автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование процессов автоматизированного управления движением судов на внутренних водных путях

САЖТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИСТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

ргв од

- с

Кулибанов Михаил Юрьевич ^ fiH3

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ

Специальность. 05.13.06 - Автоматизированные системы управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой cierienn кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Францев Р. Э.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сикарев А. А.

кандидат технических наук, доцент Носанчук А. В.

Ведущая организация: Научно-производственная фирма "Меридиан"

Защита диссертации состоится "29" июня 2000 г. в 12 часов на заседали] диссертационного совета Д116.01.03 при Санкт-Петербургскоа государственном университете водных коммуникаций по адресу 198035, Санкт Петербург, ул. Двинская д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан '^^мая 2000

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор /Ш,/),,. ,л Сахаров В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение-требований к безопасности и экономическим гактеристикам морских и речных судов требует дальнейшег о совершенство-шя автоматизироватгаы.х систем управления судов и их энергетических уставок на основе реализации современных ресурсосберегающих понятий как и проектировании, модернизации систем управления, гак и при настройке и тадке их в процессе эксплуатации на внутренних водных путях. Эга пробле-решается различными путями, одним из которых является сопершенствова-е процессов моделирования как основы обоснования принятия решений по бору режимов работы судовых энергетических установок, рационального равления движением групп судов в узкостях, каналах, бьефах, внутренних дных путях.

Наиболее эффективным средством обеспечения безопасности и экономности систем управления энергетической установкой, судном и группой су-в является использование либо бортовых информационных chcicm поддерж-иринятых решений, либо совершенствование алгоритмического обеспечения мих систем управления за счет расширения или улучшения моделей рсали-емых законов управления путем учета большего числа факторов влияющих . функционирование судна и его элементов. Управление движением судна уществлястся человеком путем воздействия на задающие органы систем [равления энергетической установкой и рулевого устройства. Всю рутинную :боту по регулированию (стабилизация частоты вращения гребных винтов, рса судна и т. п. параметров) выполняют автоматические системы. Человек ,есь выполняет роль звена принимающего решения, это означает, что на осно-¡нии поступающей информации человек выбирает маршруты движения, ре-имы работы энергоустановки, решает задачи обгона, расхождения, входа и ■гхода из шлюза, обеспечивает безопасность плавания в сложных метеоусло-шх. Подобные человеко-машинные комплексы называются большими. Иссле-

дование данных систем наиболее эффективно осуществляется с помощью ма тематических моделей, так как эксперименты над всей системой затруднены < позиций технологических и экономических факторов, исследования же отдель ных частей этой системы не позволяют дать целостной картины из-за несводи мости свойств этих частей к свойствам их совокупности.

Транспортное судно в процессе перевозки грузов взаимодействует < внешней средой. Оно рассматривается как подсистема другой более высоко! или низкой по вертикальной иерархии системы, которая является внешней не собственной по отношению к собственной.

Рассматривая взаимодействия собственного судна со средой, следуе! придерживаться принципа относительности. В соответствии с ним выделенная для анализа подсистема может рассматриваться как самостоятельная и каь часть другой системы, в которую она входит. Это важно при разработке методологии исследования процесса движения судов и создания алгоритмов и программ управления данным движением. Данный принцип позволяет создаватс теоретические модели автономного движения судна с учетом его взаимодействия с внешней средой на основе конкретных конструкций информационны* связей.

Цели исследования. Дели и задачи данных диссертационных исследований состоят в:

• исследовании закономерностей, лежащих в основе оптимальных режимов движения судна и создании комплексных критериальных оценок автоматизированного управления режимами движения судов в различных условиях плавания;

• исследовании динамических и статических свойств многовальной энергетической установки, работающей в условиях быстроменяющейся нагрузки;

• получении алгоритмов автоматизированного управления судном с помощью собственных и стационарных (несобственных) систем при ог-

________раничениях на фазовые координаты и управляющие воздействия;

* исследовании и разработке алгоритмов автоматизированного управления группой судов при обгоне, расхождении, проходе шлюзов и разводных пролетов мостов, при движении за лидером;

Методы исследования. Методологической основой проводимых иссле-аний является системный подход, позволивший проанализировать влияние ттравляемое движение судна комплекса факторов, как внешнего, так и внут-него характера, их взаимодействие, целеобусловленность, иерархию, коор-ацию. Методики исследований основаны на кибернетических подходах в гении сложных (больших) систем, какой является судно или их совокуп-гь. Здесь надо прежде отметить пассивный и активный эксперимент, мате-ическое моделирование, методы оптимального управления. В основу созда-математичсских моделей положены физические принципы и там, где выть их трудно по тем или иным причинам, используются концепции и гипо j. основанные на интуитивных понятиях и естественном интеллекте.

Адекватность моделей обеспечивается совпадением экспериментальных ных и результатов моделирования на ПЭВМ.

Научная новизна. Научная новизна исследований состоит в анализе сис-автоматизпрованного управления судами с позиций системного подхода, в учении комплекса математических моделей движения судна, внешней сре-в разработке методики многомерной экстраполяции для линеаризации ха-теристик судовых комплексов, в разработке оценок энергетических затрат изменяющихся условий плавания, в создании алгоритмов автоматизиро-ного управления группой судов, в получении научных рекомендаций по со-шеиствованию систем автоматизированного управления.

Практическая реализация работы. Результаты исследований внедрены рганизациях Речфлота РФ, на Волго-Донском судоходном канале и в НПФ

"Меридиан", и могут быть использованы в учебном процессе СПГУВК и щ разработке шпгоритмического обеспечения в системах информационной по, держки компьютерных тренажерных комплексов для подготовки оператор« судовождения и судомехаников.

На защиту выносятся:

• закономерности, лежащие в основе оптимальных режимов движеш судов для различных условий эксплуатации;

• критериальные оценки автоматизированного управления режимам движения судов в различных условиях плавания;

• оценки энергетических затрат для изменяющихся условий плавания;

• алгоритмы автоматизированного управления судном с помощью со( ственных и стационарных (несобственных) систем при ограничения на фазовые координаты и управляющие воздействия;

• алгоритмы автоматизированного управления группой судов при обгс не, расхождении, проходе шлюзов и разводных пролетов мостов, пр движении за лидером.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доь ладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях семинарах:

• Международная научно-техническая конференция "ТРАНСКОМ-97' "ТРАНСКОМ-99" (сентябрь, 1997 г., Санкт-Петербург, СПГУВК);

• На конференциях профессорско-преподавательского состава СПГУВК ВМИИ (1997... 1999 гг.);

• На кафедральных научно-методических семинарах (1997...1999 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в семи пуб

ликациях (6 статей, тезисы докладов).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 216 странш машинописного текста, 88 рисунков и 23 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

¡ ¡с;)!'.:;-.: глава "поспятпена огтисашпо решаемой в раооте задачи,_/шализи-10тся качественные характеристики водного транспорта и его роль в транс-ртном процессе России. Рассматриваются характеристики движения транс-ртных судов и их взаимодействия между собой и с береговыми стационар-ши системами. Разрабатываются комплексные критериальные оценки, анали-руется роль человека-оператора в контуре систем автоматизированного равления движением судов.

Производственный процесс на водном транспорте имеет следующие осо-пности. Первая особенность состоит в том, что транспорт сам по себе не соз-ет нового вещественного продукта. Продукция транспорта - это перемеще-е грузов.

Вторая особенность заключается в том, что продукция транспорта по-ебляется непосредственно в процессе производства. Если is промышленности сельском хозяйстве накопление продукции вполне закономерный процесс эпример, создание некоторых запасов), то на транспорте накопление грузов и колит к отрицательным явлениям. Оптимальным следует считать процесс ставки груза за минимальное время потребителю

Транспорт не нуждается в сырье, так как он ие производит готовой про-кции. Это является третьей особенностью.

Четвертая особенность лежит в неразрывной связи его с распределением обращением готовой продукции. Он, завершая производственный процесс, ставляет готовую продукцию, сырье потребителю.

К транспорту со стороны промышленности и агропромышленного ком-екса могут быть предъявлены следующие требования; быстрота доставки уза потребителю, сохранность доставляемых грузов. Могут быть предъявле-i требования по габаритам, весу и объему перевозимых грузов, по универ-льности используемых транспортных средств (например, необходимость пе-

\

ревозок одновременно пассажиров и грузов или различных по своей приро грузов).

На транспорте широко распространены системы человек-машина. Так системы относят к сложным, так как в этих системах имеет место акт принят решения. Роль и ответственность человека в управлении транспортными сре ствами в настоящее время постоянно возрастает. Объясняется это, прежде вс го, возможными последствиями аварий, как в материальном смысле, так иве циальном и экологическом.

Водный транспорт имеет свои специфические особенности. Себесто мость перевозок в 1,5 2 раза ниже, чем по параллельным железным дорогам, нефти, например, на Волжском и Камском бассейнах ниже в 3,5 раза. Одна . главных особенностей водного транспорта - это перемещение больших объ мов грузов (до 25 тыс. тонн на одной транспортной единице). Коммуникащ водного транспорта более извилисты, чем авиационные, железнодорожные автомобильные. Так авиатрассы короче параллельных железных дорог на 20° автомобильных на 25% и водных на 30%.

Однако габариты водного пути с позиций эффективного и безопасно! движения не отвечают современным требованиям. Большая насыщенное' трасс транспортными судами, геометрические размеры которых соизмеримы габаритами фарватеров, приводит к снижению пропускной способности и сл! дователыю к задержкам в доставке грузов получателю или же в более худли случаях к авариям и соответственно к гибели или повреждению этих грузов, данных условиях необходимы исследования, направленные, прежде всего 1 обеспечение безопасности движения, повышения производительности труда к водном транспорте на основе ресурсосбережения.

Известно, что в среде, с которой взаимодействует данное конкретное сух но (собственное), могут находиться подобные суда (несобственные), шлюзь порты, диспетчерский аппарат. Такое множество взаимодействующих систе; образует надсистему, имеющую свое функциональное, морфологическое и ш

эрмационное описание. Определяющими для собственного судна в образовавшая надсистеме являются цели, критерии и ограничения, которые задаются .ст'смой, находящейся г. а более высоком иерархическом уровне. Приведем ишеры классификации взаимодействия отдельных объектов, критериальных (снок, целей, ограничений. Для этого разобьем системы, вступающие во взаи-эдействия между собой, на два класса. К первому классу отнесем те, координа-I которых практически не меняются во времени. Ими могут быть береговые диолокационные станции, шлюзы с центральными постами управления (ЦПУ), ПУ порта, заправочные станции, ЦПУ су доходною капала, естественные и ис-'сственные фарватеры и т. п. Второй класс - это системы, координаты которых гняются во времени. Это, прежде всего, транспортные суда, суда технического нота. Вступление во взаимодействие определяется целью функционирования шных систем. Системы человек-машина, функционирующие без взаимодейст-1я со средой, но имеющие материальные и физические возможности в них ггупить, назовем автономными системами (АС). Вид автономной системы бу-

;м обозначать в верхнем индексе П (АС"). Систему с неизменными простран-

гвенными координатами обозначим как систему неподвижную с верхним ин-

гксом Н (АС").

Далее рассматриваются различные варианты взаимодействия систем. ,ель движения, критерии задает судно, находящееся на более высоком уровне ерархии. Побудительными (формальными) причинами вступления систем во ?аимодействия и образование некоторой надсистемы могут являться следую-

ще:

- попадание в условия, грозящие разрушению судна, если не будет налажено его взаимодействие с другими АСП и АС";

- попадание в условия, которые приведут, при отсутствии взаимодействия, к нарушению нормального функционирования;

- попадание в условия, когда отсутствие взаимодействия приведет к н выполнению глобальной или локальной целей (т. е. отсутствие альте] натив).

Под судовой энергетической установкой (СЭУ) будем понимать дизел ную установку, нагрузкой для которой служит винт фиксированного inai (ВФШ). Этот тип СЭУ распространен на подавляющем числе судов внутренн го плавания.

Структура данной СЭУ без системы обслуживания представлена f рис. 1. На ней введены такие обозначения: ДАУ - дистанционная автоматам екая система управления; САУ - система автоматического управления; (Oí частота вращения движителя (ВФШ); P¡ - упор движителя, где i = l, ..., п; S путь, проходимый судном при движении; U - скорость судна; ф - курсовс угол; а - угол поворота пера руля или насадки. Скоростной режим задается д! зелю человеком-оператором через САУ (или ДАУ), на основании известног времени движения к пункту назначения, параметров внешней среды.

Скоростные режимы дизеля, работающего на речных судах в состаг ДЭУ, условно можно разделить на следующие классы: режим стабилизации частоты вращения; режим параметрического изменения частоты; режим временных программ; комбинированные режимы.

Общая постановка задачи оптимизации предусматривает наличие объект или процесса, критериальных оценок, которым должен удовлетворять рюш работы. Оптимизация осуществляется с учетом ограничений, которые наклады ваются на изменяемые параметры, управляющие воздействия, энергию, эконс мические факторы. Поиск оптимальных режимов может производиться экспе римеиталыю или на основе математических методов.

Критериальные опенки, параметры внешней среды, управляющие воздействия

Рис, I Структура судового комплекса

В диссертации для оптимизации динамических процессов использован! аналитические математические модели, представленные в форме дифференци альных уравнений:

где X — вектор координат объекта; У - вектор управления.

В качестве составляющих вектора X для ДЭУ могут выступать крутящш момент дизеля, его мощность, частота вращения, температура выхлопных га зов, расход топлива, а в качестве вектора управления перемещения рейки топ ливных насосов, цикловая подача топлива, частота вращения.

В реальных условиях эксплуатации на составляющие векторов X и V на кладываются ограничения. Эти ограничения могут носить статический или динамический характер.

Оптимизация режимов работы ДЭУ может производиться по двум основным направлениям:

— оптимизация программ регулирования, с целью синтеза структур регуляторов;

- оптимизация режимов использования дизелей для обеспечения различных видов движения судна.

В диссертации развиваются вопросы оптимизации эксплуатационных режимов работы ДЭУ, связанные со вторым направлением. Их успешное решение возможно на основе учета параметров трассы движения судна, взаимодействия системы дизель-валопровод-винт-корпус судна.

Критериальными оценками являются экономичные показатели работы дизеля, изменение его надежности функционирования, вопросы увеличения моторесурса, маневренные свойства судна. Численные значения функционалов, их

Л

О)

(2)

и

шгатическое выражение я соответственно программы управления частотой мщения могут меняться в зависимости от конкретных целей движения судна

Критериальные оценки режимов работы являются взаимосвязанными меду собой. Поэтому удовлетворение с позиций экстремума выбранному крите-ш приводит к изменению других и не позволяет добиться оптимальности >азу по нескольким показателям.

Определяющим в вопросах движения судна по внутренним фарватерам шяется расписание или задание заранее определенного времени перехода. Оно шгачается диспетчерской службой пароходе!в, судоходных каналов, портов.

Обеспечение максимального быстродействия позволяет увеличить пропу-сную способность фарватеров, шлюзов, судоходных каналов. Но при этом ди-;ль эксплуатируется на предельных нагрузках, с большим расходом топлива, оэтому данные режимы работы должны быть кратковременными.

Оптимизация режимов работы при движении судна, когда заданное время ольшо предельного, позволяет осуществить значительную экономию топлива 1 счет работы дизеля на долевых нагрузках. Для нахождения оптимальных ре-'нмов работы ДЭУ в динамике, в том числе и максимального быстродействия диссертации использованы прямые методы, основанные на принципе макси-ума с введением ограничений и условий трансверсальности, что позволило оьести аналитические процедуры до численных решений.

Большое место в исследованиях для поиска оптимальных режимов отвесно развитию обратных методов, которые дают возможность получить реше-ия в некоторых случаях значительно быстрей и с большей точностью.

Человеко-машинные системы имеют некоторые особенности. Известно, го в зависимости от условий деятельности человека в совокупности с техниче-кой системой, его поведение может быть предсказано с той или иной точно-тью. Точность предсказания будущего поведения зависит от многих факторов здесь, видимо, надо выделить следующие: тип выполняемых задач управле-ия, квалификация человека-оператора, объем перерабатываемой информации,

отпущенное время на выполнение операции управления, внешние условия, ш дивидуальные психофизические свойства оператора. Эти особенности должн учитываться при стыковке человека с машиной. Неправильно выбранные пар; метры техники, управляемой человеком, приводят к уменьшению ее произв< дительности, а иногда и к невыполнению возлагаемых на нее надежд.

Вторая глава. Здесь рассматриваются концепции создания математик ских моделей основных видов движения судов. Разрабатываются методики ис пользования сплайновой аппроксимации для представления действующих н судно сил и моментов, что позволяет предложить способы формализации паре метров внешней среды.

Теоретическая разработка законов управления, обеспечивающих ресур сосбережение, с учетом параметров нахрузки, изменяющейся, например, функции времени или функции пути, может быть выполнена при условии соз дания комплекса математических моделей. Эти модели должны достоверн< описывать поведение судна, быть удобными для использования математиче ских методов оптимального управления, а получаемые алгоритмы управление должны представляться в форме, которая может быть реализована с помощьк современных средств автоматики и вычислительной техники.

Получение данных алгоритмов, обеспечивающих ресурсосбережение преследует следующие цели:

1. Получить основу для синтеза автоматизированных систем управленш ДЭУ, которые бы позволяли управлять расходом топлива и моторесурса в зависимости от заданного времени движения и ограничений на управление и фазовые координаты, решать задачи выбора режимов работы дизелей при обгоне, расхождении, входе и выходе из шлюза, в нестандартных ситуациях, которые могут возникнуть в реальных условиях эксплуатации.

2. Разработать математическое обеспечение для автоматизированной системы управления судопропуском (АСУ ТП "Канал") применительно к Волго-Донскому судоходному каналу.

На основании этих алгоритмов разработаны программы для ЭВМ, кото-ле позволяют осуществлять следующие основополагающие в управлении шжением судов операции:

вскрывать резервы в управлении режимами движения конкретных судо-.IX комплексов с ДЭУ в зависимости от складывающейся обстановки, прогно-фовать расход топлива на движение и выбирать наиболее рациональные ре-имы работы дизелей:

решать задачи обгона впереди идущих судов за счет рациональною фавления ДЭУ;

прогнозировать время движения между точками контроля на трассе, ос->вываясь на режимах работы ДЭУ применительно к конкретному фарватеру;

определять координаты возможных расхождений при встречах в наиболее [асных местах фарватера (в межшлюзовых бьефах, на поворотах судового хо-[), рассчитывать управления для ДЭУ, которые обеспечивают безопасность (авания;

прогнозировать возможные варианты возникновения аварийных ситуаций получать конкретные рекомендации с позиций управления ДЭУ для выхода : этих ситуаций;

разработать оценочные алгоритмы поведения судов с позиций работы ЭУ в нестандартных условиях эксплуатации.

В данной диссертации используются методы построения математических щелей судовых комплексов, основанные на кибернетических подходах, кото->е позволяют учесть не только морфологические и функциональные особен-сти, но и информационные свойства, поэтому имеется определенная наце-нность этих моделей на получение управлений, позволяющих впоследствии иному устройству, объекту, системе функционировать в управляемом режи-Эти модели позволяют:

исследовать динамические и статические свойства с позиций получеш рациональных управляющих воздействий и возможности автоматизации пр цессов;

выявить скрытые возможности объектов или технологий (получение эк тремальных характеристик);

производить прогнозирование развития динамических процессов.

Существует большое количество работ, в которых рассматриваются ст тические и динамические характеристики судовых комплексов. Даются анал тические или же экспериментальные зависимости для коэффициентов дифф ренциальных уравнений. Обосновываются условия линеаризации и использ* вания стационарных и нестационарных моделей.

Однако в большинстве работ, даже в тех, которые претендуют на на1 большую объективность предлагаемых методов и способов получения матем; тического описания судовых комплексов, есть общий недостаток. Эти метод формализации хорошо работают в теории корабля, в' гидродинамике, в вопр< сах управляемости судна, потому что основное их назначение - выяснение ч; стяых физических проблем той области знания, отрасли или раздела науки, дг которых они предназначены. Все способствовало тому, что такой сложный об' ект, как судовой комплекс, изучался по частям, без стремления установи! энергетические и информационные связи между этими частями.

В этой главе исследуются пути создания математических моделей суд« вых комплексов с ДЭУ, в которых формализуются взаимосвязи двух виде движения, что позволяет реально оценить параметры нагрузки на дизеля и н; метить направления выявления закономерностей ресурсосбережения.

В основу математических моделей положены дифференциальные уравн« ния, широко известные в общем виде в гидродинамике судна. Конкретизац» действующих на судовой комплекс сил и моментов, выполненная в дальнейше с помощью интерполирования, позволила получить математические модел1 учитывающие действие бокового и продольного движения на работу ДЭУ.

Третья глава. Рассмотренные характеристики и построенные на их основе математические модели являются нелинейными. Области их адекватности зля описания поведения судовых комплексов лежат в пределах от минимального значения фазовых координат до максимально возможных.

Однако, в процессе исследований фазовые координаты изменяются в зна-пггслыю меньших пределах и в этом случае возникает необходимость упроще-птя нелинейных моделей. Известны различные и достаточно эффективные способы линеаризации, основанные на разложениях в ряды, но вычислительные спекты их применения неудобны, особенно для функций нескольких псрсмен-

!ых.

В авиации получили распространение экспериментальные методы линеа-изации, основанные на ортогональных воздействиях. Но для их реализации еобходимы физические модели, соответствующая регистрирующая аппарату-а, генераторы типовых воздействий и аэродинамическая труба.

Ортогональные воздействия используются для селекции воздействий и оследующсй регистрации результатов.

Получение моделей с помощью полиномов позволяет проводить линсари-щию без ортогональных воздействий, с помощью следующих процедур. Представим, что функциональная зависимость имеет такой вид: Y0 = /(-гю, х20-*30> ■">-*»()) (3)

Дадим приращение первому аргументу, что приведет к приращеппго ДГ; Yq + Д Г = f{xlQ + Дг,, .V20, Х30,..., хн0) (4)

Будем считать, что приращение ДУ линейно зависит от Дт;, тогда АГ^К^Ахь (5)

где К= const.

Преобразуем (4) к такому виду

= /l (*10 + . х20»о»- > *и0) - (6)

Учтем (5) и получим

X 1

=—I/ (*ю + ^Ъ *20> ^30' -.*яо) - ад (7)

придавая последовательно приращения аргумен там х можно получить все необходимые значения коэффициентов Кх:

дх',-

Данный способ линеаризации легко выполняется с вычислительных позиций, при этом не требуется разложения в ряд и вычисления частных производных в точках линеаризации.

Более эффективным при линеаризации может оказаться метод многомерной экстраполяции (ММЭ). Его применение позволяет оценить точность линеаризации с помощью минимизации нормы. Сущность метода состоит в том, что последовательность входных параметров "У" восстанавливается в данном (заданном) диапазоне изменения величины "X" с помощью следующих линейных соотношений:

{Х) = Х1+Л(Х2-Х-1), {¥) = ¥}+л(Г2-¥х).

Здесь введены такие обозначения:

Х2 - известные векторные функции входных переменных (независимые);

У], У2 - известные векторные функции выходных переменных;

У - восстанавливаемая вектор функция выходных переменных, линейно связанная с X], Х2, У], У2',

X - восстанавливаемые входные векторы неизвестных переменных, линейно связанные с Х^ и Х2;

Я - неизвестная величина, подлежащая определению.

Нелинейные математические модели динамики судовых комплексов не эгут быть успешно применены для целей оптимизации режимов работы дизе-Объясняется это сложностью математических представлений сил и момен->в, длительностью процедур оптимизации, большими соответственно затрата-л машинного времени, невозможностью решения задач в опережающем мас-табе времени.

Кроме того, в пользу применения в некоторых случаях линейных моделей ворит и тот факт, что при реализации оптимальных законов, выходные коор-шаш объекта изменяются в пределах ± 20% от начальной точки, т. е. ис-»льзуются так называемые малые переходные режимы.

В настоящей работе используется способ получения линейных моделей, торый основывается на идентификации нелинейных моделей их линейными алогами. Это означает, что снятые при типовых входных воздействиях пере-дные процессы в нелинейных моделях представляются в определенном диа-зоне изменения входов и выходов линейными дифференциальными уравне-

1ями.

С целью выяснения динамических свойств ДЭУ и адекватности получен-IX математических моделей реальному процессу произведено моделирование вычислительных машинах. При моделировании прямолинейного движения дна определялся характер изменения частоты вращения дизелей в двухвалъ-й ДЭУ (судно пр. № 576) для различных положений органов управлений. Ор-яы управления (рейки топливных насосов) перемещались в пределах от 0 ->3, считая полное перемещение равное единице. Причем, временем переме-:ния пренебрегали, так как инерционность дизеля и корпуса судпа значитель-больше системы топливная рейка - топливные насосы.

Моделирование работы ДЭУ производилось для двух загрузок судна: лной -■ 2000 т (водоизмещение 2740 т) и 0.5 от полной - 1000 т (водоизме-:ние 1740 т). Проведенные испытания на теплоходе проект № 576 показали изкое совпадение натурных данных с математической моделью, что доказы-

вает адекватность полученных уравнений реальным процессам. Выходные п раметры судового комплекса при новом установившемся режиме не зависят < характера перемещения органов управления дизелями, а зависят только от в личины этого перемещения. Оказалось, что взаимосвязанность частот вращеш дизелей не зависит от водоизмещения судна. Изменение водоизмещения сказ) вается только на времени затухания переходного процесса, так как изменяет постоянная времени корпуса судна. При моделировании работы ДЭУ для уел вий криволинейного движения в основу положены уравнения с коэффициент ми, рассчитанными ранее:

15.9— + 0.145Лу -О.578Д0-О.630„ =0, Л р

15.9—— + 4.21Д0-0.750Ду-6.36^=0, Л у

15.9-~ + 0.276Дй -0.226Д«, -И.2ШЩ =°> Л 1 2

Л 1

15.9^^-5.85ДЙ + 14.7Д»2-6.15Д£., =0. Л 2 Рг

Моделирование производилось при постоянных положениях орган управления дизелями (реек топливных насосов), т. е. работа всережимного ] гулятора не принималась во внимание, дизеля работали в условиях саморегу1 рования.

Целью данного моделирования являлось определение характера изме] ния частоты вращения дизелей, скорости судна при различных законах пе] кладки пера руля.

Данное моделирование позволяет сделать следующие выводы:

вид закона перекладки пера руля не оказывает влияния на усгановивии ся значения скорости судна, частот вращения дизелей, угла дрейфа, угло£ скорости вращения судна вокруг центра тяжести;

на установившиеся значения указанных величин оказывает влияние толь) величина перекладки пера руля;

_______в маневренный период и в первой части эволяциоипого периода частота

гашения внутреннего дизеля уменьшается, а частота наружного дизеля увели-геаегся.

Четвертая глава. В этой главе рассматриваются вопросы управления су-эвой энерг етической установкой для минимизации расхода топлива. Прсдла-1ется способ оценки расхода топлива. Задача управления на минимум расхода ;шается для условий движения но речному фарватеру и по судоходному кана/. Производится анализ влияния условий эксплуатации судовой энергетиче-;ой установки на точность выполнения программы автоматизированного травления.

Расход топлива подвижной системой (судовым комплексом) зависит от эщности энергетической установки, скорости движения, параметров фарвате-

i и режима работы главных дизелей. Задача управления расходом топлива ■авится так. Необходимо обеспечить минимальный расход топлива

v - Zcjjtj (10) при заранее заданном времени движения 7 = Li, (11), на дан-г=1 /=!

п

т трассе .S* = (12), где Sj - отрезки пути, на которых соблюдается посто-i=\

тетю условий плавания (у/-const); 1, - время движения на данном участке >ассы Sj; - часовой расход топлива на данном участке трассы S,. Решение дачи состоит в выборе на всех отрезках трассы, чтобы соблюдалось равен-во (11), а функция (10) достигала бы минимума. Остановимся на приближении решении, точность которого порядка 0.2 - 1.5%.

Приближенное решение основано на знании минимального времени дви-ения на данной трассе, исходя из работы судовой энергетической установки 1 номинальной внешней характеристике. Данный режим работы позволяет шти средние скорости и,т на отрезках трассы Sj и соответственно рассчитать

rr i т. Si время i, для всех S,, а затем по формуле lm = —— н--н---+---- на!

и\т и2т Щ т v4m ти Тт. В качестве подвижной системы при моделировании процесса расход топлива используется грузовой теплоход проект № 507 типа "Волго - Дон Основные данные этого теплохода следующие; полное водоизмещение 6755 ■ грузоподъемность 5300 т, длина 135 м, ширина 16.5 м, средняя осадка 3.5 ъ полная мощность двух главных дизелей 1470 кВт при частоте вращения 37 об/мин, максимальная скорость движения на глубокой воде 20.3 км/ч. Для мс делирования выбрана трасса между городами Волгоград и Астрахань, проп женностью 467.8 км. Характер трассы оценивается с помощью относительно глубины фарватера Н/Т, которая обозначена через параметр у/. Глубина опр< делялась по лоции реки Волга.

Проведенный анализ процесса управления и причин, влияющих на то1 ность осуществления рациональных управлений дизельной установкой, позвс ляет сделать ряд важных выводов, лежащих в основе синтеза программных сш тем управления:

1. Управление расходом топлива и моторесурса зависит от комплекс причин: состояния дизеля на данный момент времени, внешних причин, темпе ратурного режима работы систем охлаждения и смазки, характера распредели ния нагрузки между дизелями, характеристик гребных винтов и корпуса судн< количества груза на судне.

2. При осуществлении программы управления под объектом следуе понимать систему корпус судна - винты - дизеля, характеристики которог принципиально отличаются от отдельного изолированного дизеля.

3. Объект управления — это сложная многосвязная система с переме! ными параметрами, в которой существует естественная связь между дизелями многовальной установке, что приводит к взаимозависимости режимов работ! каждого из них.

Пятая глава. В петой главе разрабатываются алгоритмы автоматизиро-^ного V?!».тения судами и группами Волыпое место уделяется экстраноля-

и движения; что является необходимым при планировали процессов обра-________

тки судов в портах и процесса шлюзования. Синтезируются алгоритмы равлашя судами при движении в строю, при обгоне и расхождении. Для оп-мизации этих алгоритмов применяется принцип максимума. На основе выбо-условий трансверс&тьности полученные алгоритмы в качестветшом виде иводятся к количественной форме. Экстраполяция параметров движения не-ходима для прогнозирования прибытия судов в промежуточные плп копеч-ю пункты, для коррекции движения, для обеспечения непрерывности поступим информации в пункты управления. В зависимости от поставленных целей лраполяция осуществляется в опережающем или в реальном масштабе вре-ни. С ее помощью могут прогнозироваться такие параметры как время, путь, эрость, место встречи судов или обгона и т. п. Экстраполяция может осуще-зляться в пассивном режиме, когда судно управляется автономно и в актив-м режиме осуществляется, когда управление судном производится и авто-мпыми и неавтономными средствами управления. "Увеличить точность экст-поляции можно путем сравнения истинного движения с прогнозируемым с следующей коррекцией модели прогноза.

Отсюда вытекает задача определения точек коррекции движения на трас-Коррекция основывается на точном измерении параметров движения в за-нной точке и в определенное время. Суть коррекции состоит или в изменении ограммы движения судна (режимов ДЭУ) или же в изменении параметров •дели. Но, как то, так и другое, преследует одну цель - ликвидировать или ;сти к заданному пределу ошибку прогноза на следующем этапе движения.

Особенности и этапы выработки цели взаимодействия отдельных подсис-л в транспортном процессе. Будем называть подобные взаимодействия коа-циями, а образующиеся при этом новые системы коалиционными (КС), тупление в коалицию вызывается необходимостью более качественного вы-

нолнения поставленной цели, или же когда цель просто не может быть достш нута без коалиционных объединений.

КС имеют свое системное время существования, которое определяете такими этапами;

- целеообразование;

- создание коалиций;

- развитие КС;

- устойчивое функционирование;

- затухание;

- распад КС.

Это время определяется скоростью достижения цели и масштабность* систем образующих КС. КС обладают свойством эмергентности, так как и свойства нельзя свести к свойствам систем их образующих. Отличием КС о других типов систем является переменность структуры и связанная с этим ди намика изменения количества подсистем, участвующих во взаимодействиях.

Для решения задач расхождения судов в настоящее время широко приме няются геометрические методы. Они дают решения только в статическом вид и неудобны при использовании ЭВМ. Такой подход оправдан, когда поверх ность, на которой решается задача, является открытой. Введение ограниченш на поверхность требует осуществлять решение с учетом динамики. В качеств! таких ограничений в речных условиях могут быть берега, ширина фарватера ] т. п. Созданы модели обгона и расхождения двух судов с учетом и без учет; инерции изменения курсовых углов у/ и (р.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

При выполнении диссертационной работы получены следующие основ ные результаты:

1. На основе системного подхода к анализу функционирования систеь управления группой судов, судном и судовой энергетической установкой

рмулирована и обоснована необходимость функционального, морфологиче-то и информационного описания для решения задач, решаемых при их авлешш. Произведена структуризация взаимодействия судов, технических чств связи, шлюзовых каналов, центральных постов управления, портов. >снованы энергетические характеристики и критерии движения судна.

2. Сформирован комплекс математических моделей движения судна, шней среды и судовой дизельной энергетической установки, который попил разработать процедуру формализации расчета нагрузок действующих на но в процессе управляемого движения.

3. Предложен и реализован метод многомерной экстраполяции для ли-ризации полиномов описывающих характеристики судовых комплексов, спечивающий значительное снижение вычислительных затрат при модели-ании на ПЭВМ, который позволил на основе вычислительных эксперимен-определить экстремальные возможности судовых комплексов с учетом раз-

шй используемых дизелей, т. е. при наличии асимметрии, как при движении курсу, так и при криволинейном движении. Результаты моделирования по-(епных в работе уравнений адекватны натурным испытаниям на теплоходе 576 при различных водоизмещениях.

4. Разработан способ оценки энергетических затрат для изменяющихся щшш плавания при известных характеристиках двигателя и потребителя по-1ЛЯТОЩИЙ обеспечить точность расчетов около 0,2 1.5 %. Предложеп новый числительный алгоритм оценки расхода топлива для ДЭУ с учетом скорости ща и глубины фарватера, а также при движении по шлюзовому каналу, что молило минимизировать его величину с учетом изменения внешних усло-¡5.

5. Разработаны алгоритмы автоматизированного управления группой 3,0в для режимов обгона, расхождения, прохода шлюзов и разводных пролез мостов в г. Санкт-Петербурге, при движении за лидером на основе вычис-

литсльной реализации процедур активной и пассивной экстраполяции шрама ров движения и характеристик ДЭУ.

6. Получены качественные и количественные рекомендации по сове{ шенствованию систем автоматизированного управления судном с целью повь шения точности работы (обработки управляющего сигнала), а также при дв( жении судна за лидером или при обгоне и расхождении судов.

7. Результаты исследований внедрены в организациях Речфлота РФ, I Волго-Донском судоходном канале и в НПФ "Меридиан", и могут быть испол] зованы как в учебном процессе, так и при разработке алгоритмического обесп< чения компьютерных тренажерных комплексов по подготовке операторов с; довождения и судомехаников.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ ИЗДАНИЯХ:

1. Кулибанов М. Ю. Групповое поведение в системах человек-машине Сб. научных трудов "190 лет транспортного образования" СПб.: СПГУВ] 1999. с.184-188.

2. Кулибанов М. Ю. Особые управления в задачах оптимизации расхо, энергии при движении транспортных судов / Сб. научных трудов "Методы пр кладной математики в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1998. с. 13 136.

3. Кулибанов М. Ю. и др. Особые управления в человеко-машинш системах оптимизации расхода топлива / Сб. научных трудов "Методы пр кладной математики в транспортных системах" выпуск II, СПб.: СПГУВ 1998. с. 78-83.

4. Кулибанов М. Ю., и др. Экосистема как объект автоматизированно управления / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в траг портных системах" СПб.: СПГУВК, 1998. с.137-141.

5. Кулибанов М. Ю, Кулибанов Ю. М. Использование программных

лочек для исследования типовых еисгсч управления ' Научно-методическая ференция - 98;тезисы докладов часть И СПб.: СПГУВК, 1998. с. 57.

6. Кулибанов М. ТО, Амами Хатем Локальные вычислительные сети с оригсгным обслуживанием топлива / Сб. научных трудов "Методы при-лной математики в транспортных системах" выпуск ¡1, СПб.: СПГУВК, 8 с 10-15

7. Кулибанов М. Ю. Коалиционные системы и их свойства / Сб. науч; трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" вы-к III, СПб.: СПГУВК, 2000. с. 91-95.

t'/TS'ßM i/tU{ S.iy^/C/Sb

Введение.

Глава 1. Движение судов как сложный процесс управления.

1.1 Качественные характеристики водного транспорта.

1.2 Характеристики движения и взаимодействия судов.

1.3 Энергетические характеристики и критерии движения судна.

1.4 Судовые комплексы как человеко-машинные системы.

Глава 2. Математические модели основных видов движения судов.

2.1 Общие концепции разработки математических моделей.

2.2 Исходные математические модели.

2.3 Использование сплайнов для формализации действующих на судно сил и моментов.

Глава 3. Линейные модели динамики судовых комплексов.

3.1 Основы линеаризации.

3.2 Линейные модели.

3.3 Исследование линейных моделей судовых комплексов.

3.4 Исследование взаимосвязанности энергетических установок в судовом комплексе.

Глава 4. Управление судовой энергетической установкой для минимизации расхода топлива.

4.1 Определение минимального расхода топлива.

4.2 Минимизация расхода топлива при движении по речному фарватеру.

4.3 Минимизация расхода топлива при движении по каналу.

4.4 Анализ влияния условий эксплуатации СЭУ на выполнение программы автоматизированного управления.

Глава 5. Алгоритмы автоматизированного управления судами.

5.1 Задачи экстраполяции движения.

5.2 Пассивная экстраполяция.

5.3 Активная экстраполяция.

5.4 Управление строем судов.

5.5 Управление боковым движением судна при обгоне и расхождении.

Повышение требований к безопасности и экономическим характеристикам морских и речных судов требует дальнейшего совершенствования автоматизированных систем управления судов и их энергетических установок на основе реализации современных ресурсосберегающих понятий как при проектировании, модернизации систем управления, так и при настройке и наладке их в процессе эксплуатации на внутренних водных путях. Эта проблема решается различными путями, одним из которых является совершенствование процессов моделирования как основы обоснования принятия решений по выбору режимов работы судовых энергетических установок, рационального управления движением групп судов в узкостях, каналах, бьефах, внутренних водных путях.

Наиболее эффективным средством обеспечения безопасности и экономичности систем управления энергетической установкой, судном и группой судов является использование либо бортовых информационных систем поддержки принятых решений, либо совершенствование алгоритмического обеспечения самих систем управления за счет расширения или улучшения моделей реализуемых законов управления путем учета большего числа факторов влияющих на функционирование судна и его элементов.

Управление движением судна осуществляется человеком путем воздействия на задающие органы систем управления энергетической установкой и рулевого устройства.

Всю рутинную работу по регулированию (стабилизация частоты вращения гребных винтов, курса судна и т. п. параметров) выполняют автоматические системы. Человек здесь выполняет роль звена принимающего решения, т.е. в данной человеко-машинной системе имеет место акт принятия решения. Это означает, что на основании поступающей информации человек выбирает маршруты движения, режимы работы энергоустановки, решает задачи обгона, расхождения, входа и выхода из шлюза, обеспечивает безопасность плавания в сложных метеоусловиях.

Подобные человеко-машинные комплексы называются большими [44, 48]. Исследование данных систем наиболее эффективно осуществляется с помощью математических моделей, так как эксперименты над всей системой затруднены с позиций технологических и экономических факторов, исследования же отдельных частей этой системы не позволяют дать целостной картины из-за несводимости свойств этих частей к свойствам их совокупности [48].

Транспортное судно в процессе перевозки грузов взаимодействует с внешней средой. Оно рассматривается как подсистема другой более высокой или низкой по вертикальной иерархии системы, которая является внешней несобственной по отношению к собственной.

Отсюда над внешней средой далее будем понимать все материальные, информационные, энергетические устройства, объекты, процессы, с которыми осуществляется взаимодействие собственного транспортного судна.

Взаимодействия судна со средой могут быть случайными или детерминированными.

Случайные взаимодействия возникают при действии на судно ветра, волнения водной поверхности, глубины и ширины фарватера. Получение управлений здесь связано с вероятностными оценками.

Детерминированные взаимодействия могут быть предсказаны достаточно точно по времени и фазовым координатам. Они носят технологический характер, объективно необходимый, без которого немыслимо выполнение заданной цели движения судна. Примерами таких взаимодействий является шлюзование, движение по судоходному каналу, расхождение со встречными судами, обгон, движение в строю. Целью данных взаимодействий является вход и выход из шлюза за минимальное время, движение без простоев с максимальным обеспечением безопасности.

Взаимодействия технологического характера существуют в течении отрезка времени, который определяется выполнением данной операции или их совокупности.

Рассматривая взаимодействия собственного судна со средой, следует придерживаться принципа относительности. В соответствии с ним выделенная для анализа подсистема может рассматриваться как самостоятельная и как часть другой системы, в которую она входит. Это важно при разработке методологии исследования процесса движения судов и создания алгоритмов и программ управления данным движением. Данный принцип позволяет создавать теоретические модели автономного движения судна с учетом его взаимодействия с внешней средой на основе конкретных конструкций информационных связей.

Цели и задачи данных исследований состоят в: исследовании закономерностей, лежащих в основе оптимальных режимов движения судна; создании комплексных критериальных оценок автоматизированного управления режимами движения судов в различных условиях плавания; разработке процедур формализации нагрузок действующих на судно в процессе управляемого движения; выявлении экстремальных возможностей судовых комплексов при автоматизированном управлении; разработке методов оценки энергетических затрат для изменяющихся условий плавания; исследовании динамических и статических свойств многовальной энергетической установки, работающей в условиях быстроменяющейся нагрузки; получении алгоритмов автоматизированного управления судном с помощью собственных и стационарных (несобственных) систем при ограничениях на фазовые координаты и управляющие воздействия; исследовании и разработке алгоритмов автоматизированного управления группой судов при обгоне, расхождении, проходе шлюзов и разводных пролетов мостов, при движении за лидером; создании теоретических основ для синтеза технических средств и выбора аппаратного обеспечения систем автоматизированного управления, как отдельным судном, так и группой судов.

На защиту выносятся следующие научные положения: закономерности, лежащие в основе оптимальных режимов движения судов для различных условий эксплуатации; комплексные критериальные оценки автоматизированного управления режимами движения судов в различных условиях плавания; процедуры формализации нагрузок, действующих на судно в процессе управляемого движения; оценки энергетических затрат для изменяющихся условий плавания; динамические и статические свойства многовальной энергетической установки как объекта автоматизированного управления, работающей в условиях быстроменяющейся нагрузки; алгоритмы автоматизированного управления судном с помощью собственных и стационарных (несобственных) систем при ограничениях на фазовые координаты и управляющие воздействия; алгоритмы автоматизированного управления группой судов при обгоне, расхождении, проходе шлюзов и разводных пролетов мостов, при движении за лидером.

Методологией проводимых исследований является системный подход, позволивший проанализировать влияние на управляемое движение судна комплекса факторов, как внешнего, так и внутреннего характера, их взаимодействие, целеобусловленность, иерархию, координацию.

Методики исследований основаны на кибернетических подходах в изучении сложных (больших) систем, какой является судно или их совокупность. Здесь надо прежде отметить пассивный и активный эксперимент, математическое моделирование, методы оптимального управления.

В основу создания математических моделей положены физические принципы и там, где выявить их трудно по ^ем или иным причинам, используются концепции и гипотезы, основанные на интуитивных понятиях и естественном интеллекте.

Адекватность моделей доказывается на данных эксперимента или с помощью анализа поведенческих принципов исследуемых объектов.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение

На основе теоретических исследований задач моделирования процессов автоматизированного управления движением судов на внутренних водных путях, анализа статистических и экспериментальных данных, как при эксплуатации, так и при проектировании рассматриваемых систем управления, а также исследовательского цифрового моделирования в вычислительной среде на ПЭВМ и сетях ПЭВМ по оценке влияния конструктивных, технологических и алгоритмических решений по управлению судами и судовыми энергетическими установками получены следующие ниже научные результаты:

1. На основе системного подхода к анализу функционирования систем управления группой судов, судном и судовой энергетической установкой сформулирована и обоснована необходимость функционального, морфологического и информационного описания для решения задач, решаемых при их управлении. Произведена структуризация взаимодействия судов, технических средств связи, шлюзовых каналов, центральных постов управления, портов. Обоснованы энергетические характеристики и критерии движения судна.

2. Сформирован комплекс математических моделей движения судна, внешней среды и судовой дизельной энергетической установки, который позволил разработать процедуру формализации расчета нагрузок действующих на судно в процессе управляемого движения.

3. Предложен и реализован метод многомерной экстраполяции для линеаризации полиномов описывающих характеристики судовых комплексов, обеспечивающий значительное снижение вычислительных затрат при моделировании на ПЭВМ, который позволил на основе вычислительных экспериментов определить экстремальные возможности судовых комплексов с учетом различий используемых дизелей, т. е. при наличии асимметрии, как при движении по курсу, так и при криволинейном движении. Результаты моделирования полученных в работе уравнений адекватны натурным испытаниям на теплоходе пр. 576 при различных водоизмещениях.

210

4. Разработан способ оценки энергетических затрат для изменяющихся условий плавания при известных характеристиках двигателя и потребителя позволяющий обеспечить точность расчетов около 0.2 -ь 1.5 %. Предложен новый вычислительный алгоритм оценки расхода топлива для ДЭУ с учетом скорости судна и глубины фарватера, а также при движении по шлюзовому каналу, что позволило минимизировать его величину с учетом изменения внешних условий.

5. Разработаны алгоритмы автоматизированного управления группой судов для режимов обгона, расхождения, прохода шлюзов и разводных пролетов мостов в г. Санкт-Петербурге, при движении за лидером на основе вычислительной реализации процедур активной и пассивной экстраполяции параметров движения и характеристик ДЭУ.

6. Получены качественные и количественные рекомендации по совершенствованию систем автоматизированного управления судном с целью повышения точности работы (обработки управляющего сигнала), а также при движении судна за лидером или при обгоне и расхождении судов.

7. Результаты исследований внедрены в организациях Речфлота РФ, на Волго-Донском судоходном канале и в НПФ "Меридиан11, и могут быть использованы как в учебном процессе, так и при разработке алгоритмического обеспечения компьютерных тренажерных комплексов по подготовке операторов судовождения и судомехаников.