80 фирмы GEC. Аппаратно он состоит из двух консолей — рабочего места оператора и рабочего места инструктора, реализованных с использованием двух компьютеров, объединенных в локальную сеть. Работа консолей тренажера поддерживается комплексами программного обеспечения и аппаратных средств. Работа с имитационными моделями ведется в диалоговом режиме через управляющие страницы. Требования минимальной стоимости и универсальности тренажера подразумевают перенос основного упора при создании тренажера на программную часть и минимизацию его аппаратной части.

Эффект от использования разработанных методов и алгоритмов выражается в существенном повышении производительности научно-исследовательских и добычных работ на море, в снижении аварийности работы дорогостоящего оборудования, облегчении труда операторов, повышении достоверности результатов исследований Мирового океана, служит основой для изготовления и внедрения тренажеров для операторов морских буровых комплексов..

В приложения А представлены распечатки программ моделей и системы управления МБК. В приложении Б приведены: примерное представление информации о состоянии МБК на экране дисплея тренажера и результаты исследования квазиоптимальной системы управления. В приложении В приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны модели и алгоритмы для подготовки операторов морского бурового комплекса.

2. Получены формулы для расчета параметров буровой колонны в зависимости от внешних воздействий. Получена и исследована математическая модель бурового судна, позволяющая учесть влияние буровой колонны и условия ее эксплуатации. Произведена линеаризация модели для режимов стабилизации судна.

3. Получены алгоритмы оперативной идентификации бурового судна. Алгоритм идентификации реализован на ПЭВМ. Определены значения коэффициентов, регулирующие скорость сходимости алгоритмов.

4. Разработаны алгоритмы управления, основанные на методе динамического программирования в ретроспективном времени.

5. Определены требования к вычислительным средствам тренажерных комплексов для реализации разработанных моделей и алгоритмов. Доказана возможность их непосредственного использования на морском буровом комплексе и в составе тренажеров.

6. Произведено исследование моделей и алгоритмов на цифровом моделирующем комплексе в условиях разнообразных внешних возмущений. Результаты моделирования и натурные испытания подтвердили целесообразность их использования.

7. Разработана и реализована структурная схема тренажера для подготовки операторов МБК, использующая разработанные математические модели, алгоритмы идентификации, оптимизации и прогнозирования.

8. Разработан и изготовлен действующий образец тренажера. Произведен комплекс лабораторных и морских испытаний, подтверждающий правильность полученных в процессе теоретических и экспериментальных исследований результатов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования: Отчет о НИР (II этап)/ Морд. гос. ун-т; Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 01900055145; Инв. №029200044215. Саранск, 1989. 180 с.

2. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования: Отчет о НИР (III этап)/ Морд. гос. ун-т; Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 01900055145; Инв. № 02920007228. Саранск, 1990. 256 с.

3. Савкина A.B. Численная реализация приближенных формул, описывающих напряженно-деформированное состояние гибких вертикальных колонн при больших глубинах воды. //Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. докл. Межреспубл. научн. конф., 23-25 мая 1991 г. -Саранск, 1991. - с.61-62.

4. Савкина A.B. Моделирование напряженно-деформированного состояния буровой колонны, вызываемого колебаниями платформы. //Новые материалы и процессы деформации. Тез. Докл. Республ. научн. техн. конф., Саранск, 1991. -с.22-23.

5. Савкина A.B. Динамическое напряженно-деформированное состояние центральной зоны колонны. //Методы и средства управления технологическими процессами. Сборник научных трудов 2- ой Межреспубл. конф., Саранск, 1991. - с.145-152.

6. Савкина A.B. Прогнозирование экстремальных значений динамических прогибов, углов поворота и напряжений в колоннах морских плат-форм.//Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. докл.3-ей Межреспубл. научн. конф., Саранск, 1993-с.55.

7. Савкина A.B. Вибрация систем морских вертикальных трубопроводов. //Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. Докл. международной научн. конф., Саранск, 1995.

8. Савкина A.B. Экстремальные значения параметров напряженно деформированного состояния куста колонн. Тезисы докладов научной конференции 24 Огаревские чтения, Саранск, 1995,- с.55-56.

9. Нечаев В.А., Савкина A.B. Модель буровой колонны как элемент в программном обеспечении тренажера //Тр. II междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997.— С. 176-183.

10. Савкина A.B. Модель бурового оборудования для тренажеров операторов динамического позиционирования. Тезисы докладов второй конференции молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева, Саранск, 1997. - С.226.

11. Нечаев В.А., Савкина A.B. Оперативная идентификация параметров бурового судна в процессе удержания над устьем бурения // Тр. III Междунар.

науч. конф. "Дифференциальные уравнения и их приложения".— Саранск,

1998,—С. 88-89.

12. Нечаев В.А., Савкина A.B. Тренажер морского бурового комплекса // 'Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров". Сборник материалов международной научно-технической конференции, Пенза,

1999. — С. 76-78.

13. Савкина A.B. Применение метода динамического программирования 1ля оптимизации движения морского бурового комплекса // «Актуальные вопросы естественных и технических наук». Межвузовский сборник научных трупов, Саранск, 2000. — С. 52.

Подписано в печать 16.05.00. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ М? 767.

Типография Издательства Мордовского университета 430000 Саранск, ул. Советская, 24

ВВЕДЕНИЕ.

I. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛЕЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ МБК.

1.1. Основные тенденции развития и задачи управления морским буровым комплексом.

1.2. Обзор современных методов и систем управления буровым судном в тренажерах для операторов МБК.

1.3. Разработка требований к математическим моделям и алгоритмам управления.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

II. МОДЕЛИ ДИНАМИКИ МОРСКОГО БУРОВОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАЗ

РАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕНАЖЕРА.

2.1. Основные технические характеристики управляемого объекта.

2.2. Математическая модель буровой колонны.

2.3. Получение и исследование приближенных формул, описывающих поведение буровой колонны.

2.4. Математическая модель бурового судна.

2.5. Алгоритм реализации математической модели движения бурового судна.

2.6. Анализ результатов моделирования на ЭВМ и натурных испытаний. Оценка адекватности модели.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II.

III. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ В ТРЕНАЖЕРАХ ДЛЯ ОПЕРАТОРОВ МОРСКИХ БУРОВЫХ КОМПЛЕКСОВ.

3.1. Общие принципы построения системы управления.

3.2. Построение самонастраивающейся модели бурового комплекса

3.3. Оперативная параметрическая идентификация.

3.4. Выбор критерия качества управления.

3.5. Исследование оптимальных управлений и прогнозирование на модели управляемого объекта.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.

IV. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ НА

МОДЕЛИРУЮЩЕМ КОМПЛЕКСЕ.

4.1. Структурная схема тренажера.

4.2. Общие подходы к построению программного обеспечения.

4.3. Анализ моделей и алгоритмов управления.

4.4. Разработка требований к тренажеру.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.

Добыча нефти и газа, разведка новых нефтяных и газовых подводных месторождений стали актуальной проблемой современности. Существующий в настоящее время дефицит энергетических ресурсов привел к созданию оборудования, предназначенного для морской разведки нефтяных и газовых месторождений. Освоение морских месторождений, как правило, связано с большими затратами, чем на суше. Так, средняя стоимость одной скважины, пробуренной на континентальном шельфе США, составляет около 3,8 миллионов долларов, а на суше примерно 392 тысячи долларов. Примерная стоимость бурения скважины глубиной 3000 метров с помощью искусственного острова, возведенного в море Бофорта, оценивается в 30 миллионов долларов, то есть почти в 80 раз больше, чем в среднем на суше в США.

Почти 90% разрабатываемых ресурсов Мирового океана составляют нефть и газ, однако, в последнее время наблюдается устойчивая тенденция к расширению добычи твердых полезных ископаемых. До настоящего времени разведка и добыча твердых полезных ископаемых была сосредоточена в зоне шельфа на глубине до 200 метров. В прибрежной и шельфовой зонах сейчас разрабатывают россыпные месторождения олова, золота, платины, редкоземельных элементов, железистых песков. За рубежом из подводных россыпных месторождений получают около 100% циркония и рутила, 80% ильменита, более 50% касситерита.

Велики и сравнительно мало изучены минеральные богатства открытого океана, в частности железно-марганцевые конкреции, распространенные главным образом на глубинах океана 4-6 км; они содержат около 35 различных элементов. Иногда масса железно-марганцевых конкреций на одном квадратном метре дна содержит 50-70 кг. По зарубежным данным только в одной из впадин Красного моря в слое осадков содержатся цветные металлы на несколько миллиардов долларов. 5

Одним из наиболее эффективных технических средств для проведения обширного комплекса исследований, включая разведочное бурение на глубинах до 5000 м, являются морские буровые комплексы (МБК). Они представляют собой буровое судно (БС), построенный или переоборудованный корабль, снабженный специальным оборудованием для разведочного бурения и добычи нефти, газа и других полезных ископаемых. С их помощью могут быть обследованы обширные районы океана с глубинами больше 30 м. Широкий диапазон использования таких комплексов в исследовании и разведочном бурении в открытых акваториях океана требует продолжительной стабилизации в заданном местоположении. Продолжительность стабилизации в зависимости от целевого назначения может длиться более трех месяцев при активном воздействии окружающей среды. На таких больших интервалах времени может проявляться нестационарность как внешних воздействий, так и параметров, характеристик самого объекта управления. Нестационарность внешних воздействий проявляется в изменении течения, волнения, ветра и определяется состоянием погоды, являющейся непрерывной энергетической связью между атмосферой и океаном, о которой невозможно получить длительные и достоверные прогнозы. Нестационарность параметров бурового комплекса может быть вызвана длительностью технологических режимов, когда в процессе функционирования расходуется топливо, буровые трубы и другие компоненты, масса которых, в общем, составляет тысячи тонн.

Важным фактором ускоренного освоения морских месторождений нефти и газа на больших глубинах является создание тренажеров для подготовки кадров плавсостава с целью безаварийной работы при выполнении дорогостоящих технологических операций и эксплуатации сложного оборудования. Изготовление тренажеров для обучения, тренировки и отбора специалистов по системам динамического позиционирования позволит имитировать процессы управления морским буровым комплексом в условиях действия внешних 6 возмущений, как при нормальном функционировании системы управления, так и при ее полных или частичных отказах.

Проблема тренажерного моделирования системы управления БС заключается во взаимодействии сложных нелинейных закономерностей окружающей среды на всем интервале работы с объектом управления. Особенность управляемого объекта состоит в многорежимности его функционирования, при этом основной режим динамического позиционирования осуществляется без "хода", когда на буровое судно начинают оказывать существенное влияние ветер, волнение, течение.

По экономическим соображениям, с учетом погодных ограничений, при тренажерном моделировании системы управления для режима динамической стабилизации возникает проблема максимального расширения возможности функционирования МБК в условиях изменения состояния моря. Наиболее сильное воздействие на него оказывает волнение моря, вызывающее бортовую, килевую, вертикальную качки и другие периодические движения, которые ограничивают режим бурения. В этом случае возникает задача ориентации бурового судна таким образом, чтобы максимально снизить действие этих возмущений. Кроме того, процесс динамической стабилизации судна на основе измерения фазовых координат системой акустических датчиков усложнен наличием большого количества совершенно разнородных помех, включая акустические шумы движителей подруливающих устройств БС, и изменение акустических свойств водной среды при выбросах минеральных пород в процессе бурения. Помехи в измерении фазовых координат вносятся и качкой БС на волнении. Проблема устранения влияния такого рода помех на процесс стабилизации приобретает в данном случае важное значение. Эффективным способом решения задачи управления при наличии помех и возмущений является применение адаптивных моделей, которые дают возможность получать истинные текущие характеристики управляемого процесса. 7

Таким образом, моделирование системы управления МБК в тренажере обусловлено большим диапазоном изменения фазовых координат, нелинейностью, многосвязностью и многорежимностью судна, оснащенного буровой колонной. Кроме того, при проведении операций морского бурения, особенно на больших глубинах, остро встает вопрос обеспечения безопасности бурового комплекса. Это связано с большой протяженностью буровой колонны, сложностью прогнозирования будущего поведения бурового комплекса. Автоматизация процесса управления положением БС позволяет исключить субъективные ошибки оператора при управлении, уменьшить вероятность аварии за счет прогнозирования будущего положения МБК.

В связи с этим актуален вопрос подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров для проведения морского бурения. Поскольку тренировки в процессе эксплуатации бурового комплекса трудноосуществимы, для решения указанной проблемы необходимо использовать тренажеры и тренажеры-советчики оператора. Существенным элементом обучения операторов являются тренировочные занятия в обстановке аварий, которым отводится значительное место в программах, используемых в тренажере.

Создание тренажерной системы представляет сложный взаимосвязный процесс разработки программных и аппаратных средств. При этом особую важность приобретает разработка программного обеспечения с большим количеством моделей имитаторов технологических процессов и оборудования. Рассматриваемая в дальнейшем структура тренажера позволяет придать ему максимальную гибкость, относительную независимость функционирования составляющих частей, высокую надежность. Решение поставленных задач предполагает создание и использование модели МБК в реальном и ускоренном масштабе времени, разработку математической модели буровой колонны, позволяющей адекватно отражать реальные процессы динамики бурового комплекса, которые реализуются в виде математических моделей на основе современных средств вычислительной техники. 8

Решение вопросов разработки и внедрения тренажерных комплексов и систем управления в настоящее время связано с рядом объективных трудностей. Отсутствует достаточно полное, и вместе с тем удобное для исследований, математическое описание поведения буровой колонны в толще воды. Существующие методы и средства управления не позволяют обеспечить высокое качество управления поведением бурового комплекса при одновременном обеспечении безопасности маневрирования. Разработка программного обеспечения для тренажерных комплексов, имитирующих управление процессом бурения на больших глубинах, позволит обеспечить безопасность маневрирования и повысить качество движения бурового судна при проведении подводных геолого-геофизических исследований, а также улучшить условия труда операторов.

Отечественные и зарубежные буровые суда в настоящее время оснащены системами динамической стабилизации (СДС) построенными на основе фирменных вычислительных комплексов. Сведения об аппаратной и программной реализации таких систем носят в основном ознакомительный, рекламный характер и являются сектором фирм-изготовителей. Основным недостатком известных систем является стационарность заложенных в них законов управления. Они сложны в эксплуатации, требуют периодической регулировки настраиваемых коэффициентов устройства управления в меняющихся условиях плавания. Поэтому эффективность эксплуатации во многом зависит от качества решения задач управления движением, связанных со стабилизацией буровых судов и установок над устьем бурения. Одновременно требуется обеспечить безаварийную и высокоэффективную эксплуатацию научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования. Необходимым условием безопасного и качественного проведения морских исследовательских и добычных работ, кроме того, является решение проблемы подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров для управления морскими буровыми комплексами с помощью тренажеров и тренажеров-советчиков опера9 торов. Таким образом, задача точной стабилизации судов в точке и на траектории еще далека от окончательного решения.

Попытки непосредственно использовать отечественные разработки моделей и алгоритмов в составе тренажеров для решения новых задач часто не приносят желаемого результата. Это во многом связано с особенностями задач управления конкретными рассматриваемыми объектами, отсутствием удобных для использования в целях управления математических моделей новых видов буровых судов, недостаточной эффективностью традиционных методов оптимизации и алгоритмизации для комплексного решения задач управления буровыми комплексами. В этих условиях проблема комплексной автоматизации технологических процессов, разработка математических моделей, и алгоритмов управления, является актуальной.

С учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является разработка моделей, методик и алгоритмов управления в тренажерах для операторов МБК, обладающих большой протяженностью, нестационарностью характеристик, существенной инерционностью, большой вероятностью повреждения дорогостоящего оборудования в процессе эксплуатации и обеспечивающих создание высококачественных и надежных средств контроля и обучения. Управление такими объектами характеризуются значительными ограничениями на переменные управления и состояния, непостоянством критериев управления.

Успешное решение перечисленных задач возможно только на базе современных персональных электронно-вычислительных машин. Эффективным средством управления такими сложными комплексами являются системы управления с прогнозированием. Используя быструю упрощенную модель движения бурового комплекса отыскивается, а затем и реализуется на объекте безопасный и оптимальный в смысле минимума отклонения судна от точки бурения и с учетом поведения колонны вариант управления.

10

Для решения задачи безопасного маневрирования судна с буровой колонной необходимо осуществлять проверку на безопасность найденных оптимальных управлений, осуществлять прогнозирование будущего поведения буровой колонны при воздействии окружающей среды. Благодаря такому прогнозу оказывается возможным предоставить судоводителю оперативную информацию о будущем поведении комплекса и оценить тем самым безопасность проведения буровых работ. Такой подход к решению задачи стабилизации судна в точке бурения при условии безопасности проводимых работ определил структуру диссертационной работы, включающей построение математических моделей судна и буровой колонны с последующим использованием их для синтеза адаптивной системы автоматического управления с прогнозированием. На основании разработанных алгоритмов осуществляется построение математической модели процесса динамического позиционирования МБК, проводится исследование полученной системы управления и ее последующее использование в составе тренажера.

В процессе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту: разработана математическая модель морского бурового комплекса, включающая модель бурового судна и буровой колонны, алгоритмы расчета статических и динамических характеристик в реальном и ускоренном масштабах времени; разработаны алгоритмы оперативной идентификации модели бурового судна в условиях нестационарности характеристик и неконтролируемости внешних возмущений в процессе эксплуатации; разработаны алгоритмы квазиоптимального управления бурового комплекса с использованием динамического программирования в ретроспективном времени в условиях жестких ограничений на переменные управления и состояния при изменении критерия качества в процессе функционирования; и определены рациональные сочетания параметров алгоритмов управления морским буровым комплексом; разработаны методика построения, структура и алгоритмы функционирования тренажерного комплекса, предназначенного для подготовки операторов к управлению МБК как в нормальных, так и экстремальных условиях, контроля действий оператора в процессе проведения добычных и исследовательских работ на море; определены требования к структуре и вычислительным средствам тренажерного комплекса, обеспечивающие реализацию полученных алгоритмов управления, прогнозирования и обучения.

В итоге получены модели и алгоритмы управления, исрользуемые в тренажерах для подготовки и переподготовки операторов морских буровых комплексов. На основе системного подхода разработаны новые пути и методы решения входящих в основную проблему самостоятельных задач.

Эффект от использования разработанных моделей и алгоритмов выражается в существенном повышении производительности научно-исследовательских и добычных работ на море, снижении аварийности работы дорогостоящего оборудования, облегчении труда операторов, повышении достоверности результатов исследования Мирового океана.

I. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛЕЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ МБК

Основные результаты докладывались и обсуждались на Межреспубликанской научной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1991 г.), Республиканской научно-технической конференции "Новые материалы и процессы деформации" (г. Саранск, 1991 г.), Огаревских чтениях в Мордовском госуниверситете им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 1995), конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета (г. Саранск, 1997), I, II международных научных конференциях "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1995, 1997), III Международной научной конференции «Дифференциальные уравнения и их приложения» (г. Саранск, 1998), международной научно-технической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров" (г. Пенза, 1999).

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования: Отчет о НИР (II этап)/ Морд. гос. ун-т; Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 01900055145; Инв. № 029200044215. Саранск, 1989. 180 с.

2. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования: Отчет о НИР (III этап)/ Морд. гос. ун-т; Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 01900055145; Инв. № 02920007228. Саранск, 1990. 256 с.

153

3. Савкина A.B. Численная реализация приближенных формул, описывающих напряженно-деформированное состояние гибких вертикальных колонн при больших глубинах воды. //Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. докл. Межреспубл. научн. конф., 23-25 мая 1991 г. -Саранск, 1991. - с.61-62.

4. Савкина A.B. Моделирование напряженно-деформированного состояния буровой колонны, вызываемого колебаниями платформы. //Новые материалы и процессы деформации. Тез. Докл. Республ. научн. техн. конф., Саранск, 1991. -с.22-23.

5. Савкина A.B. Динамическое напряженно-деформированное состояние центральной зоны колонны. //Методы и средства управления технологическими процессами. Сборник научных трудов 2- ой Межреспубл. конф., Саранск, 1991. - с. 145-152.

6. Савкина A.B. Прогнозирование экстремальных значений динамических прогибов, углов поворота и напряжений в колоннах морских плат-форм.//Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. докл.3-ей Межреспубл. научн. конф., Саранск, 1993.- с.55.

7. Савкина A.B. Вибрация систем морских вертикальных трубопроводов. //Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. Докл. международной научн. конф., Саранск, 1995.

8. Савкина A.B. Экстремальные значения параметров напряженно деформированного состояния куста колонн. Тезисы докладов научной конференции 24 Огаревские чтения, Саранск, 1995.- с.55-56.

9. Нечаев В.А., Савкина A.B. Модель буровой колонны как элемент в программном обеспечении тренажера //Тр. II междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997.— С. 176-183.

10. Савкина A.B. Модель бурового оборудования для тренажеров операторов динамического позиционирования. Тезисы докладов второй конференции

154 молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева, Саранск, 1997. - С.226.

11. Нечаев В.А., Савкина A.B. Оперативная идентификация параметров бурового судна в процессе удержания над устьем бурения // Тр. III Междунар. науч. конф. "Дифференциальные уравнения и их приложения".— Саранск,

1998,—С. 88-89.

12. Нечаев В.А., Савкина A.B. Тренажер морского бурового комплекса // "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров". Сборник материалов международной научно-технической конференции, Пенза,

1999, —С. 76-78.

13. Савкина A.B. Применение метода динамического программирования для оптимизации движения морского бурового комплекса // «Актуальные вопросы естественных и технических наук». Межвузовский сборник научных трудов, Саранск, 2000. — С. 52.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В наше время в отечественной практике не существует полных моделей для тренажерных систем с учетом поведения буровой колонны, ее воздействия на буровое судно и, соответственно, правильного выбора стратегии управления. В процессе проведения теоретических и экспериментальных испытаний получены следующие основные результаты.

1. Разработаны модели и алгоритмы для подготовки операторов морского бурового комплекса.

2. Получены формулы для расчета параметров буровой колонны в зависимости от внешних воздействий. Получена и исследована математическая модель бурового судна, позволяющая учесть влияние буровой колонны и условия ее эксплуатации. Произведена линеаризация модели для режимов стабилизации судна.

3. Получены алгоритмы оперативной идентификации бурового судна. Алгоритм идентификации реализован на ПЭВМ. Определены значения коэффициентов, регулирующие скорость сходимости алгоритмов.

4. Разработаны алгоритмы управления, основанные на методе динамического программирования в ретроспективном времени.

5. Определены требования к вычислительным средствам тренажерных комплексов для реализации разработанных моделей и алгоритмов. Доказана возможность их непосредственного использования на морском буровом комплексе и в составе тренажеров.

6. Произведено исследование моделей и алгоритмов на цифровом моделирующем комплексе в условиях разнообразных внешних возмущений. Результаты моделирования и натурные испытания подтвердили целесообразность их использования.

152

7. Разработана и реализована структурная схема тренажера для подготовки операторов МБК, использующая разработанные математические модели, алгоритмы идентификации, оптимизации и прогнозирования.

8. Разработан и изготовлен действующий образец тренажера. Произведен комплекс лабораторных и морских испытаний, подтверждающий правильность полученных в процессе теоретических и экспериментальных исследований результатов.

1. Справочник по теории автоматического управления //Под ред. А. А. Красовского.— М.: Наука, 1987.— 712 с.

2. Барбашин Е.А. Введение в теорию устойчивости.— М.: Наука, 1967.— 353 с.

3. Благовещенский С.П., Холодилин А.Н. Справочник по статике и динамике корабля.—■ Л.: Судостроение, 1975.—Т.2.— 432 с.

4. Нечаев В.А. Универсальный метод управления одним классом технических средств изучения и освоения Мирового океана //Тез. докл. V Всесоюз. науч.-техн. конф. "Технические средства изучения и освоения Мирового океана".—Л., 1985.—Вып. 2,—С. 100.

5. Нечаев В.А., Русинов Ю.Р. Тренажерные комплексы для подготовки операторов морских подвижных объектов //Тр. I междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1995.— С. 108— 109.

6. Нечаев В.А., Бальзамов Ю.А., Федосин С.А. Вторичная обработка навигационной информации в процессе стабилизации судна на траектории //Тез. докл. школы—семинара "Повышение эффективности средств восприятия и обработки информации".— Пенза, 1985.— С. 39.

7. Нечаев В.А. Дополнительная фильтрация навигационной информации при управлении научно-исследовательскими судами //Тез. докл. науч.-техн. конф. "Теория и практика проектирования РЭА".— Махачкала, 1985.— С. 4344.156

8. Нечаев В.А. Основные принципы управления одним классом морских подвижных объектов //Тез. докл. межресп. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1989.— С. 58.

9. Нечаев В.А. Методы и алгоритмы управления движением морских подвижных объектов в процессе изучения и освоения Мирового океана //Тр. I междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1995.— С. 106— 107.

10. Нечаев В.А. Прогнозирование на "быстрых" моделях как эффективный метод управления инерционными морскими объектами // Тр. II междунар.157науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997.—С. 167—171.

11. Технические средства для изучения и освоения Мирового океана. Зарубежное судостроение: Обзор. М.: ЦНИИ, Румб, 1984.-192с.

12. Нечаев В.А., Савкина A.B. Модель буровой колонны как элемент в программном обеспечении тренажера //Тр. II междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997.— С. 176—183.150.

13. Нечаев В.А., Савкина A.B. Оперативная идентификация параметров бурового судна в процессе удержания над устьем бурения // Тр. III Междунар. науч. конф. "Дифференциальные уравнения и их приложения".— Саранск, 1998.—С. 88—89.

14. Акимов B.JL, Нечаев В.А. Использование принципа прогнозирования для управления морским подвижным объектом // Исследования по прикладной математике.— Саранск, 1982.— С. 134—136.

15. Зарубежная информация. Информационный отдел. Судостроение, № 5, 1989 г., с.59-60.

16. Лукомский Ю.А., Чугунов B.C. Система управления морскими подвижными объектами., Л.: Судостроение, 1988.-272 с.

17. Басин A.M. Ходкость и управляемость судов., М.: Транспорт, 1968.255 с.

18. Войткумский Я.И., Першин Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории корабля., Л.: Судостроение, 1973.- 512 с.

19. Соболев Г.В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения, Л.: Судостроение, 1976.- 477 с.158

20. Благовещенский С.П., Холодилин А.Н. Справочник по статике и динамике корабля. — JL: Судостроение, 1975.—Т.2.—432 с.

21. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении., Л., Судостроение, 1969.—432 с.

22. Городничев A.A. Адаптивное управление нелинейной много связной системой бурового корабля. // Изв. ЛЭТИ.—1978.— Вып. 242, — С. 51—53.

23. Городничев A.A., Щукин В.Б. Вопросы построения адаптивных систем //Изв. ЛЭТИ. — 1976.— Вып. 206.— С. 6—9.

24. Городничев A.A., Щукин В.Б. Вычислительные методы идентификации динамических характеристик систем управления //Изв. ЛЭТИ —1977.— Вып. 223,—С. 123—127.

25. Городничев A.A., Щукин В.Б. Вычислительные методы идентификации динамических характеристик систем управления //Изв. ЛЭТИ —1977.— Вып. 223.—С. 123— 127.

26. Холодилин А.Н. Мореходность и стабилизация судов на волнении.— Л.: Судостроение, 1976.— 328 с.

27. Лебедев Э.П. и др. Средства активного управления судами.— Л.: Судостроение, 1969.— 278 с.

28. Исследование поведения плавучей полупогружной буровой установки с комбинированной системой удержания на взволнованнном море. От-чет/Горьковский политехнический институт. № ГР 01824054300. Часть 1, 1984.-98 с.

29. Хлюпин А.И. Приближенное определение характеристик активного управления судами. //Труды ЛКИ: Технические средства освоения Мирового океана/ЛКИ. Л.: 1980. С. 67-72.

30. Ваганов А.Б., Краснокутский И.Д., Бабкин А.Р., Гуров П.В. Математическая модель динамики полупогружной буровой установки. /ГПИ, 1982. 25 с. Деп. в ВИНИТИ. 02.07.82, № 5156-82.159

31. Светлицкий В.А. Механика гибких стержней и нитей. М.: Машиностроение, 1978.- 222 с.

32. Виттенбург И. Динамика систем твердых тел. М.: Мир, 1980.— 289 с.

33. Борисов Р.В., Молодожников A.B. Составление систем уравнений качки ППБУ на косом волнении. — Труды ЛКИ. Надводные техн. средства освоения Мирового океана, 1978, С. 23-30.

34. Луковский В.В. Динамика моря. Л., Судостроение, 1976.-199 с.

35. Пропой А.И. О принципе максимума для дискретных систем управления //Автоматика и телемеханика.— 1975.— № 7.— С. 15—19.

36. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.- 256 с.

37. Новые технические средства судовождения. /Под ред. A.A. Якушен-кова. М.: Транспорт, 1973.- 264 с.

38. Технические средства и методы исследования Мирового океана. Тезисы докладов Всесоюзной школы, том II, М.: 1987, С. 124-128.

39. Отчет о научно-исследовательской работе. Разработка комплекта алгоритмов и программ численного моделирования движения трубных систем подъема полезных ископаемых со дна Мирового океана. Министерство геологии СССР, ВИМС, М.: 1985.- с. 7-14.

40. Отчет о научно-исследовательской работе. Проведение испытаний динамики полупогружной буровой установки на крупномасштабной модели, том II, Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР.—Горький, 1986, —С. 131-136.

41. Свиридов А.П. Основы статистической теории обучения и контроля знаний. М.: Наука, 1981.— 320 с.

42. В.Е.Шукшунов и др., Тренажерные системы. М.: Машиностроение, 1981.-256 с.

43. Светлицкий В.А. Механика гибких стержней и нитей. М.: Машиностроение, 1978,- 222 с.160

44. Барстейн М.Ф. Расчет пространств глубоководных сооружений на волновые, ветровые и сейсмические воздействия. В кн. Строительная механика и теория сооружений. М.: № 4, 1982.— С.15-21.

45. Морские нефтяные платформы и безопасность. Пер.№ Д—09174, М.: 1982.—5 с.

46. Савкина A.B. Моделирование напряженно-деформированного состояния буровой колонны, вызываемого колебаниями платформы. //Новые материалы и процессы деформации. Тез.докл.республ. начн.техн.конф., Саранск, 1991. —С.22-23.161

47. Савкина А.В. Динамическое напряженно-деформированное состояние центральной зоны колонны//Методы и средства управления технологическими процессами. Сборник научных трудов 2- ой Межреспубл.конф., Саранск, 1991. — С.145-152.

48. Савкина А.В. Вибрация систем морских вертикальных трубопроводов. //Методы и средства управления технологическими процессами. Тез.докл.международной научн.конф., Саранск, 1995. — С. 54.

49. Савкина А.В. Экстремальные значения параметров напряженно деформированного состояния куста колонн. Тезисы докладов научной конференции 24 Огаревские чтения, Саранск, 1995.— С. 55-56.

50. Ficher, W., and Ludwig, М.,"Design of Floating Vessel Drilling Riser," Journal of Petroleum Technology, Mar. 1966, pp.272-280.

51. Hicks, J.B., and Klark L.G., "On the Dynamic Response of Buoy-Supported Cables and Pipes to Currents and Waves," Offshore Technology Conference, Paper No. 1556, 1972, pp.453-462.

52. Tucker, T.C. and Murtha, J.P., "Nondeterministic Analysis of a Marine Riser," Offshore Technology Conference, Paper No.1770, 1973, pp.149-154.

53. Clough, R.W., and Penzien, J., Dynamics of Structures, McGraw-Hill Book Co., 1975.

54. Burke, B.G., "An Analysis of Marine Risers for Deep Water, "Journal of Petroleum Technology, Apr. 1974,pp.455- 456

55. Gardner, T.N., and Kotch, M.A., "Dynamic Analysis of Risers and Caissons by the Finite Element Method," Offshore Technjlogy Conference, Paper No.2651, 1976, pp. 405-421.162

56. Tucker, T.C. and Murtha, J.P., "Nondeterministic Analysis of a Marine Riser," Offshore Technology Conference, Paper No. 1770, 1973, pp. 439-448.

57. Morgan, G.W., and Peter, J.W., "Applied Mechanics of Marine Riser Systems," (series of articles), Petroleum Engineer, Oct. 1971-Jan. 1976.

58. Burke, B.G., "The Analysis of Motions of Motions of Semisubmersible Drilling Vessels in Waves," Society of Petroleum Engineers Journal, Sept. 1970, pp. 311-320.

59. Dareing, D.W., and Huang, T., "Marine Riser Vibration Response Determined by Modal Analysis,"ASME Journal of Energy Resources Technology, Vol.101, 1979, pp. 159-166.

60. Spanos, P-T.D., and Iwan, W.D., "Harmonic Analysis of Dynamic System with Nonsymmetric Nonlinearities," Journal of Dynamic Systems, Measure and Control, ASME, Vol. 101, 1978, pp. 31-36.

61. Spanos, P-T.D., and Chen, T.W., "Linearization Equation for Vibration Induced by Oscillatory Flow," ASME Journal of Applied Mechanics, submitted for publication.

62. Dareing, D.W., and Huang, T., "Natural Frequencies of Marine Drilling Riser," Journal of Petroleum Technology, July 1976, pp. 813-818.

63. Spanos, P-T.D., and Chen, T.W., "Vibration of Marine Riser Systems," Jornal of Energy Resources Technology, December 1980, Vol. 102/203.

64. Brouwers,J.J.H., "Marine risers: Classification of response and methods of solution", Proc. 39th Petroleum Mechanical Engineering workshop and conference, pp.125-132. September 1983, Tulsa, U.S.A.

65. Brouwers,J.J.H.,Analytical methods for predicting the response of marine risers", Proc. of Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, Series B, Vol. 85, pp.381-400, 1982.

66. Brouwers,J.J.H.,"Response near resonance of non-linearly damped systems subject to random excitation with application to marine risers", Ocean Engineering, Vol. 9, pp.235-257, 1982.163

67. Harper, M.P., "Production riser analysis", Proc. 2nd International Conference on the Behavior of Offshore Structures, Paper 60, London, 1979.

68. Abramowitz. M. and Stegun, I.A., "Handbook of mathematical functions", Dover Publications, New York, 1968.

69. SIMRAD Albatross. Product Catalogue, 1995.

70. Dynamic mooring //DET NORSKE VERITAS.— 1988.— Jule.

71. Dynamic Positioning Systems //DET NORSKE VERITAS.—1989.— Jule.

72. Dareing, D.W., and Huang, T. Marine Riser Vibration Response Determined by Modal Analysis //ASME Journal of Energy Resources Technology.— 1979.— Vol.101.—P. 159—166.

73. Мицкевич В.И., Логунцов Б.М., Уманчик Н.П., Сидоров Р.В. Разведка и эксплуатация морских нефтяных и газовых месторождений.— М.: Недра, 1978.— 277 с.

74. Экспресс-информация //Судостроение.— 1977.— № 20.

75. Современные методы идентификации систем //Под ред. П. М. Эйк-хоффа.— М.: Мир, 1983.— 400 с.

76. Суворов К.Г. и др. Проектирование и строительство технических средств для изучения и освоения Мирового океана.— Л.: НТИ, 1974.— 110 с.

77. Технические требования на проектирование СДС БС.— 1978.

78. Furguson J.D., Recasins Z. Optimum linear control systems with uncomplete state measures //IEEE Trans. Autom. Contr.— 1969.— V. 2— P. 14.

79. Рубан А.И. Алгоритмы наблюдения и идентификации нелинейных динамических объектов //Изв. АН СССР. Техническая кибернетика.— 1971.— №3.—С. 205—212.164

80. Современные тенденции в проектировании буровых плавсредств. Перевод № 299/75.— 1975,— 34 с.

81. Шостак В.Ф. Модели и методы управления сложными технологическими комплексами в нештатных (экстремальных) режимах работы в АСУ ТП //Автоматика и телемеханика.— М., 1994.— №10.

82. Северцев H.A., Дивеев А.И. Оптимальный выбор варианта технической системы //Проблемы машиностроения и надежности машин.—М., 1995.— №5.— С. 3—8.

83. Степанов М.Ф. Решатель задач системы автоматизированного синтеза и анализа систем автоматического управления //Межвуз. научн. сб. "Аналитические методы синтеза регуляторов".— Саратов: СПИ, 1984.— С. 116—129.

84. Салмин В.В. Аналитическая оценка оптимальности многошаговых адаптивных алгоритмов управления //Космические исследования.— 1980.— Т. 18.—Вып. 3.— С. 332—342.

85. Булатов А. В., Степанов И.В., Турусов С.Н., Шапошников С.О. Концепция построения судовых систем интеллектуальной поддержки //Тез. IV междунар. конф. "Региональная информатика 95".— СПб., 1995.

86. Судовые экспертные системы — перспективы и современное состояние. — С.Пб.: ЦНИИ "Аврора", 1990.— 55 с.

87. Brammer R.E. Conrollability of Linear Autonomous Systems with Positive Controllers //SIAM J. Control. — 1972.— V. 10. — № 2. — P. 339—353.

88. Альберт А. Регрессия, псевдоинверсия и рекуррентное оценивание. — М.: Наука, 1977.165

89. Ядыкин И.Б. Синтез алгоритмов настройки параметров регулятора в комбинированных адаптивных системах управления //Изв. вузов. Сер. Приборостроение.— 1984. —№ 9. — С. 55—64.

90. Ядыкин И.Б. Адаптируемость регулятора и двухуровневые алгоритмы настройки параметров адаптивных систем управления //А и Т.— 1983.— №5. — С. 99—106.

91. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов //Под ред. Э. К. Лецкого. — М.: Мир, 1977.

92. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента.—М.: Наука,1971.

93. Козлов Ю.М., Юсупов P.M. Беспоисковые самонастраивающиеся системы. — М.: Наука, 1969.

94. Красовский A.A. Оптимальные алгоритмы в задаче идентификации с адаптивной моделью //А и Т. — 1976. — № 12. — С. 75—82.

95. Ашимов А., Сыздыков Д.Ж., Тохтобаев Г.М. Беспоисковые самонастраивающиеся системы идентификации //А и Т.— 1973.— № 2.—С. 184—188.

96. Аведьян Э.Д., Рекуррентный метод наименьших квадратов при коррелированных помехах //А и Т. — 1975.— № 5. — С. 67—75.

97. Кирин Н.Е. Методы оценивания и управления в динамических системах.— СПб., 1993.— 308 с.

98. Кирин Н.Е. Алгоритмический синтез стабилизирующего управления по неполной обратной связи // Тр. II междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997.— С. 110—111.

99. Дубров A.M., Зубер И.Е. Экспоненциальная стабилизация объектов //А и Т.— 1989.— № 8. — С. 33—39.

100. Балонин H.A., Мироновский Л.А. Экспериментальный подход к решению задач оптимального управления // Тр. II междунар. науч. конф. "Me166тоды и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997.—С. 28—31.

101. Федосеев А.Р.Алгоритм оптимального управления с обобщенной прогнозирующей моделью //А и Т. — 1977. — № 7. — С. 16—21.

102. Буков В.Н. Синтез управляющих сигналов с помощью прогнозирующей модели в адаптивной системе управления //Пробл. управления и теории информ.— 1980,— Т. 9 (5). — С. 329—337.

103. Петров А.И. Об одной задаче определения оптимального алгоритма самонастройки //Изв. АН СССР. Техн. кибернетика.—1971.— № 1. — С. 206— 217.

104. Деревицкий Д.П., Фрадков A.JI. Прикладная теория дискретных адаптивных систем управления.— М.: Наука, 1981.

105. Тимофеев A.B. Построение адаптивных систем управления программным движением.— JL: Энергия, 1980.

106. Розенвассер E.H., Юсупов P.M. Чувствительность систем управления.— М.: Наука, 1981.

107. Александров А.Г. О принципах построения системы анализа динамики и синтеза устройств управления (САПР САУ) //Межвуз. научн. сб. "Аналитические методы синтеза регуляторов".— Саратов: СПИ, 1982. — С. 123— 136.

108. Белова Д.А., Кузин P.E. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления. — М.: Энергия, 1979.

109. Чаки Ф. Современная теория управления. — М.: Мир, 1975.

110. Изерман Р. Цифровые системы управления.— М.: Мир, 1984.—541с.

111. Дженкинс Г., Вате Д. Спектральный анализ и его приложения.— М.: Мир, 1972,—254 с.

112. Ватель И.А., Иванилов Ю.П. Математические методы теории управления. — М.: МИФИ, 1977.— 102 с.167

113. Нечаев В.А. Прогнозирующие системы управления морскими объектами //Тез. докл. IX междунар. координац. совещ. "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и использования Мирового океана".— СПб., 1994.— С. 26—27.

114. Нечаев В.А., Помыткин С.А., Мальков О.В., Луценко В.В. Автоматизация процессов движения морских подвижных объектов методами прогнозирования на моделях //Тр. III междунар. конф. "Дифференциальные уравнения и их приложения.

115. Моисеев H.H. Численные методы в теории оптимальных систем.— М.: Наука, 1971,—424 с.

116. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование.— М.: Наука, 1975.

117. Беллман Р. Процессы регулирования с адаптацией.— М.: Наука, 1964,— 360 с.

118. Орурк H.A. Новые методы синтеза линейных и некоторых нелинейных динамических систем.— М.: Наука, 1965.— 208 с.

119. Мерриэм К. Теория оптимизации и расчет систем управления с обратной связью.— М.: Мир, 1967.— 550 с.

120. Нечаев В.А. Исследование и разработка автоматической системы управления движением плавучего сейсморазведочного комплекса: Дис. . канд. техн. наук. — Л., 1978. — 289 с.

121. Нечаев В.А. Применение теории нечетких множеств в системах управления техническими средствами изучения и освоения Мирового океана //Тез. докл. межресп. науч. конф. "Модели выбора альтернатив в нечеткой среде".—Рига, 1984.—С. 137—138.

122. Нечаев В.А., Кокаев О.Г., Магомедов И.А. Ассоциативный параллельный процессор для оброботки нечеткой информации //Тез. докл. II Всесоюз. совещ. "Высокопроизводительные вычислительные системы".— М., 1984,— С. 48—50.