автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Моделирование динамики и разработка микропроцессорных систем управления режимами работы главных дизелей аоодоизмещающих судов

/ч

О""

, На правах рукописи

Со

ПЕРЕВЕЗЕНЦЕВ Сергей Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАЛ\ИКИ И РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕЛ1 УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ВОДОИЗМЕЩАЮЩИХ СУДОВ

Специальность 05.13.07 — автоматизация технологических процессов и производств (кораблестроение) (по техническим

наукам)

Автор е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород 1 997

Работа выполнена б Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель:

академик Международно« инженерной академии, д. ф.-м.н., профессор Л\. И, Фейгин.

Научный консультант:

член-корреспондент РИА, д. т. н. В. И. Плющаев.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. И. Рудницкий;

кандидат технических наук, доцент А. С. Плехов.

Ведущее предприятие — АО «Волгофлот».

Защита состоится ......... 1997 г.

в ..У.?/,?..... час. в аудитории .......... па заседании специализированного совета К.116.03.02 в Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600, г. Н. Новгород, ул. Нестерова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью предприятия, просим направлять на имя ученого секретаря специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета доцент, кандидат технических нау& Н. А.. Пономарев

Тип. ВГАВТа, 1997 г.. зак. 141. тир. 10Э.

Объем 1 и. л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Автоматизация управления главными дизелями и их обслуживания является одним из перспективных направлений в повышении эффективности эксплуатации судовых энергетических установок (СЭУ). Введение автоматизации на первых этапах позволило удешевить эксплуатацию путем сокращения штата квалифицированных специалистов. Следующие этапы развития автоматизации позволяют повысить надежность эксплуатации диззлей путем исключения возможности перегрузки главных дизелей (ГД), упрощения диагностики технического состояния длзглей, улучшения экологических показателей.

В настоящее время прослеживается тенденция к комплексной автоматизации СЭУ. Такой подход позволяет возложить на судовую систему управления помимо традиционных задач (контроль работоспособности ГД, исключение перегрузочных и неблагоприятных длительных режимов работы) н решение задач по расчету оптимальных режимов работы. В »той области наиболее перспективной видится задача по обеспечению рационального использования топлнвно» »иергетических ресурсов на судах.

Скорость движения судов, а следовательно, и расход топлива выбираются по данным технологического процесса (расчета работы грузезой линии как части тракспортаой системы). На речном транспорте предпочтение отдается линейной форме организации работы флота (использование судов и составов определенного типа с установленными режимами движения для освоения конкретного грузопотока). Это позволяет проводить оптимизацию технологического процесса на каждой линии, что в дальнейшем не противоречит возможности оптимизация параметров всей системы в целом. Здесь для каждого у розня (одиночное судно, группа судов одной линии, группа судоэ компании к т.п.) при решения задач оптимизация выбираются свои критерии цели. В качестве таких критериев, как правило, могут выступать максимум прибыли, минимум приведенных затрат, минимум затрат на топливо н т.д. При создании систем управления для конкретного судна (звена «просчитанной» технологической цепи) значимой целью может выступать минимизация расхода топлива. Одним из путей снижения затрат на расход топлива является использование

!

pi3tip2oa за счет рационального уираилепкн оисргетичсскнм» установками судоа. Проведенные а йтой области работы .пересчету экономичных режимов движений судов к автоматизации связаны с именами В.Л. Бондаргикс, П. К. Бажака. Ю.П. Малого, Г.Е. Павленко, Е.М. Павленко, КЗ.П. Петрова, В.В. Сахарова, Г.А. Самыккнг и др. Результаты этих работ послужили основой для дальнейшего исследования режимов работы СЭУ к синтеза алгоритма расчета оптимального расписания движения, предназначенного для совместной работа с автоматической системой управления глазными дизелями суднг:.

Современное состояние компьютерной и электронной техники позволяет значительно расширить функционалы::»^ возможности автоматических систем управления ГД судна. Так, объединение в одно целое- системы оптимизации раегшшшя. движения (по критерию минимума расхода топлива), системы автоматического управления гласным!' дизелями и спстеу.'л оперативного контроля работы главных дизелей позволяет получить систему нового класса. Включение расчета расписания движения з систему автоматического управления сносит элемент .«прогнозирования», что з свою очередь обеспечивает оптимизацию работы СЭУ по расходу топлива в текущий момент времени с учетом путевых условий всего маршрута движения. Выполнение системой управления функций пс контролю состояний главных дизелей позволяет отслеживать, устранять перегрузочные режимы работы и оперативно корректировать полученное расписание движения при его выполнении, в также производить сбор статистических данных о режимах работы дизеля,. что существенно облегчает проведение диагностики работоспособности дизелей.

При проведении исследований динамики работы СЭУ к изучении переходных процессов с целью синтеза алгоритма управления автор диссертация базировался на работах М.Я. Алферьева, -A.M. Басина, М.А Ерука, J1.C. Грошесой, В.Д. Кутыркина, В.И. Небеснова, А.А Рихтера, В.И. Рудницкого, В.И Плющаева, М.И. Фейгина и др. При выборе параметров оценки работы дизеля в системе оперативного контроля были использованы результаты исследований В.А Звонцова, М.И Левина.

На актуальность выбранной темы диссертации указывает и то, что она выполнена на базе научно-исследовательских работ с Департаментом речного транспорта и АО «Волготаикер».

Цель и задачи работы:

Глазной целью работы язляется. разргбетка пикропроцессорной системы управления, позсоля:сщ*й оптимизировать режимы работы главных дизелей судна, а тгкг-С1 ¡проведение моделирования динамик;« водоизмгщающих судяз с целью синтеза алгоритма управления ГД и алгоритма расчета оптимального расписания движения.

Достижение намеченной цели требует решения следующих задач:

- проведения анализа существующих математических моделей для "иодоизмещающих судов, адаптация и обоснование базовой динамической модели комплекса «двигатель - корпус -дни/китель - система'управления* для исследуемого судна;

- исследования динамики комплекса с различными законам;; управления и внешними условиями путем компьютерного моделирования;

- разработки алгоритма расчета оптимального ряспнсянпя диплопия, обеспечивающего минимизацию расхода топлноз при прохождении выбранного маршрута за заданное гремя;

- синтеза алгоритма управления СЭУ, позволяющего выполнять расчетное расписание движения и обеспечивающего бгеперегрузочнуга работу главных дизелей;

- реализации суловог компьютерной системы, позволяющей оптимизировать расписание движения судна для включения в состав мультипроцессорного комплекса управления и контроля 'главными дизелями судна (МПК УВД);

разработки алгоритмоз и программ для модулей мультипроцессор!¡ого комплекса;

- проработка вопросов внедрения разработанного комплекса пи ведоиз;мешающие суда.

Научная .новизна:

- Разработана компьютерная программа, а основе которой „"««ит адаптированная. математическая модель комплекса «дпмгптсль • корпус - движитель - система управления» дли .теплохода с трехвальиой установкой;

-исследована динамика данного комплекса при различных гакояах управления и внешних условиях;

- обоснован алгоритм расчета расписания движения судна с оптимизацией по расходу топлива, позволяющий учитывать оперативную судоходную обстановку. Данный алгоритм

разработан для использования в автоматической систем® управления главными дизелями;

• синтезирован алгоритм управления режимами работы ГД для автоматической системы управления, который позволяет обеспечить автоматическое выполнение расчетного расписания дшшення, не допускать работу дизелей в перегруавчнык 'режимах.

■ разработана «диспетчерская» подсистема, позволяющая осуществить расчет расписания движения с оптимизацией по расходу топлива, автоматически отслеживать прохождение расписания и при необходимости производить коррекцию расписания движения при его нарушении;

• разработана мультипроцессорная система автоматического управления и контроля главными дизелями судна, включающая в свой состав систему оптимизации расписания движения, обеспечивающую минимизацию расхода топлива в зависимости от условий плавания на всем маршруте следования.

Пр&ктачсск&я иежссгь*

- Создана компьютерная подсистема расчета расписания движения с оптимизацией режимов работы СЭУ, при $том широко используются новые достижения в информационны;; технологиях, событийно управляемое программирование, визуальное проектирование за счет использования общепринятого стандарта "Графического интерфейса пользователя";

создана компьютерная программа, позволяющая проводить исследования динамики комплекса «двигатель • корпус -движитель - система управления» при разработке САУ для водоизыещаюишх судов;

• сформирована структура мультипроцессорного комплекса, позволяющая реализовать распределенную и легко наращиваемую систему автоматического управления, что дает возможность использования ее при проведении модернизационных работ на эксплуатирующихся судах;

- материалы данной работы использованы при создании мультипроцессорного комплекса управления и контроля ГД. Результаты работы могут найти применение при разработке систем автоматического управления СЭУ на • базе микропроцессорной техники и компьютеров для водонзмещающих судов.

Реализация результагс&рабош.

• Злгме^ти диспетчерской подсистемы мультипроцессорной СЛУ прошли пробную эксплуатацкго на т/х -¿Лгкнн» в кггчгацню 1995 г.

- на основе результатов работы синтезированы алгоритмы управления для МПК УКД и разработана одна из подсистем этого комплекса - подсистема расчета оптимального расписания дснжения судна. Данный комплекс установлен и проходит эксплуатационные испытания на теплоходе «Волгонефть-269е> в навигации 1996 и 1997 гг;

- на базе созданного образца МПК УКД разрабатызается серия применительно к судам смешанного река-море плавания.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку на IV конференции -»Нелинейные колебания механичесхих систем» (Нижний Новгород, 199S г.), на научно-технической конференции, посвященной 300-летию Российского флота (Н.Новгород. ВГАВТ, 1996г), на техническом совещании в АО «Волготаукер» (1996г.) и на заседании технического совета з Федеральной службе речного флота Министерства транспорта РФ (199бг).

Публикация.

Основное содержание диссертации опубликовано в четырех работах.

Структураллбъенрабош.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Оиа содержит 89 страниц текста, 33 рисунков, списох литературы из 72 наименований и 3 приложения.

. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ¡РАБОТЫ

Во___введения обосновывается актуальность темы,

сформулирована цель и определены основные задачи исследования.

Первая.глава посвящена краткому обзору существующих автоматических систем управления, диагностики и оперативного контроля. Сформулированы положения, для разработки микропроцессорной системы управления позволяющей решить задачу снижения расхода топлива при эксплуатации судов, обоснован подход к созданию системы автоматического управления главными дизелями судна.

Отмечается, что в настоящее время при автоматизации процесса контроля и управления судовыми техническими средствами микропроцессорные системы находят все более широкое применение, а в состав систем автоматического управления включают компьютеры. В качестве примера приводятся системы автоматического управления СЭУ таких фирм как, Nippon Air Brake, Detroit Diesel Corporation, Motorola Inc., Saab, S1RM, DMT и др. Здесь прослеживается тенденция к комплексной автоматизации судов, когда на систему управления возлагаются не только технологические функции (управление СЭУ, электростанциями, судовым вспомогательным оборудованием и т. д.), но и функции, связанные с безопасностью плавания, работами по загрузке судна, автоматизация документооборота и т.д. На морских судах отмечено появление интеллектуальных систем управления. *

Проведен обзор систем контроля и диагностики фирм Л EG, Diese! Master, Kvaerner Energy AS и др. Отмечено, что в современных системах диагностики и. контроля все большее Применение находят вычислительные комплексы, что позволяет существенно уменьшить число контролируемых параметров за счет использования методов косвенной -оценки.

В сложившейся практике судостроения применяемые автоматические системы обеспечивают эффективное управление в основном - по локальным критериям оптимальности (авторулевые, оптимизаторы режимов движения и т.д.) Так, современные авторулевые позволяют обеспечить "снижение расхода топлива при удержании судна на заданном курсе, однако эффективность их использования значительно снижается на внутренних водных путях вследствие различных навигационных ограничений. Оптимизаторы режимов работы движения также способствуют снижению расхода топлива за счет управления СЭУ при переходных режимах. Здесь одним из путей повышения экономичности при эксплуатации судов видится решение задачи поиска оптимальных режимов работы главных дизелей судна. Все

б

ранее предложенные решения этой задачи сводятся к составлению рекомендательного расписания движения, позволяющего оптимизировать.режимы движения судна на всем маршруте. Задача соблюдения этого расписания полностью ложится на судоводителя. Следующим шагом в развитии данного подхода -видится в возложении функции по расчету расписания движения и его выполнения непосредственно на автоматическую систему управления главными дизелями судна. Такой подход требует дальнейшего совершенствования технических решений в создании судовой системы управления и проведения ряда теоретических исследований.

Вторая глава посвящена математическому и компьютерному моделированию комплекса «двигатель - движитель - корпус • система управления», анализу его динамических и статических хара ктеристик.

Для успешного создания автоматических систем управления и синтеза алгоритма управления необходимо знать поведение объекта управления, его статические и динамические характеристики. С этой целью была выполнена конкретизация математической модели ♦двигатель - движитель • корпус -система управления» для судов 301 проекта.

Учитывая, что судно имеет три дизеля н, соответственно, три винта, система уравнений, описывающая динамику комплекса в целом, имеет следующий вид:

ау <¿1

= (А ~ + В~г + Сп21 -Ф(УУ))- ЕЩТ); ОТ,, (п,)- ( Н'£г+ IV1 + Мп?) - 0.05Т,,.., * п,;

ОТ„(п,)- [н IV1 + N - 0.05Т.....• п,;

+ IV1 + N¥1

-0.05Т ■. *п

Здесь А, В, С, Б, Е, б, Н, I, N • константы, определяемые характеристиками выбранного типа судна;

п, = — - нормированная частота вращения /ого дизеля;

\

TT - о

v = — - нормированная скорость движения судна;

Т, • момент двигателя ка фланца отбора мощности;

R(v) • полное сопротивление движению судна;

0(V!)ai-—- • зависимость коэффициентов

засасывания винтов.

Перзог уравнение системы описывает динамику ДЕНжешит-судна. В него вошли упор винта и полно? сопротивление движению судка. Расчет полного сопротивления дзмхсснию судна с данной модели ведется с учетом мелководья по методике» предложенной A.B. Карповым. Так, полное сопротивление .движению судна определяется по формуле:

RfvHR^.J^MH^/kj,

Сюда входят R^ • сопротивление трения с учгтои шероховатости смоченной поверхности судна, Ргч. дополнительное сопротивление выступающих чаете:";, R^, остаточное сопротивление.

Безразмерные параметру к, и к2 - рассчитываются з зависимости от глубины фарватера. На глубокой воде, когда глубина фарватера не сказывается ка сопротивление,, влияние параметров к( и к2 не учитывается, то есть они принимаются равными единице.

Следующие уравнения э системе описывают одшикку работы дизелей для первого, второго и третьего соответственна. Определение момента двигателя производится иг следующей системы уравнений:

(аий$ - ВдаНJ - Сав), при n < (iL, - Щ

Т„00-

% _ ,<Е<Е„

О, прий<пи

Для проведения расчетов к исследования динамики процесса разгона, а также поиска алгоритмов. управления г.а основе полученной математической модели была разработана компьютерная программа. Ока включает решение система

дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта н.ч языке PBS Basic для IBM PC, программные модули, позволят1®!® моделировать различные внешние судовые условия $глубл.ча фарватера, течение реки), различные управляющие алгеритаа для систему управления. Имеется также удобный интерфейс, позволяющий легко изменить параметры расчета. Результаты моделирования могут быть представлены о цифровом или графическом вида.

Достоверность расчетов и адекватность приведенной математической модели подтверждена сравнения?.!!! с опубликованными экспериментальными данными и результатами испытании дизеля 170 завода-нзготоаителя, устанавливаемого на судах исследуемой серии.

По результатам машинного расчета формировались динамические характеристики а различных сечениях фагового пространства. Как известно, моделирование показало, что при выходе судка на мелководье четко прослеживается тенденция к резкому увеличению сопротивления движения судна. Это приводит к уменьшению скорости судна, падению оборотов и возрастанию момента дизеля по регуляторной характеристика до ограничения по максимальной внешней характеристик®. Можно заметить, что чем. меньше глубина фарватера, тем больше гозрастанне сопротивления судна и, как следствие, наиболее тяжелый режим работы дизеля (уменьшение времени переходкого процесса, увеличение изменения скорости, оборотов и моыента дизеля).

Анализ полученных результатов однозначно убеждает в необходимости учета глубины фарватера при задании режима работы дизеля. Целесообразно задавать режимы работы дизеля на данном участке с учетом текущей глубины фарватера н глубин на последующих участках, то есть ввести элемент «прогнозирования». А закономерности в изменениях приращений параметров момента дизеля и топливной рейки целесообразно использовать в системе автоматического управления лри текущем формировании управляющего сигнала с цель» оценки последующего режима работы дизеля, в частности, близости режима работы к перегрузочному.

В1третьей-Хлавс производится краткий обзор методов и алгоритмов оптимизации движения судна в зависимости от внешних условий плавания с позиции возможности их использования в системах автоматического управления главными

дизелями судна. Дается анализ существующих методов, определяются требования для синтеза алгоритма оптимизации расписания движения судов. Приводится обоснование Предложенного алгоритма н на его основе разрабатывается алгоритм управления режимами работы дизелей для системы автоматического управления.

Учитывая, что судно является звеном просчитанной технологической цепи, на судно спускается готовое решений экономической задачи в виде установленного маршрута движений для. перевозки конкретного типа груза и времени прохождения этого маршрута; В свою очередь, эти данные могут служить исходными значениями для решения новой задачи более низкого уровня с критерием цели - минимум расхода топлива при прохождении заданного маршрута движения.

Таким образом, решение поставленной задачи сводится к расчету расписания движения судна, оптимизирующего работу главных дизелей, по критерию уменьшения расхода топлива за счет учета влияния оперативной обстановки и путевых условий плавания.

На протяжении ряда лет различными авторами разрабатывались методы и алгоритмы оптимизации расписания движения. Гак, в работах Бондаренко В.Л. предложен графический метод оптимизации расписания движения судна. Этот метод в основном ориентирован на ручной расчет и в нем не предусмотрено возможности оперативного изменения расписания движения, то есть применения в автоматических системах управления. В работах Малого П.А., Сахарова В.В. рассматривается решение задачи оптимизации расписания движения иа основе динамического программирования. При атом не учитываются такие внешние условия плавания, как, течение реки и ограничения скорости движения судна. Алгоритм; разработанный Самыкиным Г.А. и Бажаном П.И., позволяет учесть течение реки и ограничения по скорости движения судна, но с соответствующим изменением заданного времени прохождения маршрута. Выше приведенные методы и алгоритмы в свое время позволили существенно продвинуться в решении задач по обеспечению дополнительной экономии топлива. На их основе был разработан ряд систем, позволяющих рассчитывать рекомендуемые режимы работы главных дизелей, которые предлагается осуществлять судоводителю, при этом он должен учитывать текущую судоходную обстановку н при необходимости

выполнить новый расчет расписания движения с учетом изменившейся путевой ситуации. В настоящее время возникла необходимость и появилась возможность разработки нового алгоритма оптимизации расписания движения, специально предназначенного для работы з системе автоматического управления главными дизелями судна.

Задача оптимизации расписания движения судна по заданному маршруту формулируется следующим образом: получить минимальный расход топлива при прохождении судком участка реки с переменными глубинами за заданное время Т. Для решения этой задачи линия движения судна разбивается нл участки протяженностью S¡, со средней глубиной Н,, скоростью движения судна V, и, соответственно, скоростью течения реки V,5* и ограничением на скорость движения судна У,вф. Время прохождения каждого участка t¡ выбирается таким образом, чтобы общин расход топлива был минимальный.

Математическая формулировка данной задачи имеет следующий вид: найти минимум функции п переменных Q(t) с учетом ограничения типа равенства:

h(t)- ¿ !, = Т

i-i

Q(t) min, t б R *

Здесь Q(t)= ¿ f. '"j^' - суммарный расход топлива, i-i *

затраченный главными дизелями судха на прохождение всего участка, '

где t, - время прохождения каждого участка;

S, - протяженность ¡-ого участка;

BTf¡ - паспортный часовой расход топлива;

С,- коэффициент пропорциональности.

Обозначим а, - BT„C¡S?; тогда, учитывая, что y-S,/t,, получаем:

S1 се

В, . В^С.У,*!,« В1ИС,-К- рК

1 1

Решение задачи оптимизации расписания движения судна за время Т, основанное на принципе Лагранжа, получено о следующем виде:

_ О I 2 а , Г'

t,

Чгсовой расход топлива Зт на i-ом участке равен:

( * V к I V

а, „

Бу —— = -—-3- ■■■ ■ з- = В, = const

' (tj) atT Т

Техкм образом, для получения минимального расхода тошшш на прохождение всего маршрута нообходшо подбгржиз&ть одинаковый расход топлива на гсех yvacrxsx движений. Получение» решение задачи гашнмизацни расхода теллнег кспользуеь: прн синтезе алгоритма расчете расписаний - ¿чтения судна.. '

Режгш работы судового энергетического комплекса (СЗК), & следовательно, и расход топлива определяется большим количеством внешних факторов, которые можно условно раг5н\'ь its две группы. Пергая группа - факторы длительного влияния; сто такие факторы, которые остаются неизменными а течение рсйса или навигации. Сюда можно отнести сскдку судна, состояние даижитсльно-рулеиого комплекса, средние глубины иа выделенных участках , скорости течения, ограничения скорости движения судна н т.п. Вторая группа - факторы кратковременного действия; они носят непредвиденный характер, и время воздействия их может быть от нескольких секунд до часов. К ни:.! можно отнести отклонение глубины на участке от заданного среднего значение, резкое и непродолжительно:- нз.мензние скорости течения, метеорологические условии - ветер и Еолноине, опытность рулевого н 'т.п. Учет факторов первой группы осуществляется на этапе расчета расписания движения.'Фактора второй группы, хотя и оказывают существенное влияние на режим работы СЭК, косят случайный характер, и поэтому их на-этапе расчета расписания движения учесть невозможно. Так что единственная возможность ля уче.та существует непосредственно при формировании управляющих сигналов.

Для синтеза алгоритма управления дизеля;.:;; судна, позволяющего участь факторы второй группы, необходимо провести дополнительные исследования. Для этих целок наиболее

показателен случай прохождения судном участка реки переменного профиля при реализации различных закокоз управления главными двигателями, - в том числе выполнение расчетного расписания движения. Для исследования в качества эталонного участка переменного профиля выбрана модель реального участка реки со сродним значением глубины фарватера 6 метроз. Проведение исследований позволило -выявить следующее. При неизменном задании топливной рейки и з.-гданнои начальной частоте вращения п=328 1 /мни изменение частоты вращения двигателей на этом участке составляет 0,89%. Скорость судна v меняете!! на 11,7%, а момент дизеля на 13,5%. По величине он достигает 0.975% (при h^ ~ 4н.) от номинального значения, т.е. имеется высокая вероятность работы дизеля в перегрузочном режиме. Попытка прохождения этого учестга с выполнением управляющего алгоритм! по поддержанию йсстоянной частоты вращения (п ~ const) приводит к работе дизеля в еще худших условиях. Здесь при движении на малой глубине момент лизелл достигает значения, задаваемого снешней хпряктсристикой, что гопс-рпт о работе дизеля с перегрузкой. Результаты моделирования при задании времени прохождений усего участка и выполнение системой управления алгоритма поддержания рассчитанного расписания движения показали, что так же осуществляется поддержание постоянного момента гласных двигателе:"«. Моделирование прохождения судном участка о алгоритмом управления, обеспечивающего поддержание пгстопшюго значения момента главных дизелей, привело к тому ,что при выполнении этого алгоритма частота вращения дизелей на участках с разными глубинами близки к рассчитанным, з расписании движения.

Анализируя проведенное исследование, можно сделать зывод о необходимости включения в алгоритм управления главными двигателями режима поддержания постоянного момента. Такой подход позволит исключить динамические перегрузки дизелей, вызванные факторами второй группы, и дает дополнительную экономию в топливе за счет автоматической установки режима поддержания постоянного расхода при изменении глубины фарватера на конкретном участке реки от расчетного среднего значения.

Таким образом, система ' автоматического управления дизелями судна должна включать d свой состав систему расчета оптимального расписания движения с функциями по

автоматическому поддержанию расчетного расписания и Коррекции этого расписания по мере необходимости (элемент «прогнозирования»), а также систему управления по нагрузке дизеля (элемент управления по текущим параметрам).

Результаты моделирования были положены в основу синтеза алгоритма управления режимами работы дизелей при реализации автоматической системы управления (рис.1.). При создании этого алгоритма заложено условие соблюдения постоянного часового расхода топлива на всех участках со строгим соблюдением заданного времени движения. Расчет оптимальных времен прохождения каждого участка маршрута позволяет получить минимальный суммарный расход топлива при прохождении всего маршрута. Для устранения неоднозначности, возникающей при оптимизации, критерий соблюдения времени Прохождения маршрута выбран основным.

Первым этапои создания нового алгоритма является разработка базы данных, содержащую навигационную информацию и путевые условия. Полученная база данных необходима для формирования исходных значений для расчета, а также позволяет проводить ориентацию и соблюдать правила плавания.

Алгоритм включает в свой состав подготовительный этап -формирование данных в зависимости от ограничений налагаемых условиями плавания и эксплуатации СЭУ.

Здесь производится определение ограничительных частот вращения по нагрузке дизеля для каждого участка. Далее определяются времена минимально возможного и максимально допустимого прохождения маршрута при соблюдении условия бесперегрузочной работы дизелей.

Осуществление многопроходности в алгоритме привело к появлению «Критического внешнего задания» по времени. Это время меньше минимально возможного или больше максимально допустимого времени движения по маршруту. Задание такого времени приводит к повтору числа расчетов, что обуславливает резкое увеличение времени работы алгоритма. Для устранении этого недостатка производится отслеживание критически;: внешних заданий и реализация специальных ветвей алгоритма, позволяющих не только избежать увеличения времени расчета, но и уменьшить его. Здесь в расписание движения закладываются уже рассчитанные ограничительные параметры • время движения, скорость судна и часта вращения дизелей на каждом участке.

После выполнения подготовительного этапа производится основной расчет расписания движения. Он включает выполнение следующих шагов.

Учет скорости течения реки путем введения «виртуальных» длин участков, учитывающих помимо участка и путь» который пройдет судно по этому участку за счет течения рекн. В зависимости от направления течения «виртуальная» длина участка может быть больше или меньше реальной длины.

Далее осуществляется расчет времени прохождения, каждого участка, скорость движения на нем и, соответственно, частот вращения дизелей на этих участках.

Ввод ограничения по скорости движения судна и частоте вращения дизелей приводит к корректировке скорости движения судна, частоты вращения дизелей и времени хода на этом участке. Для избежания нарушения заданного времени прохождения маршрута после корректировки происходит заноЕо перерасчет всего расписания движения. Участки, на которых была произведена корректировка, из расчета исключаются. Таксе введение миогопроходности в алгоритм позволило выполнить условие строгого соблюдения заданного времени движения по маршруту.

По завершению расчета формируется расписание движения судна с рекомендуемыми режимами работы дизелей по участкам маршрута.

Далее, в зависимости от выбора судоводителя, может производиться либо отслеживание прохождения маршрута, при этом режимы работы дизелей предлагается поддерживать непосредственно судоводителю, либо происходит автоматическое поддержание режимов работы дизелей и отслеживание прохождения маршрута. В автоматическом режиме контролируются текущие параметры дизеля и не допускается его работа в перегрузочном режиме. При нарушении расписания движения судна система управления формирует новые исходные данные для оптимизации и производит перерасчет расписания движения на оставшийся путь.

Разработанный алгоритм управления главными дизелями судна является универсальным и позволяет легко произвести его адаптацию для любого типа водоизмещающего судна. Данный алгоритм был использован при разработке мультипроцессорного • комплекса управления и контроля дизелями для теплохода

«Волгонефть 269» и п реализации диспетчерской системы для т/зс «Ленин«.

В.-Летертой.гласи дается описание мультипроцессорного комплекса управления и контроля дизелями транспортного судна, й также представлен структурный анализ комплекса. Рассмотрены подсистемы оптимизации графика движения, автоматического управления дизелями, оперативного контроля работы дизелей.

Для повышения эффективности эксплуатации СЭУ за счёт уыеньшення затрат на топливо был разработан мультипроцессорный комплекс управления и контроля работы дизелями транспортного судна. Комплекс позволяет производить расчет расписания движения, оптимизирующего расход топлива при прохождении выбранного маршрута, автоматически поддерживать режимы работы главных двигателей по рекомендациям полученного расписания, а также самостоятельно-устранять возможные перегрузки главных двигателей в режиме автоматического управления. Помимо функций управления комплекс предоставляет непрерывный оперативный, контроль за работой главных дизелей и сбор статистики о их режимах работы.

Данный мультипроцессорный комплекс управления к контроля для двигателей транспортного судна включает в состав три подсистемы (рис.2.): судовая компьютерная подсистема оптимизации расписания движения (СКС), подсистема управления дизелями судна (УДС) и подсистема оперативного контроля работы дизелей (ОКРД). Подсистема оптимизации расписания движения обеспечивает расчет времени прохождения участков маршрута и частоты вращения главных дизелей на участках в зависимости от заданного времени движения. Также »та подсистема формирует сигналы для управления главными дизелями с целью автоматического выполнения полученного расписания движения. При рассогласовании реального местоположения судна и расчетного предусмотрен режим корректировки местоположения и автоматического перерасчета расписания движения на оставшеюся часть маршрута. По желанию судоводителя предусмотрено включение режима адаптации алгоритма расчета под внешние условия. Возможен автоматический перерасчет расписания движения по сигналу

системы автоматического управления при несоблюдении заданных режимов работы дизелей.

Подсистема автоматического управления дизелями судна обеспечивает поддержание з автоматическом режиме частот вращения дизелей передаваемых СКС в зависимости от проходимого участка; отслеживает работоспособность сервопривод.-?; по данным от системы оперативного контроля следит за нагрузкой главных дизелей и при выходе на перегрузочные режимы автоматически уменьшает частоту сращения; при несоблюдении рекомендуемых режимов работы дизелей формирует сигнал для СКС на перерасчет расписания движения.

Подсистема оперативного контроля работы дизелей обеспечивает сбор н обработку информации по температуре в цилиндрах- дизеля, нагрузке дизеля, расходу топлива, учету времени наработки дизеля с различными нагрузками. Эти данные передаются подсистемам УДС и СКС. По желанию оператора в любой момент времени данные о текущем состоянии работы дизелей могу быть выданы на экран компьютера и записаны для дальнейшего хранения и протоколирования. При выборе параметров оценки нагрузки работы дизеля в системе контроля были использованы результаты исследований В.А Звонцова, М.И Лепима.

МПК У К Д. допускает работу подсистем СКС и ОКРД как совместно, так и раздельно. Функциональные возможности комплекса зависят от режима работы подсистем и наибольшие возможности достигаются при совместной работе всех подсистем. Также здесь предусмотрено включение и отключение активного режима управления дизелями (автоматического поддержания рекомендуемых частот вращения и отслеживания бесперегрузочной работы) судоводителем из ходовой рубки. Быстрота и легкость отключения автоматической системы управления обусловлена необходимостью обеспечения безопасности плавания.

Предложенная конфигурация комплекса, является наиболее приемлемой с точки зрения установки на судах. Она позволяет максимально учесть разнообразные требования, техническое состояние судна, уровень подготовки экипажа, финансовые возможности судовладельца и др., то есть возможно внедрение

комплекса как а полном объеме, так н в экономически обоснованных конфигурациях, причем либо сразу, либо в

несколько этапов. Уникальность комплекса состоит в том, что система автоматического управления включает и свой состав решение экономической задачи по оптимизации топлива, а также в том, что в комплексе объединены система управления и контроля.

Б..пятой .главе „обосновывается выбор микропроцессорной аппаратной базы для реализации данной системы, формируется функциональная структура комплекса и описывается его аппаратная и программная реализация.

Решение поставленной задачи . по созданию комплекса управления и контроля главными дизелями судна, оптимизирующего расписание движения в автоматическом режиме непосредственно на судне, требует значительных вычислительных ресурсов и предъявляет высокие требования по быстродействию и надежности к элементной базе. Наиболее подходящим для решения поставленной задачи является одно из Направлений микропроцессорной техники - однокристальные микроЭВМ. Их широкие функциональные возможности, высокая надежность, низкая стоимость и малые габариты позволяют создавать на их основе мощные автономные модули, которые . легко могут быть объединены в единую структуру. Для выполнения вычислительных и интерфейсных задач видится целесообразным включение в состав системы управления персональной ?ВМ. Выбор данной аппаратной базы дает возможность достаточно легко создавать многоуровневые, иерархические системы управления, выполняющие сложные адаптивные алгоритмы управления. Наличие ЭВМ, помимо высокой вычислительной способности, предоставляет возможность создания эффективного интерфейса для связи между системой управления и человеком.

Построение МПК УКД предлагается проводить по 'следующей структуре: для каждого агрегата (блока контроля температуры в цилиндрах, блока контроля нагрузки дизеля, блока измерения расхода топлива и т.п.) создается собственный модуль. Такой подход позволяет создавать модули достаточно простыми конструктивно, недорогим по стоимости и обеспечивать легкость установки модулей на судне. На модули нижнего уровня возлагаются функции сбора и первичной обработки информации » (для передачи на более высокие уровни), управление главными дизелями и контроль за их работой. На более высоком уровне

решается задача оптимизации работы главных дизелей, координация работы отдельных структурных частей систем, тестирование и диагностика работоспособности модулей нижнего уровня, окончательная обработка (документирование) обобщенной информации и формирования на основе полученной информации управления. Такая структурная гибкость МПК УКД дает возможность установки комплекса как в полком объеме, так и в частичном (с соответствующим уменьшением функциональных возможностей), а также возможно дальнейшее расширение этого комплекса' за счет включения в его состап дополнительных модулей.

Созданная МГ1К УКД (смотри рис.3.) включает в свой состав: компьютер IBM 386SX, мультипроцессорный блок, сервоприводы и отладочный пульт. На компьютер возложена задача оптимизации расписания движения, формирование на его основе управляющего сигнала для установки режима работы главных дизелей, судна, а также приема, обработки, хранения и представления в графическом виде данных оперативного контроля работы дизелей. Мультипроцессорный блок обеспечивает сбор информации с аналоговых и цифровых датчиков, ее обработку, формирование массивов для обмена с IBM PC, контроль и управление сервоприводами. Сервоприводы предназначены для изменения частоты вращения дизелей по командам мультипроцессорного блока. Они созданы на базе электродвигателей постоянного тока с редукторами, которые при помощи электромагнитных муфт подключаются к штатному ДАУ. Отладочный пульт необходим для настройки и проверки работоспособности МПК УКД.

Мультипроцессорный блок реализован на пяти ОМЭВМ типа 8751 (INTEL, США) и функционально разбит на пять модулей: измерения температуры газов в цилиндрах дизеля, измерения расхода топлива, измерения аналоговых и дискретных сигналов, управления сервоприводами и модуль - координатор. Межмодульная связь и связь с IBM PC обеспечивается по последовательному каналу.; На три первых модуля возложена задала сбора и первичной обработки информации о параметрах дизелей. Модули производят измерения, нормирование сигналов, вычисление по тарировочным графикам значений переменных и передачу данных по запросу модулю - координатору. На модуль управления сервоприводами возложена задача установки заданных оборотов дизеля, контроля исполнения команд и

работоспособности сервоприводов. Модуль-координатор осуществляет контроль работоспособности подчиненных модулей, сбор информации от подчиненных модулей, ее анализ и передачу IBM PC, прием информации о рекомендуемых частотах вращения от IBM PC, реализацию алгоритма управления сервоприводами, оперативную оценку нагрузки двигателей и другие функции. Конструктивно модули объединены в блок с единым источником • питания. Этот блок с системой датчиков и сервоприводов располагается в машинном отделении судна. Компьютер МПК УКД устанавливается в ходовой рубке.

Данная МПК УКД разработана для теплохода «Волгонефть-269», оснащенного двумя главными двигателями типа NVD-48. Система может быть легко адаптирована для других типов судов (отличаться будут сервоприводы, конструкция которых определяется типом ДАУ). Остальные модули являются универсальными и привязка к конкретному судну будет заключаться в модификации программного обеспечения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Проведен анализ существующих математических моделей водоизмещающих судов и проведена адаптация базовой динамической модели комплекса «двигатель - корпус • движитель - система управления» для исследуемого судна.

2. Выполнено компьютерное моделирование переходных режимов комплекса «двигатель - корпус - движитель - система управления», исследованы динамические характеристики данного комплекса при различных законах управления и внешние условиях. Выявлены иозможности по снижению расходов топлива за счет оптимизации режимов работы главных дизелей. Сформулированы основные подходы к созданию система автоматического управления главными дизелями.

3. Теоретически обоснован алгоритм расчета расписания движения судна с оптимизацией по расходу топлива, позволяющий учесть оперативную судоходную обстановку и пригодный для применения в автоматической системе управления главными дизелями. '

4. Синтезирован алгоритм управления режимами работы дизелей для автоматической системы управления, позволяющий рассчитать расписания движения, обеспечить его автоматическое

выполнение, контролировать режимы работы дизеля и, при необходимости, производить коррекцию режима работы дмадля для устранения перегрузочных режимов работы, я также «втоматически производить коррекцию расписаний движения при его нарушении.

5. Создана компьютерная система расчета расписания движения с оптимизацией режимов работы СЭУ, при гтом широко используются ноЕые достижения а информационный технологиях, событийно управляемо« программирование, визуальное проектирование за счет использования общепринятого стандарта "Графического интерфейса пользователя".

6. Элементы диспетчерской подсистемы мультипроцессорной САУ прошли пробную эксплуатацию на т/я 1 Ленин» а навигацию 1995 г.

7. Разработаны алгоритмы и программы для модулей нультипроцессорнсго комплекса управления и контроля дизелями судке.

8. Результаты работы использованы при создании мультипроцессорного хомплекса управления и контроля главными дизелями теплохода "Волгонефть - 269" в 5996г.. Они тают® иогут найти применение при разработке систем автоматического управления СЭУ на базе микропроцессорной техники и персональных компьютеров для водоизмещающих судов.

Основноеl__содержание__диссерташт^-лпублккозвт^д

следующих, работах мвторз:

1. Трошева -Л,С., Мерзляков В.И., Перевезенцев C.B.. Плющаев В.И. Система контроля нагрузки судовых дшаяай. //Приборы и системы управления, №5. 1S96. -с. 13-14.

2. Грошева Л.С., Перевезенцев C.B.. Плющаев В.И. Судовая компьютерная система оптимизации графика движения судна. // Речной транспорт, №2 1996. -с.6-8.

3. Перевезенцев С.В,. Плющаев В.И. Динамика судового энергетического комплекса при движении на участке s переменной глубиной. //Нелинейные колебания механических систем: IV конф.:Тез. Докладов. -Н. Новгород, 1996. -с. 118-119.

4. Перевезенцев C.B. Разработка математической модели комплекса двигатель - корпус • движитель транспортного судке, Труда ВГАВТ, 1995г. вып. 271

У В ОД Данных / / Г. Г., /

{____ОПГИМИ^гТЦИИ /

г

Сю р миро 5 й }! ^ о :;лняих ц л я расчете (г. о ;; г о т с и г. -тольн'.^Г' отап')

Т

П» V»

Ег

v, В£

т т„;,

та " т.

i!, . - п. г.,,

v! »

в*. » в; .

Впов

участкоь для учет» течвнлл рек»

<г>

«1 ** ^ 1 ■ 1 г.

v |

и - м-х

Т

З-у с л е г ив а н я е | прохождения | марпрутл

1> ■ ш1

поддержание распи- ц | сйния даияеиия !! '

поддержания постоянного момента

Рис. 1. Алгоритм управления режимами работы дизелей для реализации оптимального расписания движений.

По,ценетемз оптимизации

¡1 расписания движения

¿; и йегг^зз

I ¿одсист&'и спгратьтиогэ контроля

Щг^^Щ^Р ■ I управления 41Г "1 ТЛЗБНЬМС

дагелямя сгу: :;: :^.

ти

| Измора ¡иа теетзратуры

Измерение

частоты впадения

Измерение мощности

Измерение расхода топлива

Л".

Рнс. 2. Мультипроцессорный комплекс управления и контроля дизелями водоизмещающего судна.

Ходовая рубхг

ГйрвогияькыЯ кокт^оте»)

Мшшшое отделение

У< VI

»'л '—г --,1

1Г

Муя&ткпрсиессорниЛ блок ,

СЯедупь сзхго^кяа

(ШП^вОМЫЙ

смет

• расчет оптималиюго расписания ¿явления судия;

1 о тслешт^нне движение судна не виИранному маршруту с привитой е пунктам следования нлн кклешгрги

аут;

» перерасчет графика дв/жетя еетлх-

шннея участок маршрута; > лАзптацин алгоритме рясчетя а

меняющимся условиям плавании; ' оперативная коррекций базы датах; ■> ввод н редактирование яужтая я аре не ни стоянок;

сохранение реального маршрутного Гре-|фнкз движения;

представление в графическом них» данных оперативного контроля работ Ашелей:

о математическое поддержание рзхеши-дуемых расписанием двнххеявя режииоз рзботи главных дтглг&; о оперативная оценка тгрумя двигателей и устранение иерегрумяшя режимов;

о контроль работоспособности тдшяаы-

ныл модулей; з сбор н первичная ■ обработка информации о работе главных днмлгЯ а передача 1ВМ РС; о нзыергнне расходе гошшгл.

1

Модуль изм«р«имя аналоговый ицифроаыа Сигналов

упр«вл«имя гарэолрмяо-I дом

Модуль счгпесова«эд обрлбот^ы сигналов о коордиивими.

Рнс.З. Функциональная схема мультипроцессорного комплекса управления и контроля главными дизелями судна.