автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование динамики и разработка систем управления судов с колесным движительно-рулевым комплексом

На нравах рукописи

Мерзляков Владимир Иванович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВ С КОЛЕСНЫМ ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВЫМ КОМПЛЕКСОМ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (кораблестроение)

5 ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2013

005542458

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор зав. кафедрой радиоэлектроники

ФБОУ ВПО «ВГАВТ» Плющаев Валерий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор каф. теории корабля и гидромеханики ФГБОУ ВПО «НГТУ им. Р.Е Алексеева» Ваганов Александр Борисович

кандидат технических наук, доцент каф. ИСУиТ ФБОУ ВПО «ВГАВТ» Преображенский Александр Васильевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (г. Мурманск)

Защита диссертации состоится «27» декабря 2013 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.02 при ФБОУ ВПО «ВГАВТ» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, аудитория 281.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «ВГАВТ».

Автореферат разослан « ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе научно-технического прогресса совершенствование всех видов человеческой деятельности связано с бурным развитием информационной техники и технологий, а так же с их применением для выполнения, как отдельных производственных операций, так и управления производственными процессами в целом. Поэтому информатизацию и компьютеризацию современных судов следует рассматривать, как стратегическое направление научно-технического прогресса, на котором должна и будет решаться проблема по обеспечению безопасности судовождения.

Несмотря на значительные затраты судовладельцы все чаше осознают необходимость оснащения своих судов современной -комплексной системой управления техническими средствами, поскольку это в значительной степени будет определять качество, эффективность и безопасность эксплуатации судна.

В настоящее время накоплен значительный опыт внедрения таких систем для различных типов судов. Этому вопросу посвящено большое количество работ. Однако в большинстве этих работ рассматриваются или морские суда или суда серийных проектов с классическими пропульсивными установками и рулевыми системами, а современное судостроение характеризуется широким внедрением инновационных технологий, как например, применение колесного движительно-рулевого комплекса (КДРК). Особенностью применения КДРК является отсутствие традиционного органа управления (руля или поворотных насадок), а изменение величины и направления вектора тяги осуществляется путём изменения соотношения числа оборотов и направления вращения гребных колёс, имеющих независимый привод. Поскольку, в данном случае гребные колеса обеспечивают и движение, и управление судном, получается совершенно новый тип движительно-рулевого комплекса, конструкция которого признана изобретением (Российский патент № 2225327 от 30.11.2001). Анализ области применения КДРК позволил осуществить несколько новых проектных проработок. Среди них паромы, пассажирские и прогулочные суда и даже колесные ледоколы.

Опытная эксплуатация судов с КДРК выявила и ряд новых проблем, присущих только этим судам. Малая осадка, большая парусность, отсутствие традиционного руля, использование двух независимых приводов гребных колес не позволяют судоводителю добиться высоких качественных показателей процесса управления и обеспечения безопасности судовождения. Поэтому задача создания для судов с КДРК математических моделей, алгоритмов управления, изучение динамики, разработка и создание качественно новых, интегрированных систем управления, реализующих интеллектуальные алгоритмы управления КДРК и техническими средствами судна, является весьма актуальной.

Объектом исследования является неустойчивое на курсе водоизмещаю-щее судно с новым типом движительно-рулевого комплекса - КДРК.

К предмету исследования относятся научные основы и методы управления судном с КДРК в режиме стабилизации курса, методы построения автоматизированных систем управления судовыми технологическими системами судна с КДРК и технические средства их реализации.

Цель диссертационной работы заключается в повышении надежности и безопасности эксплуатации судов с КДРК за счет разработки эффективных алгоритмов управления движением судна и интегрированной информационно-управляющей системы, обеспечивающей управление техническими средствами судна и реализацию указанных алгоритмов.

В сйязи с этим необходимо было решить следующие задачи:

- разработать математическую модель судна с КДРК;

- провести компьютерное моделирование в среде МАТЬ А В для всестороннего изучения динамических характеристик судна с КДРК;

- синтезировать алгоритмы управления движением судна с КДРК с высокими качественными показателями;

- провести теоретическое обоснование способа контроля вектора тяги и получить выражения для расчета его величины и направления;

- для оценки качества управления судном при использовании алгоритма «виртуальный руль» создать макет системы управления и провести натурные испытания;

- разработать программные, структурные и схемотехнические решения интегрированной информационно-управляющей системы судна и ее отдельных узлов;

- решить ряд практических задач по созданию и внедрению интегрированной информационно-управляющей системы судна.

Основными методами исследований, использованными в работе, явля-

«

лись методы дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования, теории управляемости судна, теории автоматического управления.

При проведении исследований автор базировался на материалах публикаций А.М .Басина, В.М. Лаврентьева, НЛ. Мальцева, К.К. Федяевского, СЛ. Березина, Б.А.Тетюева, JI.M. Клячко, Г.Э. Острецдва, Ю.А. Лукомского, B.C. Чугунова и др., а также на работах ученых Нижегородских вузов и организаций Ваганова А.Б., Гурова П.В., Костюнина A.C., в том числе и сотрудников ФБОУ ВПО «ВГАВТ»: Гурылева М.В., Клементьева А.Н., Манина В.М., Преображенского A.B., Сатаева В.В., Соловьева A.B., Фейгина М.И., Чирковой М.М., Чернышова A.B.

Научная новнзна результатов диссертационной работы состоит в следующих, выносимых на защиту результатах:

- впервые разработана математическая модель судна с КДРК;

- исследованы динамические характеристики судна с КДРК в различных эксплуатационных режимах;

- синтезирован новый эргатический алгоритм управления движением судна с КДРК «виртуальный руль». Исследованы динамические характеристики судна при реализации данного алгоритма управления;

- синтезирован новый алгоритм управления движением судна с КДРК по заданной траектории. Исследованы динамические характеристики судна при реализации данного алгоритма управления;

- произведено обоснование параметров алгоритма движения по заданной траектории», выполнена оценка диапазонов изменения коэффициентов дополнительной функции, произведен большой объем математических эксперимен-

5

тов, которые позволили выбрать значения этих коэффициентов, обеспечивающих высокое качество управления судном;

— обоснована необходимость введения в алгоритм управления движением судна с КДРК по заданной траектории времени ожидания реакции системы корпус-движитель. Проведено исследование влияния времени ожидания реакции системы на качественные показатели процесса управления;

— проведено теоретическое обоснование способа контроля вектора тяги. Впервые получены выражения для расчета его величины и направления.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается методологически непротиворечивой основой исходных теоретических позиций, связанных с изучением и анализом оригинальных источников, обобщением опыта, использованием совокупности методов исследования, адекватных его целям и задачам; апробацией полученных данных и подтверждена использованием системного подхода, структурного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, широким использованием методов машинного моделирования, натурными экспериментами.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты проведённой работы могут быть использованы при разработке современных интегрированных информационно-управляющих систем судов с КДРК, реализующих предложенные алгоритмы управления судном и обеспечивающих контроль и дистанционное управление судовыми техническими средствами.

Реализация результатов. Материал диссертации представляет собой теоретическое обобщение подходов к решению практических задач создания средств контроля и управления техническими средствами судна, внедренных на двух новых пассажирских судах проекта ПКС-40.

Созданы и внедрены:

1. Система контроля и отображения параметров движительного комплекса (СКО ДК). Смонтирована на теплоходе «Сура» и введена в опытную эксплуатацию в навигацию 2011 года.

2. Комплексная система контроля и управления судовым оборудованием, реализующая разработанный алгоритм управления «виртуальный руль». Монтируется на втором, строящемся в настоящее время, судне проекта ПКС-40.

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание работы, получены автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках научно-технической информации. Научные результаты, внедренные на двух новых пассажирских судах проекта ПКС-40, получены в составе коллектива разработчиков.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на семинарах кафедры, на технических совещаниях с представителями владельца судов и специалистами ВерхнеВолжского филиала Российского Речного Регистра, на научно-технических конференциях:

13-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2011» (Нижний Новгород, май 2011 г.);

14- м международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2012» (Нижний Новгород, май 2012 г.). Доклад отмечен дипломом 1-й степени за лучший научный доклад.

15-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2013» (Нижний Новгород, май 2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 7 работах, в том числе 4 в журналах рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 138 стр., включая 75 стр. основного текста, 48 рисунков, 15 стр. библиографии, содержащей 140 наименований и 4 стр. приложений, включающих акты опытной эксплуатации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность исследований, формулируется цель работы, раскрывается научная

новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся сведения об их апробации.

В первой главе приведены особенности применения КДРК. Основной особенностью применения нового типа движительно-рулевой установки КДРК является отсутствие традиционного органа управления (руля, поворотных насадок и т. п.), а изменение величины и направления вектора тяги осуществляется путём изменения соотношения числа оборотов и направления вращения гребных колёс. Управление каждым колесом раздельное. Судоводитель должен согласованно управлять приводами колес так, чтобы создать вектор тяги нужного направления и величины. Это не простая задача и от судоводителя потребуются и повышенное внимание, и определенные навыки. Эта проблема разрешима с помощью современных средств автоматизации. В идеале, судоводитель должен задать простым и понятным способом курс и скорость судна, а система автоматики в соответствии с заданием рассчитать необходимые частоты вращения колес и сформировать управление частотными преобразователями.

Кроме управления движением судна судоводителю приходится решать и множество других задач, поскольку современное судно представляет собой сложную совокупность технических систем, подсистем и оборудования, влияющих на безопасную и эффективную эксплуатацию судов и во многом определяющих их живучесть. Поэтому основная цель автоматизации на судах заключается в облегчении труда и повышении его производительности, улучшении эксплуатационных характеристик судна, увеличении периода между ремонтными и профилактическими осмотрами оборудования, уменьшении вероятности аварий, сокращении численности экипажа. Эти вопросы могут быть решены при использовании интегрированных систем, в комплексе решающих задачи управления судовыми техническими средствами.

На основе анализа научных публикаций оценивается современное состояние автоматизации технологического оборудования на судах, дается характеристика состава средств автоматизации и элементной базы существующих систем управления, обосновываются требования для вновь создаваемых систем для судов с КДРК.

По результатам проведённых теоретических исследований сделаны выводы, в которых сформулированы научные задачи, требующие решения.

Вторая глава посвящена разработке математической модели судна с КДРК и синтезу новых алгоритмов управления его движением.

Для описания судна с КДРК впервые предложена следующая система уравнений описывающих динамику комплекса корпус-движитель с КДРК: йп

¿/и,

+ =/г,«,иг)-пяяУ,

* СО

(и,,V)• я,2 • ^(я,) + Ср(и2,V)• п\ • Б1дп(и2)]-^Псм;

^ = в ■ Iе?(«2-• п1 ■ $'1ёФ2) - С„(«,. V) ■ п] • з1ёп(«1)]- Мл ■ з1£п(м),

где И/- частота вращения левого гребного колеса (1/с); , П2 — частота вращения правого гребного колеса (1/с); ппах ~ максимальная частота вращения колеса (1/с); и 12 - управляющие воздействия на правое и левое колеса; V — линейная скорость движения судна (м/с); т - масса судна с учетом присоединенной массы воды (кг); Р— суммарный вектор тяги гребных колес (Н); ЩV) - сопротивление движению судна (Н);

J— момент инерции судна с учетом присоединенных масс воды относительно центра масс (Н/м);

Мы. Мк2 - моменты сил, создаваемые гребным колесом, приложенные к корпусу судна (Н/м);

со - угловая скорость поворота судна относительно центра масс (рад/с); Вр - диаметр колеса по центрам давлений, (м); р- плотность воды (кг/м3);

площадь гидравлического сечения плиц (м2); £2СМ- площадь смоченной поверхности корпуса судна (см);

fP,(',U) = Uc+(

2-(e>

+ e

+ 0,5) • (С/н -1/с))- кривая разгона час-

тотного привода (программируется при его настройке);

т = -

t ли -и I

дай* i я с !

тотного привода); A = p-D\ -Fk -cosa;

безразмерное время (определяется настройкой час-

51п(а + ап^(—^ ))

В = 1-В\'Рк-Х,-----4и2;

соз(агс1§(—

Ср (пу) - коэффициент упора,

С =

- 4,4 -Х. + 5,84

- 6,73 • X + 6,54

- 4,2 • X + 5,02 -l,5-?i+3,13

X < 0,3; 0,3 < X < 0,6; 0,6<Xá 0,7; А. >0,7;

я • и ■ £>,

— поступь;

4 =

^ — коэффициент сопротивления, 0,0013 7,5;

0,0015 7,5<у<10; 0,0020 10< у<12,5; 0,0027 у>12,5; Мя - а2- момент силы сопротивления воды (Н/м),

где К/г - коэффициент пропорциональности, который подбирается по результатам анализа динамики системы. Управление судном с КДРК изменением частоты сразу двух независимых приводов гребных колес вызывает у судоводителя серьезные затруднения. Результаты моделирования динамики судна под управлением судоводителя («ручное» управление) показанные на рис. 1. Можно видеть, что судоводитель вынужден попеременно изменять обороты гребных колес (примерно один раз в 25-30 с), при этом наблюдаются и изменения скорости судна (примерно на 0,16

м/с) и уклонения от заданного курса примерно ±5 м. Такой режим движения не отвечает требованиям безопасности и комфортности плавания.

у м/с, п1,п2,1/с

f----Wl^ / • i

i ¡ 1 i

1 ni

! t.c

ICO 150 200 250 300 350

ïuo eoj

Рисунок 1. Результаты моделирования «ручного» управления приводами с помощью двух независимых джойстиков V — линейная скорость движения судна, - частота вращения левого и правого гребных колес, х, у - координаты ЦМ судна на плоскости

Один из вариантов решения данной проблемы - разработка нового алгоритма для судов с КДРК «виртуальный руль», в котором предлагается разделение функций управления скоростью и направлением движения судна. Один орган управления (джойстик) используется для задания частоты вращения сразу двух гребных колес (скорости судна), второй - для задания направления движения. Вторым джойстиком судоводитель задает положение некоего виртуального руля (по аналогии с судами с традиционным рулем), а контроллер рассчитывает необходимые частоты вращения гребных колес и осуществляет управление частотными преобразователями.

Для реализации управления частотой вращения колес при изменении курса судна введем следующую вспомогательную функцию:

W. =

о,

а. -а

при аг = 0;

приаг ф 0,signaфsigna,; при а2 ф 0, signa = signa г :

(2)

100 ' а. .100'

где а2 - новое значение угла перекладки виртуального руля, а - текущее значе-

ние направления вектора тяги.

Таким образом, при движении вперед или назад и повороте.вправо (а*<0), управляющие воздействия на приводы гребных колес будут формироваться по формулам:

+ | Щ\ ■ при |<1;

"к -

'•^»л) при

= (3)

Г+1при£/„д>0;

и*.

[-1приг7Х0Д <0.

При движении вперед или назад и повороте влево (аг > 0) управляющие воздействия на приводы гребных колес будут формироваться по формулам: Um+\W\-Z(U^), при

при \иха\+\П\ |>1; (4)

Частоты вращения колес определятся как

Современное развитие технологий определения местоположения, основанное на космических орбитальных системах GLONAS и GPS и применение высокоточных датчиков вращения позволяет с достаточно высокой точностью определить основные параметры движения судна, такие как координаты (широта и долгота), скорость относительно дна, курс относительно дна, угловую скорость поворота и т. д. Эта база позволяет предложить алгоритм управления судном по заданной траектории, в котором судоводитель будет задавать курс и скорость судна, а компьютер будет рассчитывать необходимые частоты вращения для каждого колеса.

Для реализации указанного подхода предлагается ввести следующую вспомогательную функцию:

= кр ■ (р - рг) + к, ■ со + ку{у - Уг). (6)

В (6) первое слагаемое учитывает угловое отклонение судна от заданного курса р., второе - угловую скорость поворота судна со, третье - отклонение от заданной траектории движения yz в неподвижной прямоугольной системе коор-

динат ху. Коэффициенты Ар, кт ку определяют вклад каждого из слагаемых в общий результат.

Взаимосвязь рг и у, может быть задана уравнением:

у

В, - агсБт , 2 . <т\

Таким образом, можно предложить следующие алгоритмы формирования управляющих воздействий на приводы гребных колес: - с увеличением скорости:

при IV, >0; при W2 <0; U2i - W2 • (i/„,„ - U2C) при Щ < 0;

при W, > 0;

тг _ ji/„+»;•(£/_-£/,.) и" "If/ при W2 <0;

(8)

• с потерей скорости:

= |</

' ход

при W, <0; при 1У2 > 0; U,-W.-U7C при 1Уг > 0;

(9)

при /К <0,

где Ulc. U2c - текущие значения управляющих воздействий на приводы правого и левого колес, соответственно;

£/,„, i/гн - вновь формируемые значения управляющих воздействий на приводы правого и левого колес;

Uxor - заданное судоводителем управляющее воздействие на приводы правого и левого колес, обеспечивающее требуемую скорость движения судна;

Umax - значение управляющего воздействия на приводы правого и левого колес, при котором частота вращения колес максимальна.

На рис. 2 и рис. 3 показаны результаты моделирования динамических характеристик судна при реализации алгоритма управления по (8) и (9), соответственно.

Рисунок 2. Динамические характери- Рисунок 3. Динамика судна при реа-стики судна при реализации алгорит- лизации алгоритма управления с пома управления с увеличением скоро- терей скорости по (9) сти по (8)

Предложенный алгоритм позволяет реализовать движение судна по произвольно заданной траектории с высокими качественными показателями процесса управления. Однако его реализация требует наличия на судне дополнительного дорогостоящего оборудования (спутниковых навигационных систем, датчиков угловой скорости и т.д.).

В третьей главе произведено обоснование параметров алгоритма движения по заданной траектории. Выполнена оценка диапазонов изменения коэффициентов дополнительной функции (6) кр, кт, ку, произведен большой объем математических экспериментов, которые позволили выбрать значения этих коэффициентов, обеспечивающих высокое качество управления судном.

Обоснована необходимость введения в алгоритм управления движением судна с КДРК по заданной траектории времени ожидания реакции системы корпус-движитель. Проведено исследование влияния времени ожидания реакции системы на качественные показатели процесса управления. В четвертой главе приводятся материалы экспериментальных исследований и опытно-конструкторских работ, выполненных в рамках данной диссертационной работы.

Для эффективного и безопасного управления судном с КДРК судоводителю необходим прибор, показывающий, как минимум, направление и величину суммарного вектора тяги или упора гребных колес и частоту их вращения.

14

На рисунке 4 приведена схема формирования суммарного вектора тяги для случая, когда оба колеса вращаются вперед. Векторы тяги Рк! и Рк2 направлены под углом а ~ 15° к ДП.

Ри

^^ а

Ра

а) п2>п! б) п2<п1

Рисунок 4. Схема формирования суммарного вектора тяги для случая, когда оба колеса вращаются вперед

Суммарный вектор тяги Р направлен под углом у к ДП и его величина, согласно правилу параллелограмма, равна:

I Р1= + рп + 2-\Рк1П Ркг I -cos(2• а).

Из теоремы синусов для верхнего треугольника на рис.8а:

1^1 =\Р\ ^

sin(a + y) sin 5'

где 5 = 7t — 2 ■ а;

После преобразования, с учетом положения оси 0° вдоль диаметральной плоскости судна получим:

у = а - агсзт ——-зт(2-а) Точно так же угол у можно выразить относительно величины | Ри

I Л,

(10)

у:

-а + arcsin

(И)

—— ■ зт(2 ■ а) \Р\

Таким образом, при вращении колес вперед направление суммарного вектора тяги меняется в пределах -а < у < а, а его величина в пределах:

0<| Р |<|/>Ьмг|-Л/2-(1 + со5(2-а)), где | РктаА - максимальное значение тяги одного колеса.

Для теплохода «Сура» (а ~ 15°) величина суммарного вектора тяги будет изменяться в пределах 0 < | Р | < 1,93 | РктаА-

Аналогичным образом получаются уравнения для всех возможных направлений вращения колес. Так при вращении гребных колес назад:

15

у = п + а - агсБш

•$ш(2'сс)

у = я - а + агс81П

К,!

■ 3111(2 ■ а)

(12)

Поскольку эффективность колес при вращении назад падает примерно на 10%, величина суммарного вектора тяги будет меняться в пределах:

(13)

0 < | Р | < 0,9-1 Р1:тзх | Л/2-(1 + 005(2.0)). При вращении левого колеса вперед, правого назад:

у = а + агсвт

• Бт(2 • а)

у = 7Т-а-агсз1П

\Р\

•эт(2-а)

При вращении левого колеса назад, правого вперед:

у = л + а + агсБт

■зт(2-ос)

К1

\Р\

■ зт(2 ■ а)

(14)

(15)

у = -а + агсзт

Таким образом, направление вектора тяги при противоположном вращении колес меняется в пределах а < у < я - а и тс + а < у < -а, а его величина в пределах 0 <| Р \ < |

На рисунке 5 показаны области изменения величины угла вектора тяги у в зависимости от направления вращения колес.

л+а.

Рисунок 5. Области изменения величины угла вектора тяги в зависимости от направления вращения колес

Полученные выражения для величины вектора тяги и его направления позволили разработать методику контроля вектора тяги или упора для судов с КДРК. Эта методика была использована при разработке системы контроля и отображения параметров движительного комплекса для судна «Сура». Была создана система контроля и отображения параметров движительного комплекса

(СКО ДК), представляющая собой аппаратно-программный комплекс для контроля и отображения необходимых судоводителю параметров:

- направления вектора тяги движительного комплекса;

- частот вращения гребных колес;

-токов, потребляемых электродвигателями гребных колес*;

- напряжений на электродвигателях гребных колес*;

- мощностей, потребляемых приводами гребных колес*;

- положения гребных колес.

Параметры отмеченные * отображаются на панели в режиме «Полный». Вид панели оператора и размещение панельного компьютера системы

СКО ДК на пульте судоводителя показаны на рис. 6 и рис. 7.

Рисунок 6. Сокращенный Рисунок 7. Размещение панельного компьютера режим панели оператора системы СКО ДК на пульте судоводителя

СКО ДК была смонтирована на теплоходе «Сура» и введена в опытную эксплуатацию в навигацию 2011 года. Опытная эксплуатация СКО ДК показала правомерность выбранных конструктивных и схемных решений, а также эффективность функционирования системы. Требуемые показатели достигаются за счет:

- представления в реальном масштабе времени оперативной информации о состоянии движительного комплекса;

- возможности получения, за счет использования технических средств контроля, дополнительной информации о состоянии движительного комплекса, позволяющей снизить вероятность ошибок вахтенного персонала;

- использования в СКО ДК современных, апробированных, стандартных технических аппаратных средств и первичных датчиков;

— использования распределенной структуры системы контроля допускающее ее наращивание и модернизацию.

Для оценки качества управления судном при использовании алгоритма «виртуальный руль» был создан макет системы управления и проведены натурные испытания. В состав макета системы входят задающие устройства (джойстик с двумя независимыми задатчиками управляющих воздействий - частоты вращения гребных колес и величины перекладки виртуального руля), ноутбук, преобразователь интерфейса 118232/118485, устройство удаленного ввода-вывода (цифро-аначоговый преобразователь) и преобразователи частоты, штат-но установленные на судне. Структурная схема макета системы приведена на рис. 8. Параметры движения отражаются на экране ноутбука в виде мнемосхемы, изображенной на рис. 9.

В процессе испытаний были получены высокие качественные показатели процесса управления. Судоводитель легко удерживал судно на заданном курсе при наличии возмущающих факторов - ветра и течения.

По результатам испытаний макета принято решение о реализации алгоритма «виртуальный руль» в составе комплексной системы контроля и управления судовым оборудованием на втором, строящемся в настоящее время, судне проекта ПКС-40.

Рисунок 8. Структура системы управления

Рисунок 9. Панель управления

На первом теплоходе проекта ПКС-40 в основном использованы традиционные подходы при создании систем дистанционного контроля и управления (СДКУ) судовыми механизмами, обладающие рядом недостатков. Поскольку судовые приборы и системы распределены по всему судну приходится исполь-

18

зовать многочисленные соединительные линии. Эти линии уменьшают полезный объем, требуют контроля исправности, создают лишний вес.

Существенно повысить качественные характеристики СДКУ позволяет использование в качестве элементной базы современной микропроцессорной техники и передача данных по цифровым линиям связи. На новом судне проекта ПКС-40 устанавливается компьютеризованная система контроля и дистанционного управления.

Система включает в свой состав:

- 2 равнозначных промышленных панельных компьютера (ПК);

- контроллеры рубки (КНТ Р), носового (КНТ НО) и машинного (КНТ МО) отделения. Пример реализации КНТ Р показан на рис. 10;

-местные пульты управления. Пример реализации показан на рис 11;

- набор датчиков и исполнительных устройств.

Передача данных между контроллерами и ПК осуществляется по сети Ethernet. Для повышения отказоустойчивости применена кольцевая структура передачи данных Моха Turbo Ring с разнесением кабелей по разным трассам.

ШШ..... Г f jtîjB

ii î : :

I

te У

S

Рисунок 10. Внешний вид КНТ Р Рисунок 11. Пример выполнения 1 - контроллер; 2 - модули ввода/вывода; местного пульта управления

3 - индустриальный ЕЛегпе! коммутатор;

4 - автоматический выключатель;

5 - клеммник.

ПК в рубке идентичны по аппаратуре и программному обеспечению и полностью дублируют друг друга. В нормальном режиме на одном из них отображается информация для судоводителя (направление вектора тяги, параметры движительного комплекса), на другом - технологическая информация о состоянии устройств и механизмов судна в виде мнемосхем.

Сенсорные, экраны компьютеров позволяют легко менять мнемосхемы и осуществлять управление судовыми устройствами. Судоводитель, по своему усмотрению, может вызвать на экран ПК любое сочетание мнемосхем, отображающих состояние различных систем судна: рулевой (рис. 12а), осушительной (рис. 126), электроснабжения (рис. 12в), энергетической (рис. 12г), топливной

(рис. 12д), водоснабжения (рис. 12е) и др.

Д е

Рисунок 12. Примеры мнемосхем интерфейса судоводителя

Реализация указанного интерфейса обеспечивает эффективное восприятие информации человеком. Внимание судоводителя привлекается в первую очередь, к наиболее важным событиям, таким как неисправности оборудования, выход за допустимые пределы контролируемых параметров и т.д.

Основные результаты диссертационной работы

1. Впервые разработана математическая модель судна с колесным дви-жительно-рулевым комплексом (КДРК). Исследованы динамические характеристики судна с КДРК в различных эксплуатационных режимах.

2. Синтезирован новый алгоритм управления движением «виртуальный руль» для судна с колесным движительно-рулевым комплексом с высокими качественными показателями. Исследованы динамические характеристики судна с КДРК при реализации данного алгоритма управления.

3. Синтезирован новый алгоритм управления движением по заданной траектории судна с колесным движительно-рулевым комплексом. Исследованы динамические характеристики судна с КДРК при реализации данного алгоритма управления.

4. Произведено обоснование параметров алгоритма движения по заданной траектории», выполнена оценка диапазонов изменения коэффициентов дополнительной функции, произведен большой объем математических экспериментов, которые позволили выбрать значения этих коэффициентов, обеспечивающих высокое качество управления судном.

5. Обоснована необходимость введения в алгоритм управления движением судна с КДРК по заданной траектории времени ожидания реакции системы корпус-движитель. Проведено исследование влияния времени ожидания реакции системы на качественные показатели процесса управления.

6. Проведено теоретическое обоснование способа контроля вектора тяги. Впервые получены выражения для расчета его величины и направления.

7. Для теплохода с КДРК «Сура» создана новая система контроля и отображения параметров движительного комплекса (СКО ДК), представляющая собой аппаратно-программный комплекс. Система смонтирована на теплоходе

«Сура» и введена в опытную эксплуатацию в навигацию 2011 года.

21

8. Создан макет системы, управления, реализующий алгоритм управления движением колесного судна «виртуальный руль», и проведены натурные испытания на судне «Сура».

9. Для вновь строящегося судна проекта ПКС-40 разработана комплексная компьютерная система контроля и управления судовым оборудованием, реализующая, в том числе, и алгоритм управления движением колесного судна «виртуальный руль». Проведен синтез структурных и схемотехнических решений системы и ее отдельных узлов.

10. Определены принципы построения интерфейса судоводителя, на основании которых создан человеко-машинный интерфейс с соблюдением требований основных стандартов и требований Правил РРР, что позволяет сократить время адаптации судоводителя к использованию системы, меньше отвлекать судоводителя от его основной деятельности.

Публикации по теме диссертации

Основные положения диссертационной работы достаточно полно изложены в следующих публикациях:

статьи, опубликованные в журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Мерзляков В.И. Математическая модель комплекса корпус — движитель судна с колесными гребными движителями // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. -2012. - № 1 (февраль). - С. 56-61.

2. Грошева Л.С., Мерзляков В.И., Перевезенцев C.B., Плющаев В.И. Контроль вектора тяги колесного движительного комплекса теплохода // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2011. - № 3. - С. 10-15.

3. Грошева Л.С., Мерзляков В.И., Плющаев В.И. Синтез алгоритма управления движением судна с колесным движительно-рулевым комплексом // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2012. -№ 2. - С. 34-39.

4. Трошева JI.C., Мерзляков В.И., Перевезенцев C.B., Плющаев В.И. Разработка алгоритма управления движением колесного судна с использованием виртуального руля // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2013. - № 1. - С. 17-22.

Прочие публикации:

5. Трошева JI.C., Мерзляков В.И. Оптимизация времени ожидания реакции системы корпус-движитель для судна с колесным движительно-рулевым комплексом // Труды 14-го международного научно-промышленного форума «Великие реки - 2012». Том 1. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ». -2012. - с. 123-125.

6. Трошева Л.С., Мерзляков В.И., Сидоров A.C. Разработка структуры системы управления движением судна с КДРК по курсу // Труды 14-го международного научно-промышленного форума «Великие реки - 2012». Том 1. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012.-е. 126-129.

7. Мерзляков В.И. Система контроля и отображения параметров движи-тельно-рулевого комплекса судна «Сура» // 13-й научно промышленный форум «Великие реки 2011». Труды конгресса. Том 1. Н.Новгород: Изд.: ННГАСУ. -2011.-С. 337-339.

Формат 60x84 '/20. Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 228.

Издательско-полиграфический комплекс ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а

Федеральное агентство морского и речного транспорта Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

(ФБОУ ВПО «ВГАВТ»)

04201453134

На правах рукописи

Мерзляков Владимир Иванович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВ С КОЛЕСНЫМ ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВЫМ КОМПЛЕКСОМ

Специальность 05Л3.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (кораблестроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.И. Плющаев

Нижний Новгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. Состояние и проблемы управления технологическими процессами на судах 11

1.1 Новое поколение судов с КДРК 11

1.2 Повышение эффективности эксплуатации судов за счет внедрения информационных технологий 18

1.3 Современная аппаратная база систем управления и контроля техническими средствами судна 22

1.4 Управление движением судна. Проблемы и решения 27

1.5 Выводы по главе 1 34

ГЛАВА 2. Математическая модель судна с колесным движительно-рулевым комплексом и синтез алгоритмов управления его движением. 36

2.1 Математическая модель судна с колесными гребными движителями 36

2.2 Динамические характеристики судна с КДРК при ручном управлении 46 2.3. Разработка алгоритма управления движением колесного

судна «виртуальный руль» 49

2.4 Синтез алгоритма управления движением судна с КДРК по заданной траектории. 56

2.5 Выводы по главе 2 63

ГЛАВА 3. Обоснование параметров алгоритма движения по заданной траектории и исследование их влияния на качество управления 64

3.1 Обоснование параметров алгоритма управления движением колесного судна 64

3.2 Оптимизация времени ожидания реакции системы корпус-движитель для судна с КДРК 75

3.3 Выводы по главе 3 79

ГЛАВА 4. Разработка систем контроля и управления для судов с колесным движительно-рулевым комплексом 80

4.1 Теоретические обоснования создания средств контроля и управления параметрами движения судна с КДРК 80

4.2 Разработка системы контроля для судна «Сура» 90

4.3 Разработка макета системы управления движением судна с

КДРК с использованием алгоритма «виртуальный руль» 101

4.4 Система контроля и управления речным пассажирским

судном с КДРК 104

4.5 Принцип построения интерфейса судоводителя системы контроля и управления речным пассажирским судном 113

4.6 Выводы по главе 4 121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ЛИТЕРАТУРЫ 124

ПРИЛОЖЕНИЯ 139

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе научно-технического прогресса совершенствование всех видов человеческой деятельности связано с бурным развитием информационной техники и технологий, а так же с их применением для выполнения, как отдельных производственных операций, так и управления производственными процессами в целом. Поэтому информатизацию и компьютеризацию современных судов следует рассматривать, как стратегическое направление научно-технического прогресса, на котором должна и будет решаться проблема по обеспечению безопасности судовождения.

Решение большого числа разноплановых задач в рамках этой концепции на объектах водного транспорта сталкивается с рядом проблем.

Сегодня в эксплуатации находится большое количество пассажирских судов разных типов, срок эксплуатации которых составляет более 25 лет. Эти суда были спроектированы и построены на иностранных верфях (в Германии, Словакии, Венгрии, Австрии), многие — в 50-60-е годы прошлого столетия. Их оборудование модернизируется и заменяется по мере износа. Но ремонт оборудования все чаще наталкивается на серьезные трудности в связи с отсутствием запасных частей, а модернизация, в том числе и средств контроля и управления, затруднительна из-за того, что механизмы и агрегаты, установленные при постройке этих судов невозможно включить в современные системы автоматизации.

Безусловно, кардинальным способом обновления парка флота является строительство новых судов и вывод из эксплуатации физически и морально устаревших. Здесь уже на этапе проектирования можно заложить любые требования и к оборудованию и классу автоматизации нового судна. Тем не менее, несмотря на государственную поддержку судостроения, строительство новых судов ведется в основном для морских перевозок, а судостроение для внутрен-

них водных путей на ближайшие 5-10 лет представляется весьма проблематичным. В «Транспортной стратегии» в период с 2010 по 2015 годы предполагалось к постройке 5 пассажирских судов, а до 2030 года - от 222 до 290 единиц. Фактически же до настоящего времени в России было построено всего два новых судна такого типа — трехпалубное класса «М» проекта РУ08 «Александр Грин» на 112 пассажиров и мелкосидящее класса «Р» проекта ПКС-40 «Сура» на 40 пассажиров [122]. Второе судно проекта ПКС-40 находится в стадии постройки. Такое положение дел приводит к тому, что многие производители электротехники и электронной техники не рассматривают судостроение для внутренних водных путей в качестве надежного потребителя и не получают одобрение Российского Речного Регистра на свою продукцию.

При всем при том, несмотря на высокую затратность строительства новых судов, судовладельцы в настоящее время все чаще осознают необходимость оснащения их современной комплексной системой управления техническими средствами. Это в значительной степени будет определять качество, эффективность и безопасность эксплуатации судна. В настоящее время накоплен значительный опыт внедрения таких систем для различных типов судов. Этому вопросу посвящено большое количество работ. Однако в большинстве этих работ рассматриваются или морские суда или суда серийных проектов с классическими пропульсивными установками и рулевыми системами, а современное судостроение характеризуется активным использованием последних достижений науки и широким внедрением инновационных технологий, например, применение нового колесного движительно-рулевого комплекса (КДРК) в проекте ПКС-40 [126].

Актуальность темы определяется тем, что на современном этапе вновь возрождается интерес к судам с колесными движителями. К тому же современное колесное судно существенно отличается от своих предшественников использованием новых научных идей, современных технологий, степенью авто-

матизации. Так на судах проекта ПКС-40 применен новый колесный движи-тельно-рулевой комплекс. Особенностью применения КДРК является отсутствие традиционного органа управления (руля или поворотных насадок), а изменение величины и направления вектора тяги осуществляется путём изменения соотношения числа оборотов и направления вращения гребных колёс, имеющих независимый привод. Поскольку, в данном случае гребные колеса обеспечивают и движение, и управление судном, получается совершенно новый тип движительно-рулевой установки, конструкция которой признана изобретением (Российский патент № 2225327 от 30.11.2001). Анализ области применения КДРК позволил осуществить несколько новых проектных проработок. Среди них паромы, пассажирские и прогулочные суда и даже колесные ледоколы.

Опытная эксплуатация судов с КДРК выявила и ряд новых проблем, присущих только этим судам. Малая осадка, большая парусность, отсутствие традиционного руля, использование двух независимых приводов гребных колес не позволяют судоводителю добиться высоких качественных показателей процесса управления и обеспечения безопасности судовождения. Поэтому задача создания для судов с КДРК математических моделей, алгоритмов управления, изучение динамики, разработка и создание качественно новых, интегрированных систем управления, реализующих интеллектуальные алгоритмы управления КДРК и техническими средствами судна, является весьма актуальной. Таким образом, особо значимыми проблемами являются:

1. Создание новых математических моделей для судов с КДРК.

2. Математическое моделирование динамических характеристик судна с КДРК.

3. Разработка эффективных алгоритмов управления для судов с КДРК, базирующихся на динамических свойствах реальных объектов.

4. Синтез эффективных структур и программ систем управления техническими средствами судна.

Работа базируется на выполнявшимися автором в период с 1996 г. по настоящее время разработками и внедрением систем контроля и управления техническими средствами судов [45-51,71,83,84].

Цель диссертационной работы заключается в повышении надежности и безопасности эксплуатации судов с КДРК за счет разработки эффективных алгоритмов управления движением судна и интегрированной информационно-управляющей системы, обеспечивающей управление техническими средствами судна и реализацию указанных алгоритмов.

Достижение намеченной цели требует решения следующих задач:

- разработать математическую модель судна с КДРК;

- провести компьютерное моделирование в среде МАТЬАВ для всестороннего изучения динамических характеристик судна с КДРК;

- синтезировать алгоритмы управления движением судна с КДРК с высокими качественными показателями;

- для оценки качества управления судном при использовании алгоритма «виртуальный руль» создать макет системы управления и провести натурные испытания;

- провести теоретическое обоснование способа контроля вектора тяги и получить выражения для расчета его величины и направления;

- разработать программные, структурные и схемотехнические решения интегрированной информационно-управляющей системы судна и ее отдельных узлов;

- решить ряд практических задач по созданию и внедрению интегрированной информационно-управляющей системы судна.

Основными методами исследований, использованными в работе, являлись методы математического моделирования, теории управляемости судна, теории автоматического управления, методы оптимизации систем.

При проведении исследований автор базировался на материалах публика-

ций А.М .Басина, В.М. Лаврентьева, Н.Я. Мальцева, К.К. Федяевского, С.Я. Березина, Б.А.Тетюева, Л.М. Клячко, Г.Э. Острецова, Ю.А. Лукомского, B.C. Чугунова и др, а также на работах ученых Нижегородских вузов и организаций Ваганова А.Б., Гурова П.В., Костюнина A.C., в том числе и сотрудников ВГАТа: Гурылева М.В., Клементьева А.Н., Манина В.М., Преображенского A.B., Сатаева В.В., Соловьева A.B., Фейгина М.И., Чирковой М.М., Чернышова A.B.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующих, выносимых на защиту результатах:

- впервые разработана математическая модель судна с КДРК;

- исследованы динамические характеристики судна с КДРК в различных эксплуатационных режимах;

- синтезирован новый алгоритм управления движением судна с КДРК «виртуальный руль». Исследованы динамические характеристики судна при реализации данного алгоритма управления;

- синтезирован новый алгоритм управления движением судна с КДРК по заданной траектории. Исследованы динамические характеристики судна при реализации данного алгоритма управления;

- произведено обоснование параметров алгоритма движения по заданной траектории», выполнена оценка диапазонов изменения коэффициентов дополнительной функции, произведен большой объем математических экспериментов, которые позволили выбрать значения этих коэффициентов, обеспечивающих высокое качество управления судном;

- обоснована необходимость введения в алгоритм управления движением судна с КДРК по заданной траектории времени ожидания реакции системы корпус-движитель. Проведено исследование влияния времени ожидания реакции системы на качественные показатели процесса управления;

- проведено теоретическое обоснование способа контроля вектора тяги. Впервые получены выражения для расчета его величины и направления.

Практическая ценность заключается в том, что результаты проведённой работы могут быть использованы при разработке современных интегрированных информационно-управляющих систем судов с КДРК, реализующих эффективные алгоритмы управления судном и обеспечивающих контроль и дистанционное управление судовыми техническими средствами.

Реализация результатов Материал диссертации представляет собой теоретическое обобщение подходов к решению практических задач создания средств контроля и управления техническими средствами судна, внедренных на двух новых пассажирских судах проекта ПКС-40.

Созданы и внедрены:

1. Система контроля и отображения параметров движительного комплекса (СКО ДК). Смонтирована на теплоходе «Сура» и введена в опытную эксплуатацию в навигацию 2011 года.

2. Комплексная система контроля и управления судовым оборудованием, реализующая разработанный алгоритм управления «виртуальный руль». Монтируется на втором, строящемся в настоящее время, судне проекта ПКС-40.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на семинарах кафедры, на технических совещаниях с представителями владельца судов и специалистами ВерхнеВолжского филиала Российского Речного Регистра, на научно-технических конференциях:

13-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2011» (Нижний Новгород, май 2011 г.);

14- м международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2012» (Нижний Новгород, май 2012 г.). Доклад отмечен дипломом 1-й степени за лучший научный доклад.

15-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2013» (Нижний Новгород, май 2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 7 публикациях [47-51,83,84], в том числе 4 опубликованы в журналах рекомендованных ВАК. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 138 стр., включая 75 стр. основного текста, 48 рисунков, 15 стр. библиографии, содержащей 140 наименований и _4_ стр. приложений, включающих акты опытной эксплуатации

ГЛАВА 1. Состояние и проблемы управления технологическими процессами на судах

1.1 Новое поколение судов с колесным движительно-рулевым комплексом

В настоящее время в Нижнем Новгороде построено и эксплуатируется судно проекта ПКС-40 «Сура» с новым движительно-рулевым комплексом с применением гребных колес (колесным ДРК или КДРК). Еще одно судно этого проекта готовится к сдаче в эксплуатацию.

Технические решения с применением гребных колес в движительных установках известны давно. Гидродинамические преимущества гребных колес объясняются теорией и доказаны практикой их применения. Чем больше гидравлическое сечение движителя и чем меньше приращение скорости в нем, тем меньше потери и тем выше его эффективность. При возрастании сопротивления движению и падении скорости гребное колесо способно удвоить тягу, чего не может обеспечить ни винт, ни водомет. Малое приращение скорости воды в колесном движителе обеспечивает не только щадящее, но и полезное воздействие на акваторию, перемешивая воду и активизируя в ней восстановительные биохимические процессы [126].

КДРК представляет собой два кормовых колеса с жестко установленными плицами винтовой формы по Российскому патенту № 2225327 от ЗОЛ 1.2001 г.

Плица имеет аксиально-винтовую форму с оптимальным углом входа кромки в воду у наружного обода колеса и оптимальным углом выхода кромки плицы из воды у внутреннего обода колеса (для расчетной скорости хода судна). КДРК содержит устройство для регулирования заглубления гребных колес, выполненное в виде рамы, шарнирно закрепленной на транце судна с приводом

ее подъема-опускания. Форма гребных колес выполнена в виде усеченных конусов с наружным ободом меньшего диаметра, чем обод внутренний (ближний к ДП судна) [94].

Гребные колеса вращаются специальными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Мощность каждого двигателя 55кВт, номинальные обороты: 1475об/мин. Двигатели имеют встроенный электромагнитный тормоз на напряжение питания 24 В, усиленную изоляцию обмоток, встроенные термодатчики.

Система управления электроприводами гребных колес выполнена с использованием преобразователей частоты (ПЧ) фирмы Schneider Electric типа Altivar 71.

Использование КДРК позволяет уменьшить осадку судна, оптимизировать его размеры, повысить маневренные качества, обеспечить возможность работы без причальных сооружений и при этом снизить удельные показатели мощности энергетической установки.

У судна отсутствует традиционный орган управления (руль, поворотные насадки), а изменение величины и направления вектора тяги осуществляется путём изменения соотношения числа оборотов и направления вращения гребных колёс, имеющих независимый привод.

Схема управления судном с помощью КДРК при постоянной мощности, подводимой к гребным колесам, показана на рис. 1.1.

Шевронные плицы гребных колес создают упор, а следовательно, и вектор тяги, направленный под углом а к диаметральной плоскости судна (для с�