автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация характеристик управляемости водоизмещающих судов

На правах рукописи

Гаврилова Татьяна Ивановна

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УПРАВЛЯЕМОСТИ ВОДОИЗМЕЩАЮЩИХ СУДОВ

Специальность 05.13.06- Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (кораблестроение) по техническим наукам

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена на кафедре Информатики, систем управления н телекоммуникаций Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Чиркова Маргарита Макаровна

Официальные оппоненты; доктор технических наук, профессор

Ваганов Александр Борисович

кандидат технических наук Сатаев Валерий Вячеславович

Ведущая организация: открытое акционерное общество конструкторское бюро «Вымпел»

Защита состоится « 28 » декабря 2006 г, в у 7 часов в ауд. ЛеП на заседании диссертационного совета Д 223.001.02 в Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а,

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

Автореферат разослан « ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доце;

.г Кеслер

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современный уровень развития вычислительных средств таков, что позволяет программным путем решать многие по-блемы, возникающие при автоматическом управлении движением объекта, в частности, речного водаизмещающего судна, по заданной траектории. Особенности объекта этого типа таковы, что авторулевой с классическим непрерывным - алгоритмом управления — пропорционально-интегрально-дифференциальным — обеспечивает удовлетворительные показатели качества,только при определенных внешних условиях — на тихой и глубокой воде. При г ухудшении условий плавания качество управления, как автоматического, так и ручного, понижается: увеличивается амплитуда рыскания судна около заданного направления, возрастают количество и амплитуда перекладок руля. Ухудшение показателей управления связано с тем, что водоизмещающее судно как объект управления обладает особенностями, некоторые из которых отражены в диаграмме управляемости —статической характеристике по управлению *о(а) (глава 1, рис. 1). Конструкция речных судов такова, что диаграмма управляемости имеет нелинейный «S-образный» вид и меняет топологию при изменении внешних условий. Это ведет к тому, что реакция на прежние управляющие сигналы меняется. Качество управления ухудшается и, как следствие, понижаются экономические показатели и безопасность движения.

Один из способов решения проблемы - разработка интеллектуальных цифровых алгоритмов, которые учитывают особенности поведения объекта в различных условиях плавания. Но такие алгоритмы не являются универсальными, так как разрабатываются, для конкретного объекта и выбранных для него органов управления.

' Возможен другой подход к решению проблемы улучшения управляемости судов — проектировать суда с улучшенной статической характеристикой, то есть уменьшенной зоной нелинейности («S-образной» частью), где реакция объекта неоднозначна, и увеличенной крутизной характеристики на малых управлениях, что повысит поворотливость судна в диапазоне обычных рабочих перекладок руля (глава 1, рис. 1,а, Л).

Вопросам оценки управляемости, конструкции корпуса и движитель-но-рулевого комплекса посвящено достаточное количество работ, авторами которых являются: А.Ш. Афремов, A.M. Басин, Я.И. Войткунский, Ä'Д. Тофман, В.М. Корчанов, Ю.М. Мастушкин, А.И. Немзер, В.Г. Павленко, А.Е. Пелевин, Р.Я. Першиц, A.A. РусецкиЙ, Г.В. Соболев, К.В. Фе-дяевский, Г.Э. Шлейер (Острецов) и др. Следует отметить также работы авторов Нижегородских вузов и организаций: А.Б. Ваганова, A.B. Васильева, В.А. Дементьева, A.B. Преображенского, Е.П. Роннова, Л.М. Рыжова, В.В. Сатаева, Н.Ф. Соларева, A.B. Соловьева,

М.И. Фейгина, A.B. Чернышова, М.М. Чирковой; М. Г. Шмакова, В.М. Шмакова. В большинстве работ рассматриваются вопросы влияния движительно-рулевого комплекса на управляемость или вопросы динамики судов. Анализу связи «главные размерения — управляемость»" уделено меньше внимания. Обоснование выбора главных размерений при заданном водоизмещении судна проводят из условия обеспечений мореходных качеств: уменьшения сопротивления воды и повышения скорости движения, обеспечения остойчивости и т.д..В 2004 г. Российский Речной Регистр включил в Правила нормы, предъявляемые к маневренности (управляемости) судов - поворотливости и устойчивости на курсе, накладывая 01^аничеция на максимальный и минимальный диаметры циркуляции. "

Таким образом, возникает задача оценить. возможность улучшения управляемости судна за счет обоснованного выбора его главных размерений.

Цель и задачи диссертационной работы.; Целью работы является разработка методов оценки влияния конструктивных параметров (факторов) судна: ширины В, осадки Т, коэффициента полноты водоизмещения 5 при заданной длине L — на его управляемость.- ■ -

. . Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:.

— введены и обоснованы дополнительные частные критерии для оценки управляемости, судна;.

— ввиду невозможности достижения максимума одновременно по всем критериям определены области допустимого изменения этих критериев;

— разработана математическая модель, связывающая частные критерии с факторами Bf-Т S; ■ "

— сформулирована и решена многокритериальная задача улучшения показателей управляемости судна;

— разработана методика поиска квазиоитимальных значений факторов, обеспечивающих нахождение величины критериев в заданной области.

Объектом исследования являются речные водоизмещаюйше суда.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, численные методы, методы математической статистики. Расчеты проводились на ПК, использовались как стандартные пакеты программ, так и программы собственной разработки.

Научна» новнзна работы состоит в следующих, выносимых на защиту результатах:

■ 1. Введены и обоснованы частные и обобщенные статические и динамические показатели управляемости судна.

2, Построены математические модели, связывающие . показатели управляемости с главными размерениями судна.

3, Определена область безопасного допустимого варьирования главных размерений судна, внутри которой показатели управляемости удовлетворяют наложенным на них требованиям.

Обоснованность и достоверность результатов.

тт При введении дополнитсяьных показателей управляемости использованы данные натурных испытаний ряда речных водоизмещагощих судов.

- Расчеты для построения полиномиальных моделей «показатель управляемости - конструктивные параметры» проведены с использованием общепризнанной в теории корабля модели водоизмещающего судна.

Практическая ценность. Разработан метод выбора главных размере-ний судна, позволяющий улучшить его маневренные качества, что повысит безопасность судоходства и расширит диапазон состояний внешней среды, допускающих управление судном авторулевым.

Реализация н внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Волжской государственной академии водного транспорта.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

— научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ «Транспорт-XXI век» (г. Нижний Новгород, 2003 г.);

— научно-практической конференции ВГАВТ «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья» (г. Нижний Новгород, 2003 г.);

— XXX Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (г. Санкт-Петербург, 2003 г.);

VI Международном конгрессе по математическому моделированию, ННГУ им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород, 2004 г.);

— XXXI Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (г. Ддлер, 2004 г.);

— IV Международной конференции SICPRO'05 «Идентификация систем и задачи управления», ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (Москва, 2005 г.);

— научно: методической конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 75-летию ВГАВТ (г. Нижний Новгород, 2005 г.);

— Международном научно-промышленном форуме «Великие реки -2О0<5>> (г. Нижний Новгород, 2006 г.);

— ХХХ1И Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (г. Анапа, 2006 г.);

- Всероссийской научно-технической конференции ((Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве», посвященной памяти P.E. Алексеева и И.И. Африканто-ва, НГТУ (г. Нижний Новгород, 2006 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 печатных работах. 1 "

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 4 приложений; содержит 112 страниц текста, 53 рисунка и список литературы из 92 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении выполняется общий анализ проблемы, обосновывается аюуальность исследований, формулируется цель работы^ раскрывается научная и практическая значимость полученных результатов^ Проводится краткий обзор научной литературы по темам, связанным с проблематикой диссертации. Дается аннотированный обзор содержания по главам.

В первой главе содержится анализ управляемости речных водоизме-щагоших судов, то есть соответствия их требованиям Российского Речного Регистра и вводятся дополнительные показатели, оценивающее статические и динамические особенности судна. .!■:

Управляемость любого подвижного объекта, в том числе и судна, определяется поворотливостью и устойчивостью направления его движения. Поворотливость считается удовлетворяющей требованиям Речного Регистра, если наименьший относительный диаметр установившейся циркуляции (£>,( /¿)min, полученный при максимально допустимой перекладке

руля сстзх, отвечает условию

(А, /Ды,.^, (1)

где L -длина судна по конструктивной ватерлинии.

Вопрос оценки устойчивости на курсе осложняется тем, что водоиз-мещающие речные суда теоретически неустойчивы на заданном'направлении, то есть при непереложенных рулях выходят на самопроизвольную циркуляцию с угловой скоростью щ (диаметром D0 ). Устойчивость на курсе признается соответствующей Правилам Российского Речного Регистра, если относительный диаметр установившейся самопроизвольной циркуляции удовлетворяет условию

<Z>o/¿)тзх " ' (2)

■ г■.- удобства проведения исследований линейные показатели управляемости переведены в угловые с помощью соотношений: -■2

О/С'

_ 57,3 V т = а>- —

. . (3)

а> Ь

где ф и т —безразмерная и размерная (®/с) угловые скорости, соответственно, V-скорость хода судна (м/с).

Таким образом, условие (1) для обеспечения требований Регистра в отношении поворотливости судна принимает вид:

. ^ 57,3V

' ■ ; (4)

, /Требование Регистра (2) для обеспечения устойчивости судна на курсе с учетом (3) переходит в условие:

й>о 511,4™. (5)

Далее в тексте символом «*» отмечены координаты, значения которых рассчитываются, исходя из требований Регистра.

Для судов, неустойчивых на заданном направлении, введено понятие эксплуатационной устойчивости. Судно считается эксплуатационно устойчивым, если для удержания его на заданном направлении требуется не более 7 пёр^кладок руля в минуту.

Выполнение требований Регистра проверялось для ряда речных водою мешающих судов: т/х «Леонид Соболев» (проект 302), т/х «Юрий Долгорукий» (проект 588), т/х «Яков Свердлов» (проект 26-37), танкер «Волгонефть-71» (проект 558) и для гипотетического судна, данные по которому приводятся в справочнике по теории корабля под редакцией Я. И. Войткунского. Координаты й> определялись по диаграмме управляемости б) (а) (рис. I), где оз - угловая скорость поворота судна, а~ угол перекладки руля. *

Рис. 1

Исследования проводились с использованием математической модели, полученной в предположении постоянства скорости поступательного движения судна в условиях глубокой спокойной воды:

Р^-ЯпР-Ъх® + к, (£> = й>, V = о.,

где г3|> 531, д21> г21> ^211 ~ коэффициенты модели, зависящие от конструктивных параметров судна; а — угол перекладки руля; й> , ¡}, <р, V — координаты состояния объекта управления: со ~ угловая скорость поворота, р - угол дрейфа, <р -угол курса, V —скорость поступательного движения. Коэффициенты уравнений для речных судов оценивались по данным осциллограмм натурных испытаний.

Оценка поворотливости судов проводилась по модели (б) при максимально переложенных рулях агта_х= 25 ° н рабочих перекладках ссе =5°. Оценка устойчивости проводилась по показателям процесса выхода на самопроизвольную циркуляцию при а = 0

В таблице 1 приводятся некоторые технические параметры рассматриваемых судов и значения частных показателей управляемости: «»о* яСих- по (4), (5); щ, «V» акр- по диаграммам управляемо-

сти, построенным по модели (б) для рассматриваемых судов.

Таблица 1

Судно Параметры судна Показатели управляемости

к м/с и м в. м Т. м б Щ. 7с О0> м 7с (а=25°) 7с/ Отах, М «V 7с/ Ор, и Окр,

Т/х «Ю.Долгорукий » (проект 588) 6,58 90,0 12,0 2,40 0,570 50,84 0.31/ 2432 гддо 3,19/ 236 1,42/ 531 0,3

Т/х «Л. Соболев» (проект 302) 6,10 124,5 16,0 2,94 0.675 <0,56 0,10/ 6990 £2,80 2,60/ 268.9 699 0,1

Т/х «Я. Свердлов» (проект 26-37) 6,94 90,0 11,7 2,39 0,560 ¿0,88 0,05/ 15906 2:4,42 1,48/ 537 0,53/ 1501 0,1

Танкер «Волгонефть-71» (проеетг 558) 5,40 128,6 16,0 3,60 0,845 £0,48 0,08/ 7735 к2А0 32.4/ 191 1,36/ 455 -0

Гипотетическое 7,00 100,0 17,0 4,60 0,639 £0,80 0,74/ 1084 £4,00 2,10/ 382 1,11/ 722,7 2,5

, < Анализ данных таблицы показал, что все суда удовлетворяют требованиям Регистра на устойчивость с большим запасом и только одно судно удовлетворяет требованию поворотливости. В главе I показано, что суда, : не удовлетворяющие требованию Регистра по поворотливости, могут реагировать, на управляющее воздействие значительно быстрее, чем суда, удовлетворяющие требованию.

Для оценки этого явления предлагается ввести дополнительные показатели управляемости:

С(0 — скорость развития процесса выхода на циркуляцию, равную

т-т&ййШ. (?)

озР - угловую скорость поворота при рабочей. перекладке руля. Первый показатель является динамическим, а второй - статическим. Зна-

чения показателей сведены в таблицу 2."; '

■ ь- . ;.'-..■ ■ ..... . ■ •. „.-' , - -, ■ .. ■ . . -; ... , ■ г ■■ .у .,--■•.. -нТабяица 2

■ Сулно Показатели управляемости при раэличньпс глах перекладки руля

«г = 0» а = ссР =5°

Со (НбОс) Тпп, с .. */е Се, (1=10с) Тпп» С ^ВВХ * •/с С»«* (1-5 с) Тщ, с

Т/х «Ю.Долгорукий» (проект 588) 0,31 0,13 -200 1,42 1,06 -20 3,08 1,65 -10

Т/х «Л. Соболев» (проект 302) 0,10 0,02 -600 1,00 0,53 -30 2,60 0,95 -15

Т/х «Я, Свердлов» (проект 26-37)' 0,05 0,03 -160 0,33 0,50 -15 1,48 1,23

Танкер \ « Волгонефть-71» (проект 558) ■■ ■ 0,08 0,02 -900 1,36 0,22 -60 3,24 0,34 -40

Гипотетическое 0,74 0,10 -480 1,11 0,60 -180 2,10 1,П -100

Из данных'таблицы 2 видно, что среди рассматриваемых судов, не удовлетворяющих условию поворотливости, для которых й^ « «>* и, есть суда, которые быстро наращивают <»(/), то есть имеют достаточно большую скорость С^ (0| (ж5с (т/х «Я. Свердлов»), И есть суда; которые имеют большие значения но процесс развития. а>(/) происходит

"медленно, Сти(()|(=5г мало (танкер «Волгонефть-71»), .

В первой главе проанализировано также влияние внешней среды на вид диаграммы управляемости судна. Показано, что статическая характеристика по управляющему воздействию не только «плавает» при изменении внешней среды, но и меняет свой вид, что показывает нестабильность свойств объекта. . '

Изменение характеристик управляемости для рассматриваемых судов отражено на рис. 2.

1; ш / Л i 3^/

0.5 В ( 0,5

ЛЕ 5 | 1 5 аПБ ЛЕ 5 1 '] '5а

а б ■--..'..<■'■

Рис.2 - ;

Известно (работы М.И. Фейгина, М.М. Чирковой), что кроме нестабильности статических свойств неустойчивые на курсе суда обладают так называемым эффектом фазового пятна, проявляющимся во временном ухудшении управляемости при некоторых начальных значениях параметров пространства состояний , ßH и величин управления а*. > акр, когда sgn а>„ = -sgn а *. В области пониженной управляемости (область S на рис. 3) существенно замедляется время перехода объекта, из состояния с е)м >0 в состояние а>к <0 . Однозначная и быстрая реакция судна на управление наблюдается лишь при перекладках, больший значения 3-н4 а^.

Ввиду того, что при изменении внешних условий топология области пониженной управляемости и величина акр меняются непредсказуемым образом, то предлагается акр считать показателем управляемости судна.

Таким образом, к основным показателям (требованиям Речного регистра— й/ и й)^ ) предлагается ввести дополнительные: акр, а>р, C0(t)

и С,(/).

Во второй главе рассматриваются вопросы построения математических моделей, связывающих некоторые геометрические характеристики ! 'корпуса судна с показателями его управляемости.

>, Связь между показателями управляемости У — еоР, акр | и факторами X = {В, Т, при ¿ = сопз( предполагается искать в виде полиномов "; первого и второго порядка:

, _ — ----—2 —2 (о)

, г : >} = Ь,о + ¿/1 + Х2 + Ь,у2х\х2 + + Ьцг Хг ,

В качестве базовых значений факторов £д , В0, Т0 и 50 взяты соответствующие величины гипотетического судна (справочник по теории корабля под редакцией Я.И. Войткунекого): ш 100 м, В0 17м и Т0 = 4,6 м, 6о = 0,639. При построении моделей для получения зависимостей (Ххр = /|(В,Т,6), щ = /2(В,Т,6) и о)р=У${В,Т,б) отклонение факторов В и Т от базовых значений составило ±10%, 6 - ±5%. Разброс значений В, Т, 5 от базовых величин составил:

г. 15,3 м (Л = -1), = 4,14 м (Г = -I) и 5™« = 0,607, .. А™ = 18.7 м (В = +1), Г^ = 5,06 м ( Г = +1) и = 0,671. Последовательность процедур для оценки коэффициентов моделей (8) была следующей: 1) для различных сочетаний факторов В, Т, <5 по номограммам и формулам справочника находились необходимые для дальнейших расчетов величины: <тд - приведенный коэффициент полноты диаметральной плоскости, СЩ — коэффициент демпфирующего момента, — коэффициент позиционного момента, С^ — коэффициент нормаль... ной силы, к66 - коэффициент присоединенного момента инерции,

к1г —коэффициент поперечной присоединенной массы, коэффициент продольной присоединенной массы и другие; 2) по формулам (9) — (16) с использованием полученных данных рассчитывались коэффициенты модели (6); 3) для всех наборов коэффициентов строились диаграммы управляемости, по которым определялись значения показателей в опорных точках; 6) полученные данные использовались для расчетов коэффициентов полиномиальных моделей.

Показано, что для статического режима можно сократить количество величин, от которых не зависят особенности характеристик управляемости, и перейти к новым коэффициентам модели: ?Э1> Он А,.

931 = . (9)

" , '<•: = > .т^лг-'г.:-! ....... .< " <П)

• М^п^п • Яг\ ~ . " " (12)

7 2У -2^ВТ(1 + кц)> 01 = . (13)

521 ' (14)

,А-¿Д.. (15)

где Л,- рЬ—Л, за--—. (16)

2/(1 + *«) : 2У{\ + кг2) К

Ввиду сложности оценки величин для расчета коэффициентов уравнения (6) и понижения достоверности результатов с увеличением строк матрицы плакирования эксперимента, фактор 5 вводился только в модель первого порядка для расчета <Ьй и <аР .

В результате были получены следующие модели:;

а Кр= 2,675—1,9257^—1,125 8+0,575 Т В , / (17)

5>0= 0,828-0,5267-0,161 ¿Г+ 0,25 -0,0173ТВ-0,23Г(Г+ 0,05£ <?; (18)

ар = 1,103 - 0,3\ 3 Т - 0,208 В + ОМ + 0,098 ТВ+ 0,22ПГ+ 0,03В6, (19)

а^=2,65-1;УГ-1,05^-УД5Г3 + 0,1Й2+0^5ГЯ, (20)

¿0 =0,857-0,397^-0,227В-0,11р-0,03В2 + 0,О57У\И, (21)

о>г = 1,257-0.31ЗГ -0.207В -0.125Г2 -ОДЗВ2 + 0,09777? . (22)

- А нал из дисперсий показал, что лучшее приближение дают квадратичные модели. Однако увеличение порядка в данной задаче иецелесообраз-

но, так как возрастает количество величин, определяемых по номограммам, и достоверность полученных результатов падает.

Значения показателен управляемости, рассчитанные по модели (6) и с помощью полиномов (20}-(22) приведены в таблице 3.

Таблица 3

№ п/п т в акр о>0 Щ сор 03р

1 0 0 2,5 2,65 0,76 0,85 1,10 1,25

2 -1 0 5,5 4,4 1,25 1,14 1,60 1,45

3 +1 0 0,6 0,6 0,35 0,35 0,82 0,82

4 0 -1 4,1 3,8 0,96 1,05 1,30 1,40

5 0 +1 1,7 1 1.7 0,60 0,60 1,02 1,02

6 -1 -1 6,3 6,1 1,49 1,398 1,72 1,72

7 +1 -1 1,2 1.2 0,49. 0,49 0,90 0,90

: 8 -1 +1 2,9 2,9 1,21 0,83 1,11 1,П

9 -и +1 ол 0,2 0,15 0,15 0,68 0,679

В третьей главе проводится анализ зависимостей основных показателей управляемости ¿¡^, , а от главных размерений В, Т . Анализ показал: 1) увеличение осадки н ширины судна влечет за собой уменьшение всех показателей, то есть улучшение устойчивости и ухудшение поворотливости; 2) обеспечение тш(щ) и тах(а>Р) при одном наборе значений В и Т невозможно; 3) изменение показателей щ и акт прямо пропорционально; 4) одни и те же значения щ и а1р обеспечиваются различными сочетаниями факторов. Например, щ = 0,8м/с (линия Л - В, рис. 4, а) обеспечивается в области варьирования факторов В е{-];1}, Г е {-0,8; 0,4}. В этом диапазоне факторов показатель ¿>г принимает значения от 1,1 до 1,33 °/с (линия А — В, рис. 4,6).

а)- б)

Рис.4

' «крО

в »-I (153 м)

В »0(1 В =1(1

j IQ.^J.W ^ ^

3.7 4.J ВЯ

j 18.7/5.06

-1(4,14} 0(17) +1 (5,06) Т (I) в)

J.0

Рис. 4 (окончание)

Таким образом, у рассматриваемого гипотетического судна, удовлетворяющего требованиям Регистра по устойчивости (ш<> .= 0;8°/с), можно увеличить показатель поворотливости за счет_смещения В И Г от базовых значений в сторону увеличения осадки Т = +0S3 и уменьшения ширины В =-1.

В главе 3 проводится анализ способов представления результатов7 расчетов. Обнаружилось, что общепринятое в кораблестроении построение показателей Y не от факторов X, а от их соотношений (в данном случае BIT) является менее информативным. Одному и тому же значению отношения В/Т (например, В/7* =3,7, рис. 4, ¿^соответствуют разные значения показателей, хотя общая тенденция подтверждает известное положение, что с ростом значений отношения В ¡Т увеличивается поворотливость судна (а)Р растет).

На рис. 5 показаны два варианта характеристик-управляемости: А — й>(а) при базовых и В — при измененных значениях ширины и осадки, а также качественное влияние коэффициента полноты водоизмещения 5 на управляемость судна

to, "le-

nt

25 а,"

Рис.5

В четвертой главе решается задача выбора главных размерен и й, при которых значения частных или обобщенных показателей управляемости находятся в заданном диапазоне. Рассмотрены возможные пути ее решения.

Первый подход состоял в построении линий равных уровней показателей управляемости й)0, а^ и о>р на плоскости В — Т (рис. б).

,-кр 0,2

/<вр = о,г/с

с

©о = 0,357с

сэР =0,82%

Рис.6

В районе т. О обеспечивается максимальное значение угловой скорости поворота ( й»/,тах ). В районе т. С обеспечивается оптимальное значение показателя устойчивости на курсе (&>0—> тт) и минимальное влияние нелинейности характеристики на управляемость объекта (аЛ7, '-»тт ). ' " '

Ввиду того, что области лучшей устойчивости и лучшей поворотливости не совпадают, возникает задача поиска компромисса между рассматриваемыми показателями.

Второй подход состоял в выборе обобщенного критерия как некоторой комбинации частных и решении задачи поиска максимума этого критерия.

В работе исследовались несколько видов обобщенных критериев, один из них •

а,

кр.

<щ

Обоснованы допустимые области изменения каждого частного критерия: . 0,2е 5 (х^ <. I ■

0,2% < <1%, (24)

. 0,87с < соР <1,3%.

В этом диапазоне изменения частных критериев значение обобщенного критерия (23) лежит в интервале 3,3 £ I £ б. Решение (20) — (23) с учетом (24) дает область допустимых сочетаний В — Т , обеспечивающих значение критерия в указанном интервале (рис. 7).

В найденной области построены линии равного уровня для обобщенного критерия. ,

Результаты анализа управляемости, полученные различными способами (рис. 4, 5, б, 7), не противоречивы.

. В заключение для рассматриваемого гипотетического судна построены статические и динамические характеристики для базовых и оптимизированных Ь, В, Тиз условия улучшения поворотливости (увеличения-о^) при сохранении исходного значения показателя устойчивости на курсе (неизменное <У0). Оценены все частные показатели управляемости для этих случаев.

1. При базовых значениях главных размерений

В - 17 м; Т = 4,6 м; Ь=100м: . -

й>и = 0,74 %; акр = 2,5е; сйР = 1,1 %; 0(60 с) = 0,1 %; СР(10с)= 1,1-%.

2. Для измененных значений главных размерений (см. рис. 4, 6, т. В): В = 15,3; Т = 4,8 м; Ь=100м:

©0 = 0,74%; ог,р = 2,4°; й>Р = 1,3%; (^(60 с) = 0,1 Ср(10 с)= 1,7 %.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

Э приложениях приведены:

- технические характеристики рассматриваемых судов; ; -

- тексты программ, разработанных для решения поставленных задач;

- графики скорости развития процесса выхода на циркуляцию, полученные Для ряда водоизмещающих судов;

- акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс Волжской государственной академии водного транспорта.

На защиту выносятся:

1. Частные и обобщенные статические и динамические показатели управляемости судна. , 1 '

2. Математические модели, связывающие показатели управляемости с главными размерениями судна.

3. Способ определения области безопасного допустимого варьирования главных размерений судна.

' 4. Способы представления зависимостей показателей управляемости от главных размерений.

5. Методика оценки возможности улучшения показателей управляемости проектируемого судна по сравнению с судном-прототипом.

Основные результаты диссертационной работы

1. Показано, что ряд судов, успешно эксплуатируемых на внутренних водных путях, удовлетворяют только одному требованию Регистра - устойчивости, причем.с большим запасом, и практически все рассмотренные суда не удовлетворяют требованиям поворотливости;

2. Для оценки управляемости судна введены и обоснованы дополнительные показатели Со, Ср, акр, по величине которых можно оценить: а) 'наличие и размеры области пониженной управляемости (а*р); б) скорость развития процесса ухода судна на самопроизвольную циркуляцию (Со); в) скорость развития реакции на изменение управляющего воздействия (Ср).

3. Получены математические модели, связывающие показатели управляемости с некоторыми конструктивными параметрами судна, что позволило решать: задачу .повышения управляемости за счет оптимизации рассматриваемых параметров. ;

4. Введены обобщенные показатели управляемости, найдена область допустимых сочетаний размерений судна, обеспечивающих квазиоптимальные значения показателей. Проведен аналнззавнсимости частных и

.. обобщенных показателей управляемости судна от конструктивных факторов. Показана возможность улучшения управляемости за счет незначительного изменения главных размерений судна.

Публикации по теме диссертации

По исследованной проблеме автором опубликовано 12 работ, в которых приведены основные научные результаты диссертации.

1. Гаврилова, Т.И. Влияние параметров модели судна на управляемость / Т.И. Гаврилова, М.М. Чиркова//Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья: сб. матер, научно-практич. конф., Н.Новгород, 2003. — Н. Новгорйд: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2003. - Ч. 1,-С. 100-101.

2. Гаврилова, Т.И. Об анализе влияния внешней среды на местоположение фазовых пятен на диаграмме управляемости судов / Т.И. Гаврилова, М.М. Чиркова И Транспорт-XXI век: сб. матер, научно-тех. конф. проф.-препод. состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ, Н.Новгород, 2003.-Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2003.- С. 41^2.

3. Гаврилова, Т.И. Влияние внешней среды на управляемость объекта / Т.И. Гаврилова, М.М. Чиркова // XXX Всероссийская конференция по управлению движением морских судов и специальных аппаратов: сб. трудов Между ведомств, совета по управлению движением морских судов и специальных аппаратов с докл. и тез. XXX Всерос. конф., СПб., 1—3 июля, 2003.-М.: ИПУ РАН,2003.-С.97-98.

4. Gavrilova, Т.К On solution of contradiction between requirements of stability on the direction and turning qualities of river vessels / T.I. Gavrilova, M.M. Chirkova // VI International congress on mathematical modeling: book of abstracts, N. Novgorod, September 20-26, 2004 y, - N.Novgorod: UNN, 2004. - P. 82.

5. Гаврилова, Т.И. О влиянии некоторых конструктивных параметров водоизмещающего дудна на его управляемость / Т.И. Гаврилова, М.М. Чиркова П XXXI Всероссийская конференция по управлению движением морских судов и специальных аппаратов: сб. трудов Междуведомств, совета по управлению движением морских судов и специальных аппаратов с докл. и тез. XXXI Всерос. конф., Адлер, 21-23 июня, 2004. - М.: ИПУ РАН, 2004.-С. 170-171.

6. Гаврилова, Т.И. О некоторых результатах использования регрессионной модели для решения задачи улучшения управляемости судов / Т.И. Гаврилова // Вестник ВГАВТ. Межвузовская серия: Моделирование и оптимизация сложных систем^ Информационные технологии и развитие образования. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ». - 2004. -Вып. 9.-С. 91-94.

7. Гаврилова, Т.И. К вопросу об улучшении управляемости подвижных объектов / Т.И. Гаврилова, М.М. Чиркова // Идентификация систем и задачи управления: труды IV Междунар. конф. SICPRO'OS, Москва, 25-28 янв., 2005. - М.: ИПУ РАН, 2005. — Доклад 14001. '

S. Гаврнлова, Т.И. О бикритериальной оптимизационной задаче по* вышения маневренности речного водойзмещающего судна / Т.И. Гаврнлова, М.М, Чиркова Н Вестник ВГАВТ, Межвузовская серия: Моделирование и оптимизация сложных систем. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ». - 2005. - Вып. 14. - С. 43-49,

9. Гаврнлова, Т.И. Оптимизационная задача при проектировании судов / Т.И. Гаврнлова, М.М. Чиркова // Научно-метод. конф. проф.-препод. состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ: матер, конф. Юбилейный выпуск, Н.Новгород, 8-9 декабря 2005. — Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2005. - 4.2. - С. 57-58.

10. Гаврнлова, Т.И. Об одном способе решения оптимизационной задачи при проектировании судов / Т.И. Гаврнлова, М.М, Чиркова Н XXXIII Всероссийская конференция по управлению движением морских судов и специальных аппаратов: сб. трудов Между ведомств, совета по управлению движением морских судов и специальных аппаратов с докл. и тез., Анапа, 26-29 июня, 2006. - М,: ИПУ РАН, 2006. - С.48-50.

11. Гаврнлова, Т.И. О критериях управляемости подвижных объектов / Т.И. Гаврнлова, М.М. Чиркова // Вестник ННГУ им. Н.И. Лобачевского. Серия: Математическое моделирование и оптимальное управление. - 2006. - Вып. 3{32). - С. 127-132.

12. Гаврнлова, Т.И. Оценка связи главных размерен«й судна с его управляемостью / Т.И. Гаврнлова, М.М. Чиркова // Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве; сб. матер, Всерос. научно-техн. конф., посвящ, памяти P.E. Алексеева и И.И. Африкантова, Н.Новгород, 23-26 окт., 2006. — Н.Новгород: НГТУ, 2006. - С. 9-14.

Формат бумаги 60x84 '/]& Ризография. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,25. Заказ 535. Тираж 100.

Издательско-полиграфически н комплекс ФГОУ ВПО иВГАВТ»

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ управляемости речных водоизмещающих судов.

§1.1. Анализ статических и динамических характеристик управляемости речных водоизмещающих судов.

§ 1.2. Анализ основных и обоснование дополнительных критериев оценки управляемости.

§1.3. Оценка влияния внешней среды на значения показателей управляемости судов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

Глава 2. Построение математических моделей показателей управляемости судна.

Введение.

§2.1. Расчет коэффициентов математической модели движения судна.

§ 2.2. Построение полиномиальных моделей первого порядка.

§ 2.3. Построение полиномиальных моделей второго порядка.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

Глава 3. Анализ зависимостей основных показателей управляемости от главных размерений.

§3.1. Анализ связи величины угловой скорости самопроизвольной циркуляции судна с его главными размерениями.

§ 3.2. Анализ связи величины угловой скорости циркуляции судна при рабочей перекладке руля с его главными размерениями.

§ 3.3. Анализ связи величины критического угла перекладки руля судна с его главными размерениями.

§ 3.4. Анализ изменения основных показателей управляемости при постоянном значении угловой скорости самопроизвольной циркуляции судна.

§ 3.5. Линии равного уровня показателей управляемости в плоскости главных размерений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

Глава 4. поиск компромиссного решения в многокритериальной задаче улучшения управляемости.

Введение.

§ 4.1. Способ поиска компромисса путем совмещения линий равного уровня.

§ 4.2. Подход к решению многокритериальной задачи поиска компромисса путем введения критериев оптимизации.

§ 4.3. Обоснование ограничений на частные критерии.

§ 4.4. Оценка области допустимых решений по каждому частному критерию.

§ 4.5. Обобщенные критерии. Отыскание оптимального решения в общей области допустимых решений. Линии равных уровней обобщенных критериев.

§ 4.6. Сравнение характеристик управляемости базового и «улучшенного» судна.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Современный уровень развития вычислительных средств таков, что позволяет программным путем решать многие проблемы, возникающие при автоматическом управлении движением объекта, в частности, речного водоизмещающего судна, по заданной траектории. Особенности объекта этого типа таковы, что авторулевой с классическим непрерывным алгоритмом управления - пропорционально-интегрально-дифференциальным - обеспечивает удовлетворительные показатели качества только при определенных внешних условиях - на тихой и глубокой воде. При ухудшении условий плавания качество управления, как автоматического, так и ручного, понижается: увеличивается амплитуда рыскания судна около заданного направления, возрастают количество и амплитуда перекладок руля [79, 84]. Это связано с тем, что водоизмещающее судно как объект управления обладает некоторыми особенностями, которые отражает характеристика управляемости - статическая характеристика по управлению со(а), которую Р.Я. Першиц предложил называть диаграммой управляемости, где ю - угловая скорость поворота, а - угол перекладки руля. Диаграмма управляемости имеет нелинейный «Б - образный» вид и меняет свою топологию при изменении внешних условий: 1) изменяется положение точки симметрии характеристики, т.е. смещаются нулевые значения угловой скорости поворота и управления; 2) возрастает величина критических перекладок руля ±акр, внутри которых реакция судна на изменение управления неоднозначна, т.е., «вытягивается» нелинейная «Б - образная» часть характеристики; 3) с ростом критических углов перекладки руля ±акр увеличивается фазовое пятно - область пониженной реакции на управление [7 9] , что приводит к необходимости при управлении судном использовать значительные перекладки руля. Эти проблемы и являются причиной отключения авторулевых с классическим алгоритмом управления.

Для решения указанных проблем и расширения условий, при которых возможно использование авторулевого, в последние годы стали переходить к разработке интеллектуальных цифровых алгоритмов управления, которые учитывают особенности поведения объекта управления в различных условиях внешней среды и могут обеспечивать определенный экономический эффект в процессе эксплуатации. Но, как правило, такие интеллектуальные алгоритмы не являются универсальными, так как разрабатываются специально для конкретного объекта и выбранных для него органов управления.

Возможен другой подход к решению данной проблемы, который может позволить расширить условия использования авторулевых с непрерывными алгоритмами управления проектировать суда с улучшенной характеристикой управляемости: 1) уменьшенной зоной нелинейности (Б - образной частью), то есть с уменьшенным критическим углом перекладки руля акр; 2) увеличенной в допустимых пределах угловой скоростью самопроизвольного поворота при непереложенных рулях и увеличенной крутизной характеристики и, таким образом, улучшенной поворотливостью при управлениях в диапазоне обычных рабочих перекладок.

Российский Речной Регистр устанавливает требования не на все указанные параметры, то есть, не регламентирует жестко вид диаграммы управляемости. Для безопасности судоходства Регистр требует от проектировщиков судов соблюдения ряда норм, обеспечивающих остойчивость, ходкость, непотопляемость. С 2004 года Регистр включил в Правила нормы, предъявляемые к маневренности судов и, в частности, к поворотливости и устойчивости на курсе. Так, в разделе 15 главы (части) 1 Правил классификации и постройки судов внутреннего плавания содержатся требования, предъявляемые к маневренности водоизмещающих самоходных грузовых судов длиной 40 м и более, а также для водоизмещающих пассажирских, разъездных (для перевозки не более 12 пассажиров) и судов специального назначения длиной 20 м и более. Судно признается отвечающим требованиям в отношении маневренности, если оно удовлетворяет критериям поворотливости, устойчивости на курсе, критерию управляемости при неработающих движителях и некоторым другим.

Под критерием поворотливости по Правилам Российского Речного Регистра понимают наименьший, полученный при максимально допустимой перекладке руля, относительный диаметр установившейся циркуляции {Рц1Ь)т{а (то есть отношение наименьшего возможного диаметра циркуляции Д/тт/ выполняемой судном на глубокой тихой воде при одинаковой до начала маневра и более не регулируемой частоте вращения всех гребных винтов, к длине судна Ь по конструктивной ватерлинии). Поворотливость считается удовлетворяющей требованиям Правил, если наименьший относительный диаметр установившейся циркуляции отвечает условию (Д, /Ь)Ып < 2 .

Наименьший относительный диаметр установившейся циркуляции связан с максимальной безразмерной угловой скоростью поворота судна соотношением

V¿)min= 2/Qmax.

В Руководстве Р.006-2004 Российского Речного Регистра «Расчет маневренности и проведение натурных маневренных испытаний судов внутреннего и смешанного плавания» значение £¡max находится как абсцисса точки пересечения двух кривых: характеристики корпуса Cyk(Q.) и графика безразмерной поперечной силы ДРКС. Характеристика корпуса Cyk(Q) зависит от типа судна: в Руководстве различают грузовые и пассажирские суда, причем для последних учитывается, в каком диапазоне находится величина коэффициента общей полноты корпуса. Также характеристика корпуса зависит от отношений главных размерений BIT, TIL и угла дрейфа. Вид графика безразмерной поперечной силы ДРК зависит от типа движительно-рулевого комплекса («рули за открытыми гребными винтами», или «гребные винты в поворотных насадках» и «гребные винты в поворотных насадках и средний руль», или «рули за гребными винтами в насадках») , угла перекладки рулей, угла натекания воды на ДРК и некоторых других факторов.

Оценка устойчивости судна на курсе является несколько более сложной проблемой, т.к. практически все подвижные объекты, в том числе и водоизмещающие речные суда, при непереложенных рулях выходят на самопроизвольную циркуляцию с большим или меньшим радиусом, т.е. теоретически являются неустойчивыми на заданном направлении. Для таких объектов было введено понятие эксплуатационной устойчивости [33], практический смысл которого заключается в ограничении числа перекладок руля в минуту. По новым Правилам Российского Речного Регистра устойчивость на курсе считается удовлетворительной, если диаметр установившейся самопроизвольной циркуляции (при нулевом угле перекладки руля) £)1(0 составляет 10 длин судна или более. На практике это выражается в том, что судно удерживается на заданном направлении не более чем 5-7 перекладками в минуту, что соответствует понятию эксплуатационной устойчивости.

Относительный диаметр установившейся циркуляции при нулевом угле перекладки рулей связан с безразмерной угловой скоростью соотношением

Вц/Ц0=2/П0, причем в упомянутом выше Руководстве значение предлагается определять, аналогично ^тах, графически.

Как уже было отмечено, требования Регистра не регламентируют вид диаграмм управляемости, в частности, не накладывают ограничения на величину критических управлений, крутизну характеристики и радиусы циркуляции при рабочих перекладках руля (5° - 7°) . Также Регистр не устанавливает, за счет каких конструктивных параметров судна проектировщик будет выполнять требования на устойчивость и поворотливость. Известно, что существует зависимость указанных свойств управляемости от ряда факторов, и задача оценки маневренных качеств судна по его конструктивным характеристикам является весьма сложной задачей [5, 6, 21, 23, 52, 55].

Вопросам оценки управляемости, конструкции корпуса и движительно-рулевого комплекса посвящено достаточное количество работ, авторами которых являются: А.Ш. Афре-мов, A.M. Васин, Я.И. Войткунский, А.Д. Гофман, В.М. Кор-чанов, Ю.М. Мастушкин, А. И. Немзер, В. Г. Павленко, А.Е. Пелевин, Р.Я. Першиц, A.A. Русецкий, Г.В. Соболев, К.В. Федяевский, Г.Э. Шлейер (Острецов) и др. Следует отметить также работы авторов Нижегородских вузов и организаций: A.B. Ваганова, A.B. Васильева, В. А. Дементьева, A.B. Преображенского, Е.П. Роннова, U.M. Рыжова, В. В. Са-таева, Н.Ф. Соларева, A.B. Соловьева, М.И. Фейгина, A.B. Чернышова, М.М. Чирковой, М. Г. Шмакова, В.М. Шмакова.

Обоснование выбора главных размерений при заданном водоизмещении судна проводят обычно из условия обеспечения мореходных качеств: уменьшения сопротивления воды и повышения скорости движения, обеспечения остойчивости и т.д. [58, 60]

Как следует из работ, посвященных теории и расчету управляемости судов, в том числе, судов внутреннего плавания, маневренные качества судна, его поворотливость в большой степени зависят от органов управления судном, то есть от типа ДРК (движительно-рулевого комплекса) , поэтому разработке данного вопроса посвящено множество исследований [8, 21, 22, 30, 45, 46, 49, 50, 53, 57, 72, 88] . Анализу связи «главные размерения -управляемость» уделено меньше внимания. Маневренность также зависит от таких параметров объекта управления, как отношения главных размерений BIT, TIL и LIB, коэффициент общей полноты корпуса судна, форма диаметральной плоскости, тип носовых и кормовых шпангоутов, величина кормового подзора и других. В теоретическом плане оценить влияние многих из указанных факторов на управляемость возможно лишь качественно. В связи с этим величины гидродинамических сил и моментов для судов с разными конструктивными параметрами исследователи получали как в натурных экспериментах, так и в модельных испытаниях. Полученные в модельных испытаниях данные после проверки принципиальной возможности применения с соответствующими поправками к реальным судам также включались в «базу данных». Таким образом, был накоплен большой объем информации в виде графиков и номограмм, а также составлены некоторые аппроксимирующие выражения, пригодные для обработки с помощью вычислительной техники [21, 23, 70, 71] . Также, в виде графиков, имеются данные о коэффициентах присоединенных масс воды и присоединенного момента инерции, зависящих от соотношений главных размерений судна [21] .

Оказалось, что в изученной литературе нет подробных обобщающих данных о степени влияния и аналитическом виде зависимости того или иного отношения главных размерений на управляемость судна, отсутствуют практические рекомендации по методике выбора параметров Ь , В и Т для достижения наилучшей управляемости.

В Руководстве Российского Речного Регистра Р.006-2004 обобщена имеющаяся теоретическая и экспериментальная информация и применен комплексный подход к определению поворотливости и устойчивости, учитывающий геометрию корпуса судна, характеристики взаимодействия ДРК с корпусом, безразмерную поперечную силу для четырех различных типов ДРКС. Однако рассмотренные способы оценки поворотливости и устойчивости не позволяют оценить критические углы перекладки рулей и топологию областей пониженной управляемости, что весьма важно для улучшения работы авторулевых. Это обстоятельство можно отнести к недостаткам предложенной методики оценки управляемости судов.

Таким образом, проблема оценки влияния главных раз-мерений корпуса судна на его управляемость, в том числе, при рабочих перекладках, на значения критических углов перекладки рулей не решена и является актуальной.

Целью работы является разработка методов оценки влияния конструктивных параметров (факторов) судна: ширины - В, осадки - Г, коэффициента полноты корпуса - 5 при заданной длине I, на его управляемость.

Достижение поставленной цели требует рассмотрения следующих задач: выбор и обоснование частных критериев оценки управляемости судна;

- определение областей допустимого изменения этих критериев; разработка математических моделей, связывающих частные критерии с факторами - главными размерениями судна В и Т , а также коэффициентом полноты водоизмещения 5; постановка многокритериальной задачи улучшения показателей управляемости судна;

- разработка методики поиска квазиоптимальных значений факторов, обеспечивающих нахождение величины критериев в некоторой заданной области.

Научная новизна работы состоит в следующих результатах :

1. Введены и обоснованы частные и обобщенные статические и динамические показатели управляемости судна, обоснованы области их допустимого варьирования;

2. Построены математические модели, связывающие показатели качества с главными размерениями судна;

3. Определена область безопасного допустимого варьирования главных размерений судна, внутри которой показатели управляемости удовлетворяют наложенным на них требованиям.

Значимость результатов работы для теории и практики. Полученные результаты и методики могут быть использованы при проектировании судов для обеспечения норм управляемости, установленных Российским Речным Регистром, и расширения диапазона состояний внешней среды, допускающих управление судном авторулевым. Результаты работы дополняют имеющуюся научную информацию о влиянии геометрических характеристик корпуса судна на его управляемость. Возможно использование дополнительных новых динамических показателей управляемости для более полной оценки маневренных качеств эксплуатирующихся судов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических форумах: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ «Транспорт - XXI век» (г. Нижний Новгород, 2003 г.);

- на научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья» (г. Нижний Новгород, 2003 г.);

- на XXX Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В. А. Трапезникова (г. Санкт-Петербург, 2003 г.) ;

- на VI Международном конгрессе по математическому моделированию, ННГУ (г. Нижний Новгород, 2004 г.);

- на XXXI Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (г. Адлер, 2004 г.);

- на IV Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», БЮРИО^ОЬ, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (Москва, 2005 г.); на конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (г. Нижний Новгород, 2005 г.);

- на международном научно-промышленном Форуме «Великие реки-2006» (г. Нижний Новгород, 2006 г.);

- на XXXIII Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (г. Анапа, 2006 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 4 приложений; содержит 112 страниц основного текста, 53 рисунка и список литературы из 92 наименований.

Выводы по главе 4.

1) Показана необходимость и возможность решения задачи поиска компромисса между требованиями устойчивости и поворотливости.

2) Предложены варианты решения задачи поиска компромисса: а) путем выбора сочетаний ширины В и осадки Т с помощью графика линий равного уровня и б) путем введения обобщенных критериев управляемости и поиска квазиоптимальных значений ширины и осадки.

3) Обоснованы диапазоны допустимого изменения частных критериев управляемости и построена область допустимых безопасных отклонений В и Т, в которой частные критерии удовлетворяют наложенным на них ограничениям.

4) Проанализированы результаты применения обобщенных аддитивных критериев двух типов, а также мультипликативного критерия. Показано, что различные обобщенные критерии дают одно решение, что свидетельствует о его объективности.

5) Доказана возможность улучшения показателей управляемости за счет допустимого безопасного выбора главных размерений судна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Показано, что ряд судов, успешно эксплуатируемых на внутренних водных путях, удовлетворяют только одному требованию Регистра - на устойчивость с большим запасом и практически все не удовлетворяют требованиям поворотливости.

2. Для оценки управляемости судна введены и обоснованы дополнительные показатели С0, Ср, акр, по величине которых можно оценить а) наличие и размеры области пониженной управляемости (акр) ; б) скорость развития процесса ухода судна на самопроизвольную циркуляцию (С0); в) скорость развития реакции на изменение управляющего воздействия (Ср) .

3.Получены математические модели, связывающие показатели управляемости с некоторыми конструктивными параметрами судна, что позволило решать задачу повышения управляемости за счет оптимизации рассматриваемых параметров.

4. Введены обобщенные показатели управляемости, найдена область допустимых сочетаний размерений судна, обеспечивающих квазиоптимальные значения показателей. Проведен анализ зависимости частных и обобщенных показателей управляемости судна от конструктивных факторов. Показана возможность улучшения управляемости за счет незначительного изменения главных размерений судна.

1. Алгоритмы оптимизации проектных решений/Под ред.

2. A.И. Половинкина. М.: Энергия, 1976. - 264 с.

3. Анфимов, В.Н. Устройство и гидромеханика судна /

4. B.Н. Анфимов, Г.Н. Сиротина, А.М Чижов.- Л., Судостроение, 1974. 368 с.

5. Афремов, А.Ш. Рыскание судов на волнении / А.Ш. Аф-ремов // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 1966, вып. 232, с.3-20.

6. Ашик, В.В. Проектирование судов: Учебник.-2-е изд., перераб. и доп./ В.В. Ашик. Л.: Судостроение, 1985. - 320 с.

7. Васин , A.M. Теория устойчивости на курсе и поворотливости судна / A.M. Васин. Л.: ГИТТЛ, 1949. -176 с.

8. Басин, A.M. Ходкость и управляемость судов / A.M. Васин. М.: Транспорт, 1968. - 175 с.

9. Васин, A.M. Гидродинамика судна / A.M. Васин. Л.: Речной транспорт, 1969. - 553 с.

10. Васин, A.M. Теория и расчет гребных винтов / A.M. Васин , И.Я. Миниович. Л.:Судпромгиз, 1963.

11. Ваутин, H.H. Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости / H.H. Бау-тин, Е.А. Леонтович. М.: Наука, 1976.

12. Бахтизин, Р.Н. Оценка порядка линейных объектов по экспериментальной информации/ Р.Н. Бахтизин,

13. А.Р. Латыпов // А и Т. 1992. №3. С. 108-123.

14. Беллман, Р. Методы вычислений: Избранные главы (обзор) / Р. Беллман // А и Т. 1993, №8. С. 3-39.

15. Бенедикт, С. Принятие решений при ненадежной информации / С. Бенедикт // А и Т. 1996. №9. С. 151-162.

16. Березин, С.Я. Системы автоматического управления движением судов по курсу / С.Я. Березин, В.А. Тетюев. Л.: Судостроение, 1974. - 264 с.

17. Брахман, Т.Р. Многокритериальность и выбор аль-терантивы в технике / Т.Р. Брахман. М.:Радио и связь, 1984. - 288 с.

18. Булычев, Ю.Г. Системный подход к моделированию сложных динамических систем в задачах оптимизации с прогнозирующей моделью / Ю.Г. Булычев, И.В. Бурлай // А и Т. 1996. №3. С. 34-45.

19. Бунеев, В.М. Обоснование типов грузовых и буксирных судов. Уч. пособие для ВУЗов / В.М. Бунеев. - Новосибирск, 1999. - 75 с.

20. Бусленко, H.П. Моделирование сложных систем / Н.П. Бусленко М.: Наука, 1978. - 399 с.

21. Ваганов, A.B. Метод расчета позиционирования плавучих технических средств освоения шельфа / A.B. Ваганов // Морской Вестник, №1 (9), 2004 г.

22. Ваганов, Г.И. Экспериментальные исследования сопротивления воды движению секционных составов / Г.И. Ваганов // В произв. технич. сб. МРФ РСФСР, вып. 97, 1971. 32 с.

23. Вагнер, Г. Основы теории исследования операций. Т.З. / Г. Вагнер М.: Мир, 1973. - 501 с.

24. Войткунский, Я.И. Справочник по теории корабля. Судовые движители и управляемость / Я.И. Войткунский, Р.Я. Першиц, И.А. Титов. J1.: Судостроение, 1973. 321 с.

25. Васильев, A.B. Управляемость винтового судна / A.B. Васильев, В.И. Белоглазов. М.: Транспорт, 1966. 167 с.

26. Васильев, A.B. Управляемость судов: Уч. пособие для ВУЗов / A.B. Васильев. J1.: Судостроение, 1989. - 328 с.

27. Вицинский, В.В. Основы проектирования судов внутреннего плавания / В.В. Вицинский, А.П. Страхов J1.: Судостроение, 1970. 454 с.

28. Волкович, B.JI. Многокритериальные задачи и методы их решения / B.J1. Волкович. В кн. Кибернетика и вычислительная техника. - Киев: Наукова думка, 1969, вып. I, с. 44-52.

29. Воронов, A.A. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость / A.A. Воронов, М.: Наука, 1979. -336 с.

30. Гаджиев, Ч.М. Оперативная проверка адекватности математической модели многомерной динамической системы / Ч.М. Гаджиев // А и Т. 1995. №7. С. 51-68.

31. Гафт, M.Г. Метод принятия решений в выборе предпочтительных вариантов проекта сложной системы / M.Г. Гафт, О.И. Ларичев, В.М. Озерный // Приборы и системы управления, 1973, № 6, с. 1-3.

32. Гидродинамика судов на мелководье. Басин A.M., Веледницкий И.О., Ляховицкий А.Г.- Л.: Судостроение, 1976. 320 с.

33. Гофман, А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. Справочник /А. Д. Гофман.

34. Л.:Судостроение, 1988. 360 с.

35. Гофман, А.Д. К анализу движения неустойчивого судна на прямом курсе / А.Д. Гофман // В сб. Актуальные вопросы динамики корабля. Материалы по обмену опытом. Л.: Судостроение, 1974, вып. 221, с. 45-53.

36. Гофман, А.Д. Основы теории управляемости судна: Курс лекций / А.Д. Гофман. СПб: СПГУВК, 1999. -100 с.

37. Гофман, А.Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания / А.Д. Гофман. -Л.: Судостроение, 1971.- 182 с.

38. Дехтяренко, В.А. Методы многокритериальной оптимизации сложных систем при проектировании / В.А. Дехтяренко, Д.А. Своятыцкий. Киев, изд-во АН УССР. 1976. - 41 с.

39. Джилмер, Томас С. Проектирование современного корабля / Томас С. Джилмер. Л.: Судостроение, 1984. -280 с.

40. Еремин, И.И. Противоречивые модели оптимального планирования / И.И. Еремин. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 160 с.

41. Зильман, Г.И. Идентификация гидродинамических коэффициентов уравнений управляемости как задача многокритериальной оптимизации / Г.И. Зильман, A.A. Тер-Захарьянц //Навигация и управление судном. Л.: Транспорт, 198 6. Вып. 433.

42. Коган, В.И. Исследование гидродинамических характеристик грузовых судов на глубокой и мелкой воде / В.И. Коган, А.Д. Гофман //Тр. ин-та/Ленингр. ин-т водн. трансп. Л.:Транспорт, 1968, Вып. 118. С. 50-59.

43. Коновалов, В.П. О нормировании эксплуатационной устойчивости судов на курсе / В.П. Коновалов // Тр. Горьк. ин-та инж. водн. тр-та, 1982, вып. 191, с. 24-32.

44. Короткин, А.И. Присоединенные массы судна / А.И. Короткин. Л.: Судостроение, 1986.

45. Круг, Г.К. Планирование эксперимента в задачах идентификации и экстраполяции / Г.К. Круг, Ю.А. Сосулин Ю.А., В.А. Фатуев. М. : Наука, 1977. -231 с.

46. Кузьмин, Л.П. Расчет элементов горизонтального движения и угла крена судна при выходе на циркуляцию / Л.П. Кузьмин, Р.Я. Першиц, Е.В. Юдин // Тр. ЦНИИ им. акад. А.И. Крылова, 1959, вып. 136, с. 1425.

47. Куряков, Я.А. Исследование начальной неуправляемости и авторулевых систем неустойчивых на курсе судов / Я.А. Куряков.

48. Лаврентьев, В.М. Судовые движители / В.М. Лаврентьев. Л.: Морской транспорт, 1949.

49. Ламмерен-Ван, Троост Л. Сопротивление, пропуль-сивные качества и управляемость судов. (Пер. с англ.) / Троост Л. Ламмерен-Ван, Д. Коннинг. Л.: Судпромгиз, 1950. - 387 с.

50. Ларичев, О.И. Наука и искусство принятия решений / О.И. Ларичев. М.: Наука, 1979. - 200 с.

51. Ларичев, О.И. Человеко-машинные процедуры принятия решений / О.И. Ларичев // Автоматика и телемеханика, 1971, № 12, с. 130-142.

52. Лебедев, Э.П. Средства активного управления судами / Э.П. Лебедев, Р. Я. Першиц, А. А. Русецкий и др. Л.: Судостроение. 1969.

53. Лернер, Т.М. Управление морскими объектами / Т.М. Лернер, Ю.А. Лукомский. -Л.: Судостроение, 1979. 271 с.

54. Ли, Э.Б. Основы теории оптимального управления / Э.Б. Ли, Л. Маркус. М.: Наука, 1972.

55. Мастушкин, Ю.М. Управляемость промысловых судов / Ю.М. Мастушкин. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.

56. Немзер, А.И. Применение руля нетрадиционного типа для улучшения характеристик управляемости прогулочного судна / А.И. Немзер, В.В. Сергеев, A.B. Юрканский // СПб., Морской вестник. №4(16), 2005.1. С.84-87.

57. Ньюмен, Дж. Морская гидродинамика / Дж. Ньюмен. Л.: Судостроение, 1985. - 368 с.

58. Павленко, В.Г. Маневренные качества речных судов / В.Г. Павленко. М.: Транспорт, 1979.

59. Павленко, В.Г. 16 лекций по управляемости речных судов / В.Г. Павленко, В.В. Саленек. Новосибирск. НИИВТ, 1970.

60. Першиц, Р.Я. Проектировочный расчет площади ру ля судна / Р.Я. Першиц // Судостроение, 1981, №10, с. 10-11.

61. Першиц, Р.Я. Управляемость и управление судном / Р.Я. Першиц. JI.:Судостроение, 1983. - 272 с.

62. Першиц, Р.Я. Об управляемости судна на течении / Р.Я. Першиц, А.И. Немзер // Труды НТО Судпрома, 1971, вып.169, с.4-8.

63. Першиц, Р.Я. Выбор кормового подзора и площади руля судна с помощью второй критической точки диаграммы управляемости / Р.Я. Першиц, Е.Б. Юдин // Судостроение,1968. №6. С. 5-10.

64. Подиновский, В.В. Коэффициенты важности критериев в задачах принятия решений. Порядковые или ор динальные коэффициенты важности / В.В. Подиновский // Автоматика и телемеханика, 1978, № 10, с. 130141.

65. Преображенский, A.B. Чувствительность показате лей управляемости к изменению параметров корпуса судна / A.B. Преображенский // Моделирование и оптимизация сложных систем. Межвуз. сб. научн. трудов. Вып. 285. Н.Новгород. 1999. С.137-142.

66. Преображенский, A.B. О взаимозависимости параметров диаграммы управляемости водоизмещающего суд на / A.B. Преображенский // Моделирование и оптими зация сложных систем. Межвуз. сб. научн. трудов. Вып. 285. Н.Новгород. 1999. С.131-136.

67. Преображенский, A.B. Эффект бифуркационной памяти в динамике судна / A.B. Преображенский, В.В. Сатаев, М.И. Фейгин // Проблемы машиностроения и динамики машин РАН.-2001.-№3. С.104-107.

68. Руа, Б. Проблемы и методы принятия решений в задачах с многими целевыми функциями / Б Руа. Всб. переводов: Вопросы анализа и процедуры принятия решений.- М.: Мир, 1976, с. 20-58.

69. Рыжов, Л.М. Маневренность речных судов и составов / Л.М. Рыжов, Н.Ф. Соларев. М.:Транспорт, 1967. - 144 с.

70. Соларев, Н.Ф. Безопасность маневрирования речных судов и составов / Н.Ф. Соларев. М.: Транспорт, 1980. - 125 с.

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

72. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания/Под ред. Я.И. Войткунского. Л.: Судостроение, 1985. -544 с.

73. Средства активного управления судами /Э.П.Лебедев, Р.Я. Першиц, A.A. Русецкий и др. Под общ. ред. A.A. Русецкого. Л.: Судостроение, 1969.

74. Теория автоматического управления: Нелинейные системы, управление при случайных воздействиях: Учебник/ Нетушил A.B., Балтрушевич A.b., Бурляев В. В. и др. М. .'Высшая школа, 1983. - 432 с.

75. Теория прогнозирования и принятия решений./Под ред. С.А. Саркисяна.- М.: Высшая школа, 1977. 351 с.

76. Федяевский, К.К. О рациональной оценке необходимой степени курсовой устойчивости судна / К.К. Федяевский. В кн.: Избранные труды. Л.: Судостроение, 1975. - С.384-407.

77. Федяевский, К.К. Управляемость корабля / К.К. Федяевский, Г.В. Соболев Л.: Судпромгиз, 1963.

78. Фейгин, М.И. Автоколебания судов в угле рыскания / М.И. Фейгин // Тр. ин-та / Горьк. ин-т инж. водн. тр-та, 1980, вып. 174, с.3-28.

79. Фейгин, М.И. К теории движения неустойчивого на прямом курсе судна / М.И. Фейгин, М.М. Чиркова // Изв. АН СССР. МТТ, 1982, №1, с.66-72.

80. Фейгин, М.И. О существовании области пониженной управляемости для судов, неустойчивых на прямом курсе / М.И. Фейгин, М.М. Чиркова // Изв. АН СССР. МТТ, 1985, №2, с.73-78.

81. Хойер, Генри X. Управление судами при маневрировании / Генри X. Хойер. М.: Транспорт, 1992. -101 с.

82. Храмушин, В.Н. Исследования по оптимизации формы корпуса корабля / В.Н. Храмушин // Вестник ДВО РАН. 2003. № 1(107). С.50-65.

83. Чернышов, А.В. Особенности динамики и алгоритмы управления состоянием объектов / А.В. Чернышов, М.М. Чиркова // Известия РАН. Теория и системы управления. ~М., 2003, №4.

84. Чернышов, А.В. Идентификация свойств объекта по статико-динамической характеристике / А.В. Чернышов, М.М. Чиркова // Труды международной научно-технической конференции по проблемам управления SICPRO'2 000. М.: ИПУ РАН, 2000. С.1154-1157.

85. Чиркова, М.М. Результаты натурных испытаний цифрового авторулевого / М.М. Чиркова, А.В. Преображенский // Судостроение. 1992. №11-12.

86. Шлейер, Г.Э. О математической модели движения судна / Г.Э. Шлейер// Отчет ОКР и ИР, №0182.0528 92. М.:Институт проблем управления, 1983. - 27с.

87. Шлейер, Г.Э. Способ управления курсом речного судна / Г.Э. Шлейер. Институт проблем управления. Авторское свидетельство №758902. БОИ, 1981, № 133.

88. Шлейер, Г.Э. Управление движением морских и речных судов / Г.Э. Шлейер, В.Г. Борисов // Препринт. М.: Институт проблем управления, 1981. -62с.

89. Шмаков, М.Г. Рулевые устройства судов: (Проектирование и расчет)/Под научн. ред. П.П. Краковского / М.Г. Шмаков. J1. : Судостроение, 1968.

90. Amerongen J. Van, Haarman J.С., Verhage L.W. Mathematical modelling of ships. Proceeding of the 4th Ship Control Systems Symposium, Netherlands, 1975, v.4, p.4-163.

91. Feigin, M.I. Emergencies as a manifestation of the effect of bifurcation memory in controlled unstable systems / M.I. Feigin, M.A. Kagan // International Journal of Bifurcation and Chaos, Vol. 14, No. 7 (2004) 2439-2447.

92. Gill A.D. The identification of manoeuvring equations from ship trial results. Trans. Roy. Inst. Nav. Archit., 1976, N 118, p.145-155.

93. Hwang Wei Yuan. Cancellation effect and parameter identifiability of ship steering dynamics. "Int. shipbuild. Progr.", 1982, 29, N 332, p.90-102.