автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Повышение качества функционально-надежностного построения комплексов управления судовыми техническими средствами

На правах рукописи УДК 629.12.05-021.465:6815

Нгуен Ван Лам

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНО-НАДЕЖНОСТНОГО ПОСТРОЕНИЯ КОМПЛЕКСОВ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

Специальность 05 13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2004

Работа выполнена в Балтийском Государственном Техническом Университете "ВОЕНМЕХ" имени Д.Ф.Устинова

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Ледовский Анатолий Дмитриевич.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Ушаков Анатолий Владимирович.

- кандидат технических наук, доцент Ильиных Юрий Владимирович.

Ведущая организация

- Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской Академии Наук (СПИИРАН).

Защита состоится 28 декабря 2004 года в 11 50 на заседании диссертационного совета К212.010.02 Балтийского Государственного Технического Университета им. Ф.Д.Устинова по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГТУ

Автореферат разослан 22 ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного <

к.т.н., доц.

/В.Ю.Емельянов/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Повышение эффективности комплекса управления судовыми техническими средствами (КУ СТС) является важнейшим фактором совершенствования современных автономных подвижных морских объектов (АПМО). На этапе разработки новых АПМО за счет принятия и внедрения прогрессивных схемных и технических (компоновочных) решений, а также путем выбора соответствующих законов управления с учетом действия внутренних и внешних возмущений всегда ставится цель обеспечить преобладание характеристик этих АМПО над существующими. Для достижения этой цели весьма актуальной является научно-техническая проблема повышения качества функционально-надежностного построения важнейшей составной части АПМО - комплекса управления судовыми техническими средствами.

Современный этап развития технических систем и теории автоматического управления, в том числе КУ СТС, характеризуется разработкой высококачественных, конкурентоспособных систем управления (СУ), основанных на неклассическом подходе к вопросу автоматизации всего процесса управления судами в сложных условиях их функционирования. Наблюдается тенденция перехода от аналогового к цифровому способу технической реализации СУ, характеризующаяся разработкой новых неклассических принципов и методов управления, направленных на повышение их качества. Однако вопрос целесообразности, необходимости и полезности такого перехода изучен и обоснован всё ещё недостаточно.

При исследовании реальных СУ большое внимание уделяется задачам оценки их качества при наличии большого количества источников стохас-тичности на различных этапах "жизни" судна. В последнее время решение таких задач получило новое развитие, основанное на неравенстве П.Л.Чебышева, модифицированном А.М.Куриленко.

Однако, несмотря на успехи, имеющиеся в работах по этой проблеме, многие вопросы, представляющие как практический, так и теоретический интерес, остаются недостаточно изученными. Это обстоятельство и послужило причиной выбора настоящей темы диссертации.

Для комплекса управления СТС, представляющего собой сложную человеко-машинную динамическую систему управления вопрос повышения качества является одним из важнейших при его проектировании (модернизации), в процессе производства и эксплуатации, учитывая расширение круга решаемых задач, стоящих перед судами различного класса и предназначения. Работа по данным вопросам выполняется в соответствии с Государственной программой строительства современных судоаж). Вьетнаме.

С О С. К4Ц БИБЛ СПе 09

Целью диссертационной работы являются исследование и разработка вопросов оценки качества КУ СТС, предназначенных для решения задач совершенствования судна (носителя) в целом.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решаются следующие задачи:

1. Анализ условий эксплуатации определенного класса судов и их технических средств, формулирование целевой функции и требований к структуре и составу КУ СТС на базе учета задач совершенствования самого судна.

2. Определение перечня показателей качества функционирования КУ СТС, позволяющих обеспечить выполнение предписанной судну целевой функции с требуемым эффектом.

3. Анализ влияния случайных параметров на показатели качества функционирования КУ СТС и построение стохастических математических моделей, описывающих шкое функционирование.

4. Разработка вероятностных оценок качества функционально -надёжностного построения КУ СТС при одноканальном и при многоканальном способах управления, а также при наличии внутренних и внешних источников стохастичности в этих комплексах.

5. Разработка алгоритмов, позволяющих определять показатели качества функционирования КУ СТС.

6. Обоснование целесообразности, необходимости и полезности перехода от аналогового к цифровому управлению на примере системы стабилизации курса (ССК) судна.

7. Выработка рекомендаций по внедрению результатов проведенных исследований.

Методы исследования. При решении поставленных задач используются метод пространства состояний, современная теория автоматического управления, 1еория ешхаешчееких систем, теория матриц, основные положения интервальных вычислений, математическое моделирование, универсальный программный пакет MATLAB-SIMULINK.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Применены стационарные стохастические линеаризованные математические модели, корректно отображающие функционирование динамических (с высокой инерционностью объектов - АПМО) систем при ограниченном числе основных режимов работы, а также малой чувствительно -сти этих систем к изменению собственных стохастических параметров.

2. Разработана и доказана новая методика локализации источников,, стохастичности в стационарных уравнениях при вычислении моментов переменных состояний.

3. Предложена и апробирована новая методика определения показателей качества функционирования КУ СТС, основанная на использовании элементов интервальной математики и модального управления.

4. Строго обоснованы целесообразность, необходимость и полезность перехода от аналогового к цифровому управлению, обеспечивающему повышение качества КУ СТС.

Практическая ценность работы определяется следующим:

1. Обоснована возможность использования элементов интервальной математики и модального управления для оценки показателей качества функционирования КУ СТС;

2. Выработаны рекомендации по повышению качества КУ СТС путём введения резервных (дублирующих) конструктивно самостоятельных каналов управления;

3. Обеспечена возможность применения разработанных алгоритмов при моделировании существующих и разрабоше новых cucie-м управления судовыми техническими средствами и в учебном процессе университетов.

Апробация результатов работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на различных семинарах и конференциях, а именно:

1. на международной конференции по мягким вычислениям и измерениям, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. 25-27 June SCM'2003;

2. на XXXIV Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО, Санкт-Петербург, 2004;

3. на II Всероссийской научной конференции "Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB", 25-26 мая 2004 г,

4. на семинарах кафедры Систем обработки информации и управления БГТУ "ВОЕНМЕХ".

Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Стационарные стохастические линейные (линеаризованные) математические модели, описывающие функционирования КУ СТС в основных режимах работы и применение алгебры Кронекера и осреднение математических моделей относительно моментов фазовых координат любого порядка для их решения;

2. Методика локализации источников стохастичкости в стационарных стохастических матричных уравнениях при вычислении моментов переменных состояний;

3. Применение элементов интервальной арифметики и положений теории модального управления для определения показателей качества функционально-надёжностного построения КУ СТС;

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинного текста и состоит из введения, четырех глав, списка литературы (76 наименования).

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определён круг решаемых задач, дана краткая характеристика работы.

В первой главе осуществляется выбор объекта исследования, который представляет собой КУ СТС и является частью АПМО (суда, плавающие средства и т.п.). Рассмотрены условия эксплуатации определенного класса АПМО и комплексов их технических средств. Сформулирована целевая функция, предписанная АПМО: АМПО с помощью комплекса управления его техническими средствами должен перемещаться из точки А пространства в точку В с погрешностью ±ААВ за заданное время Т с погрешностью ±АТ в условиях действия пассивных и активных помех.

Для достижения предписанной ему целевой функции АПМО оснащён органом управления (ОУ), который с точки зрения технической реализации может быть назван комплексом управления. Целевой функцией этого комплекса является "обеспечение безотказного и безаварийного функционирования технических средств и систем АПМО с требуемым эффектом при любых реальных обстоятельствах".

Известно, что судовые комплексы и системы для обеспечения эффективной и безаварийной эксплуатации в соответствии с заданными требованиями при их разработке должны отвечать следующим основным принципам технической реализации:

- принципу иерархической автономности;

- принципу структурно-функциональной независимости;

- принципу объективной достаточности;

- принципу многоканального управления.

Базируясь на этих принципах, можно в качестве инструмента исследований КУ СТС применять отдельные (локальные) математические модели динамических систем управления по каждому конструктивно самостоятельному каналу и для каждого уровня иерархии, иными словами к КУ СТС применима операция декомпозиции.

Кроме того, свойство фильтра низких частот, которым обладают динамические системы в силу высокой инерционности их объектов (процессов), позволяет использовать для их исследования аппарат линейных (линеаризованных) уравнений состояний.

В работе рассмотрены в качестве методического примера основные задачи, стоящие перед АПМО в различных специфических условиях экс-

плуатации. Сформулированы для обеспечения их эффективного и безаварийного выполнения группой АПМО функциональные требования; в качестве рабочего варианта предложены функциональные схемы, обеспечивающие удовлетворение этим требованиям.

Далее поставлена задача оценки качества функционально-надежностного построения КУ СТС.

Совокупность показателей качества КУ СТС может быть разделена на три группы:

1. Показатели качества функционирования, характеризующие динамические свойства, такие как точность (отклонения положения, скорости и т.д.), быстродействие и т.п.

Вектор показателей качества функционирования технической системы имеет вид:

а = ал)

Если определить набор значений для показателей (1.1) областью

л = (у,... 3т ... 3м У,

в которую включены граничные значения области эффективного функционирования:

(1.2)

и предельные значения области безаварийного функционирования (безаварийной эксплуатации):

гр (1.3)

где М1,М2^М- общее число набора показателей качества, и если значения всех показателей (1.1)

. (1.4)

то КУ СТС обеспечивает некоторое качество функционирования.

2. Показатели надёжности, характеризующие вероятность безотказной работы КУ СТС и обеспечивающие при эксплуатации безотказную работу технической части системы. Это, прежде всего, вероятность безотказной работы:

ех:

/ -р V о

(1.5)

где

МО

интенсивность отказов,

время непрерывной работы рас-

сматриваемого технического устройства.

3. Обобщенные показатели качества КУ СТС, которые характеризуют все то, что не вошло в перечисленные выше первые две группы показателей. Это, прежде всего, масса, габариты, стоимость и т.д.

Установлено, что характеристики функционирования КУ СТС из-за множества различных случайных факторов могут быть при проектировании заданы, а в процессе производства и эксплуатации оценены только вероятностью их обеспечения.

В заключение рассматривается возможность решения задачи строгого согласования вероятностных мер трёх взаимно противоречивых групп показателей качества (функционирования, надёжности и обобщённых показателей).

Во второй главе рассматривается общая универсальная нелинейная математическая модель, описывающая функционирование АПМО:

= 0;х(го)=хо;у = 5Р(х,и,1м) (2.1)

Ф

сЫ.

где х> ~ 6 Л _ вектор-столбец фазовых координат (переменных состояния) и вектор-столбец их производных, а х0 е Я' - вектор-столбец начальных значений этих координат; ИбЛ' - вектор-столбец внешних переменных (управляющих и возмущающих воздействий), в том числе содержащих случайные составляющие; Ц е Я " - вектор-столбец случайных параметров с произвольными законами распределения его составляющих; Ф € ^ - вектор-функция; / - аргумент (время) с начальным значением

t = t(¡•,Чf - вектор-функция; у - вектор-столбец выходов. . С помощью вектора Ц в модели (2.1) учитывается разброс параметров, имеющий место в КУ СТС в процессе проектирования, производства и при эксплуатации.

- В основных балансировочных режимах работы рассматриваемых систем характерны малые изменения внешних воздействий. При малых отклонениях собственных параметров системы (свойство робасткости), это позволяет осуществить линеаризацию рассматриваемого вида математических моделей (2.1) ошосительно некоторой "рабочей точки" и получить уравнения состояний вида:

^Х=А(ц)х+в(ц)и. (2.2)

Применением известной теоремы теории вероятностей о связи их дисперсий со вторым начальным моментом и квадратом первого начального момента определяется искомый вектор дисперсий:

При малой чувствительности стохастических математических моделей по отношению к изменению случайных параметров в (2.3) и (2.4) можно ограничиваться рассмотрением только первых двух членов разложения в ряд Тейлора для стохастического оператора свободного движения. Иными словами, можно пользоваться осреднёнными уравнениями относительно соответствующих моментов переменных состояний при нормальных законах распределения составляющих вектора случайных параметров:

Показано, что при интегрировании стохастических уравнений состояний матрица собственных векторов системы Н всегда детерминирована и может быть определена из матрицы состояния при равенстве составляющих вектора случайных параметров значениям их математических ожиданий. Это обстоятельство позволяет свести задачу оценки качества КУ СТС к исследованию модальных характеристик, построенных на спектре собственных чисел матриц состояния системы.

М[Л(н)]=н-1М[А(ц)]Н

При осреднении стохастических математических моделей КУ СТС рассмотренного вида и обеспечении устойчивой работы самих систем в основных режимах работы было выявлено, что влияние случайных параметров на динамические свойства этих математических моделей, малочувствительных по отношению к изменению случайных параметров (свойства ро-бастности), заметно сказывается только при длительном времени I = Т \

* = Г = тт{ша8(- Афе(л(ц))](<)")),

которое можно назвать "временем сохранения устойчивого состояния" или "временем безотказного функционирования" КУ СТС.

В скалярной форме (2.2) имеет вид:

сЬс,

—- = а.,х. + а

Л ¿х сН

ПЛ1

— + +Ьпи, + Ьпи2+... + Ь10ие;

2_ _

= а21х, + а22х2... + ои*, + 62,м) + Ъгхи2 + ... + Ъ2(,иу;

(2.7)

1Г

а$1х, + ... + а^Хц + 6мм, + ЬХ2иг +... + Ьк>ид.

Добавим в (2.7) з-д входов:

А.

сЫ,

Если в (2.2) при любых значениях коэффициентов Ьу / = +1,5)

V; = (Г^?) элементы вектора управления ы^у/= (¡2 + 1,5) торжественно

равны нулю, то (2.8) переходит к (2.7) или, что есть то же самое, к (2.2). Если (2.8) записать в матричной форме:

^Х = Ах+Й0, (2.9)

Ж

и

где В - квадратная матрица размерности (5x5); и - вектор управления размерности (5x1), имеющий последние (5-0 + 1) элементы, равные

нулю и если матрица В окажется невырожденной, т.е. имеет обратную матрицу В*'. Тогда умножая (2.9) слева на эту матрицу В"', получим:

б"1 Лх = Ё1 А х+ б'Йй = Й"1 Абб'х + 6'Ёй.

Л

При переходе к стохастическому виду, можно записать:

¿г

(2.10)

где А(ц) = Й-'(ц)А(ц)в(ц); 2 = Й'х и - =В

г/х

Л ' л'

Показаны возможность и необходимость использования перед операцией осреднения полученной таким образом локализации источников сто-хастичности в модели (2.2). Это позволяет получить более полную информацию о влиянии случайных параметров на качество КУ СТС.

Предложена методика выбора дополнительных элементов матрицы 6 в (2.9), позволившая минимизировать её число обусловленности по сравнению с исходной матрицей В в (2.2).

В третьей главе рассматриваются математические основы построения вероятностных оценок качества функционально-надёжного построения КУ СТС, основанные на применении модифицированного неравенства Чебы-шёва - неравенства Чебышёва-Куриленко. Задача решается для процесса проектирования, производства и эксплуатации КУ СТС.

Для случайной величины г , представляющей аддитивную сумму П некоррелированных (независимых) случайных величин с ограниченными моментами к-того порядка модифицированное неравенство Чебышёва может быть записано следующим образом:

2 <8а\>

,2 \

\/еае[0,со).

предельный переход и—юо приводит (3.1) к виду:

_2 \

Если нестрогое неравенство (3.2) заменить равенством

(3.1)

(3.2)

(3.3)

то будет получено нижнее граничное значение вероятности рассеивания

случайной величины 2 за пределы области, ограниченной величиной Е а .

Показано, что для построения вероятностных критериев оценки безотказности (безопасности) управления и численной оценки качества широкого класса КУ СТС может быть применено модифицированное неравенство Чебышёва (3.3).

Если выбрать в качестве вектора функционального запаса при эффективном (1.2) или безаварийном (1.3) функционировании КУ СТС векторную величину:

Вл=Л3-АГИ, (3.4)

то можно получить вероятностную оценку качества функционирования КУ СТС по всем м составляющим векторного показателя функционирования I (1.1) в виде:

1 = Ь^е*" (3.5)

или для каждой из М составляющих вектора J :

X Г = ехР

Г „2 \

П1

Ут = {1,м). (З.б)

Выражения (3.5) и (3.6) позволяют оценить вероятность того, что абсолютная величина отклонения составляющих вектора | 3 | по М составляющим вектора I , т.е. V, т = (1, М ) не превысит соответствующего значения составляющих вектора функционального запаса с вероятностью не менее чем соответствующее значение составляющих вектора

Предложенный показатель качества (3.6) вместе с (1.5) представляют собой вероятностные меры, полученные путем применения одного и того же экспоненциального оператора, и поэтому являются строго согласованными.

Отсюда вытекает критерий "безотказности (безопасности) управления" КУ СТС, численные оценки которого включают в себя функциональную и надежностную составляющие:

=& = еЛ~ ч. М- ч,)

где

г _ ут - (\ ~ - функциональный отказ. Л" О2, V ' '

" м

Далее получена полная вероятностная оценка качества функционирования одноканального КУ СТС по всем М показателям:

т=\

и вероятность безотказного (безопасного) управления КУ СТС:

м

т=1

(3.7)

Таким образом, подтверждено следующее утверждение: если известны показатели надёжности КУ СТС, то показатели качества функционирования не должны превышать их вероятностной меры, так как суммарный вероятностный показатель всегда меньше наименьшего из сомножителей (3.7).

Далее показано, что при наличии внешних возмущений суммарный функциональный отказ в (3.7) будет иметь вид:

= (3.8)

где - функциональный отказ от стохастичности оператора свободного

движения, - функциональный отказ по причине наличия стохастических составляющих в возмущающих воздействиях.

Получены также оценки качества КУ СТС, описываемых нелинейными моделями, к которым применен метод гармонической линеаризации и получены системы уравнений относительно амплитуд и частот режимов автоколебаний. При этом показано, что если в ТЗ заданы величины допустимых параметров режимов автоколебаний (их амплитуды и частоты), которые малочувствительны к изменению случайных параметров, то, используя неравенство Чебышёва-Куриленко (3.6), можно определить вероятности появления автоколебаний соответствующей амплитуды и частоты.

Для КУ СТС, имеющих конструктивно самостоятельных каналов управления, один из которых основной, а остальные резервные (дублирующие) с учетом невозможности одновременной работы более одного канала управления численная оценка качества функционально-

надёжностного построения по } = (1, тп) выбранным показателям определяется критерием вида:

К(Ф, Н) = П X,я(„ Ь -11 (1 - Л-

,=\ V а1 Л /=1 У

(3.9)

Я(ФД) =

'Бк

\

.(3.10)

где - схемно-конструктивный отказ и - функциональный отказ элементов соответствующего канала управления. При допущении о взаимонезависимости целей управления, заданных у = (1, /я) граничными значениями, оценка качества (3.9) при многозначной цели управления с Р способами управления будет:

-' а 1/ (

V гл V <=4 1

Режим переключения КУ СТС с одного конструктивно самостоятельного канала на другой - особый режим работы многоканального управления. Качество функционально-надёжностного построения такого режима также определяется по критерию безотказности управления, принимающему вид:

Р{Р, +Т5())=^(-Т,) (3.11)

Показано, что к другим обобщенным показателям качества (таким, как стоимость С, масса ц, габариты р и т.п.) также применимо неравенство Чебышёва-Куриленко:

\

рц{с,Ър)=\- П

1-

ехр

\

-г

(3.12)

V 8=1 ))

Таким образом, полученные в третьей главе оценки (3.9), (3.10), (3.11), (3.12), строго согласованные по вероятностным мерам, позволяют оценивать качество КУ СТС по этим вероятностным оценкам качества функционально-надежностного построения и обобщенным показателям с учетом заложенных способов управления и соответствующих им конструктивно самостоятечъных каналов.

Четвертая глава посвящена практическому применению полученных результатов при решении проблемных вопросов повышения качества КУ СТС. Здесь представлены как теоретические, так и прикладные решения.

Теоретические решения связаны с применением интервальных вычислений в предположении о том, что случайный параметр системы при проектировании, производстве и в эксплуатации может быть представлен в виде интервального числа:

где = = ¡А;таг - верхняя и нижняя границы.

Следовательно, матрицы системы (2.2) также могут быть представлены в интервальной форме

а = [а, а]; В = [в, в] (4.2)

где матрица (*) представляет собой матрицу нижних границ, а (*) - матрицу верхних границ.

Для исследуемых систем управления, являющихся правильно спроектированными, т.е. малочувствительных (грубых) к изменению параметров и размеров большинство показателей качества тесно связано с их модами

(собственными числами матрицы А ). Из этого следует, что собственные числа матрицы системы также обладают свойствами грубости и являются случайными величинами, которые можно представить в интервальной форме:

Г. = [ЬХ], - (4.3)

где Ь = Н~' АН; Ь = Н-1 АН; Ь = Н"1 АН и Н - детерминированная

матрица из собственных векторов матрицы А.

При предположении о нормальном распределении собственных чисел в соответствующих интервалах для (4.3) определяются матрицы математического ожидания и дисперсии собственных чисел:

= 36

V/ = (!,«), (4.4)

которые по требуемым модам (показателям качества) дают объективную оценку качества систем управления.

На этой основе разработана следующая процедура определения показателей качества КУ СТС.

п.1. Ввести данные: заданные требования (1.2) и (1.3); номинальные параметры КУ СТС (матрицы м[а] и лф]), соответствующие допуски

на изготовление в процентах (%), при необходимости - пределы нормального (безаварийного) функционирования КУ СТС в процессе эксплуатации.

п.2. Проверить размерность матриц Л/[а] и Л/[в] , если Rank( М[В]) = Rank (AT [а] ) то перейти к п.5. В случае Rank(M[в]) < Rank (Л/[а] ) определить сингулярные числа S матрицы дф].

п.З. Выбрать ненулевой элемент (равный max(S) или min(S)) и составить дополнительную матрицу В,.

п.4. Составить квадратную матрицу Й = [в Bj] по (2.8).

п.5. По допустимым значениям изменения параметров определить верхние и нижние граничные матрицы А и 6 и составить соответствующие интервальные матрицы [а] = [а, а] и [б] = по (4.2).

п.6. Вычислить обратную интервальную матрицу

[вгЧй-'.г'].

п.7. Определить интервальную матрицу системы (2.10):

[А]=[А,А]=[вГ[А][в].

п.8. Используясь стандартную программу (например, пакет MAT-LAB), определить матрицу из собственных векторов Н и соответствующую ей интервальную матрицу собственных чисел [l] = [L,L] согласно (4.3).

п.9. Вычислить математические ожидания и дисперсии собственных чисел по (4.4).

п. 10. Рассчитать вероятностную оценку качества функционирования КУ по выбранным показателям согласно (3.7).

п.П.По известной методике рассчитать вероятность безотказной работы КУ.

п. 12. Рассчитать вероятностную оценку качества функционально-надёжностного построения КУ СТС по всем выбранным показателям (3.9).

В работе приведен пример оценки качества функционирования широко применяемой на практике системы стабилизации курса (ССК) судна, предназначенной для автоматической ориентации его продольной оси в заданном направлении движения.

ССК описьгаается моделью

x = (а - вк)х + cw, (4.5)

где

А =

0 1 0 0

0 а22 а2г Ъ2\

0 «32 «33 ъ22

0 0 0 0

"0" V " 0 0 '

;В = 0 ;х = 00 ;С = <?2, с22

0 Р с32

1 _6 0 0

м? 0

у л

Расчёт проведен для судна типа "Джейран", имеющего следующие характеристики: массу - 302 т, длину - 47 м, ширину - 16,8 м и движущегося с экономической скоростью 27,5 м/сек. Значения кинематических параметров сведены в Таблицу 4.1.

Таблица 4.1.

Расчетные значения кинематических параметров исследуемого судна

"Джейран"

«22 а23 «33 62| Ъ22 С21 С22 С31 С32

-0.0016 -0.32 1 -0.22 0.05 0.024 0.38 0.09 0.03 0.6

Закон управления в данном примере выбран из условия минимизации среднеквадратического критерия вида: 1 ^. 100 ](хтС>х+итКи]Л= ^с^+^-^фр+ХУ+Х862+М2^(4.6)

В соответствии с этим критерием с помощью программного пакета МАТЬАВ определён вектор коэффициентов обратных связей К = [31.6 40.9 -30.3 2.4].

Элементы матриц А, В, К, С в (4.5) вследствие разбросов параметров находятся в некоторых интервалах.

Судно должно нормально функционировать при волнении моря до 4 баллов. При этом внешними возмущающими воздействиями являются относительная величина постоянного возмущения (у? = 0.3) и поперечная составляющая приведенного угла волнового склона (9Т(?)), имеющая спек-

тральную плотность

5(ш)=.

л лл/^.л2

V* V V V

. Структурная схема спроек-

со4 -34со2 +336 тированной ССК (модель в среде БтиПпк) показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структурная схема ССК судна (модель в среде Simulink).

Результаты моделирования (рис. 4.2) показывают, что чем больше разброс параметров системы от номинальных значений АА(%), тем ниже вероятность безотказного функционирования при заданном требовании по модам DeltaL (рис. 4.2а). Установлено также, что с ужесточением требований к системе управления, т.е. со снижением DeltaL, вероятность безотказного функционирования уменьшается при тех же заданных разбросах параметров системы.

При цифровом способе управления коэффициенты обратных связей К представляют собой детерминированные значения. В связи с этим, изменяемые составляющие К по изложенным алгоритмам в зависимости от выбора конкретных балансировочных режимов работы КУ СТС (например, при адаптивном управлении) позволяют повысить вероятность безотказного функционирования (рис 4.26) по сравнению с традиционным аналоговым способом управления (рис 4.2в). Расчет по выбранному среднеквадра-тическому критерию качества (4.6) также показывает правильность предложенного в работе метода (рис 4.2с).

в с

Рис. 4.2. Зависимость вероятности безотказного функционирования РГ (ордината) от разбросов параметров системы, заданных в %-отклонении от номинальных значений (абсцисса) при известных требованиях по модам Бе^аЬ: а - При изменении элементов матрицы А; б - При изменении элементов матриц А, В, К; в - При изменении элементов матриц А, В, К и С; с - При изменении элементов матриц А, В, К и С и заданных требованиях по среднеквадратическому критерию БекаХ Полученное отношение вероятности безотказного функционирования РГ ССК при первом (цифровом) варианте к вероятности безотказного функционирования РГ ССК при втором (аналоговом) варианте (рис. 4.3) еще раз подтверждает факт повышения показателей качества функционирования КУ СТС при переходе от традиционного аналогового способа управления к современному цифровому. Причем, чем больше допустимые разбросы параметров, тем выгоднее такой переход.

Разбросы составляющих матриц А,В»К(%)

Рис 4.3. Повышение (в среднем) вероятности безотказного функционирования Н-д при цифровом управлении по отношению к аналоговому РЕа.

Наконец, в четвёртой главе рассмотрен вопрос определения рекомендованной кратности дублирования конструктивно самостоятельных каналов управления для повышения качества КУ СТС.

Такое дублирование имеет смысл только при условии: / . ^

1_ п-1

1 + ■

1

Ч<0

'ю

1п

1 — II — ехр\ - Т5

(4.7)

где ^

отношение функциональной составляющей к надеж-

ностной суммарного отказа по выбранному показателю функционирования.

Очевидно, что при любых значениях £ > 1 дублирование нецелесообразно по определению, а при значениях £ < 1 дублирование целесообразно тем в большей степени, чем £ меньше.

На рис 4.4 приведены вычисленные по (4.7) зоны целесообразной кратности введения таких дублирующих каналов управления в целях повышения качества функционально-надёжностного построения КУ СТС.

0 8

0 7

06

0 5

Г — ■+• Л = 2 • п = 3

.............

© *——

О 1

О 2

О 3

04

О 5

Т8

Рис 4.4. Зоны целесообразного введения дублирующих каналов управления.

Первой зоне соответствует система управления с нижним значением показателей функционирования и согласно (4.7) качество функционально -надёжностного построения такой системы управления не может быть повышено путем включения дублирующих каналов управления.

Для решения поставленной задачи необходимо повысить функциональную составляющую оценки путем полной автоматизации процесса управления, например, переходом на цифровое управление с применением новых более совершенных алгоритмов и элементной базы.

При двукратном (трехкратном) дублировании каналов управления критерий качества функционально-надёжностного построения требует еще более высокого качества функционирования в сравнении с надежностью, сужая целесообразность его введения областью 2 (3). Причем если в результате включения дублирования оказалось, что показатели надежности стали выше оценки его качества функционирования, то величина и

нет необходимости введения еще одного дублирующего канала.

В работе разработан комплекс прикладных программ в среде MATLAB, позволяющий рассчитать и исследовать влияние случайных параметров на качество функционирования КУ СТС при разных заданных требованиях. Этот комплекс прикладных программ может быть использован при автоматизации проектно-конструкторских работ.

Заключение. В результате проведенных в данной диссертационной работе исследований:

1. Сформулированы целевая функция КУ СТС и общие требования для её достижения в зависимости от альтернативного применения носителей (одиночного или в составе группы). Показано, что КУ СТС имеет иерархическую структуру и ограниченное число основных режимов работ, для которых характерны малые изменения внутренние и внешние воздействия, влияющие на его качество.

2. Исследовано функционирование КУ СТС. Для этого используются математические модели в виде стохастических стационарных дифференциальных уравнений произвольного порядка. Подтверждено, что операция осреднения таких моделей приводит к потере ими свойства стационарности. Показано, что с течением времени динамические свойства таких моделей ухудшаются. Это подтверждает наличие в стационарной стохастической математической модели информации о характеристиках функциональной надёжности реальной системы в части постепенных отказов. Тем самым выявлена возможность определения сроков проведения технического обслуживания технических систем по их стационарным стохастическим математическим моделям.

3. Математически доказана возможность и необходимость локализации различных источников стохастичности при вычислении моментов переменных состояний, необходимых для вероятностных оценок качества системы.

4. Поставлена и решена задача определения показателей качества функционально-надёжного построения КУ СТС на основе предложенного А.М.Куриленко модифицированного неравенства Чебышева.

5. Разработана методика определения показателей качества функционально-надёжностного построения КУ СТС, которая в отличие от ранее известных состоит в том, что она учитывает влияние всех источников сто-хастичности на качество функционирования системы и впервые позволяет решать вопрос вероятностных оценок в полном объёме.

6. Предложен основанный на применении интервальной арифметики и модальном управлении метод практического расчета показателей качества функционирования рассмотренного класса КУ СТС.

7. Разработана процедура определения показателей качества функционально-надёжностного построения КУ СТС, осуществлено математическое моделирование процесса проектирования ССК по выбранным показателям качества и их расчета. Полученные результаты подтвердили правильность изложенных теоретических положений.

8. Выработаны рекомендации по вопросу повышения качества функционально-надёжностного построения КУ СТС путем введения резервных (дублирующих) каналов управления.

9. Исследования показали целесообразность, необходимость и полезность перехода в КУ СТС от аналоговых схем управления к цифровым. Публикации по теме диссертации

1. Дедовский А.Д., Яковенко Н.Г., Лычагин Ю.В., Козлов С.Н., Пол-ницкий Д.А., Нгуен Ван Лам. Моделирование автономного объекта с ан-тропокомпонентной составляющей, стохастическим оператором и случайными внешними воздействиями // Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, посвященная 300-летию Санкт-Петербурга. 25-27 июня 2003г (БСМ'2003). Сборник докладов. Том 1. с. 137-140.

2. Нгуен Ван Лам. Оценка качества систем управления беспилотных летательных аппаратов с учетом случайных параметров и стохастичности внешних воздействий // Вопросы проектирования систем управления беспилотных летательных аппаратов для экологического мониторинга. Сборник статей к 300-летию Санкт-Петербурга. Санкт-Петербург 2003г. с. 95100.

3. Дедовский А.Д., Яковенко Н.Г., Лычагин Ю.В., Нгуен Ван Лам. Стохастические стационарные модели функционирования иерархических робототехнических систем.//Материалы междисциплинарной (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика...) конференции с международным участием "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека" ("НБИТТ - 21"). Петрозаводск 2003 г. с. 64.

4. Дедовский А.Д., Нгуен Ван Лам. Проблема локализации источников стохастичности в стационарных уравнениях при вычислении моментов переменных состояний // XXXIV Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ), Санкт-Петербург 2004г. с. 22.

5. Дедовский А.Д., Яковенко Н.Г., Нгуен Ван Лам. Применение пакета МАТЬАБ при решении проблемы локализации источников стохастично-сти в стационарных уравнениях с последующим вычислением моментов переменных состояний. II Всероссийская научная конференция "Проектирование научных и инженерных приложений в среде МАТЬАБ", Москва 25-26 мая 2004г. с.1030-1042.

№24 4 1 5

Подписано в печать 18.11.04. Формат 60 х 84 Бумага документная. Пе чать трафаретная. Уч.-изд л. 1,0. Тираж 100 экз.

Заказ №. 69

Балтийский Государственный Технический Университет Типография БГТУ 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д.1.

Введение

Глава 1. Выбор объекта исследования. Постановка задачи оценки качества функционально-надежностного построения комплекса управления судовыми техническими средствами (КУ СТС).

1.1. Выбор объекта исследования.

1.2. Комплекс управления судовыми техническими средствами автономных подвижных морских объектов (АПМО).

1.3. Функциональные схемы КУ СТС группы судов.

1.4. Постановка задачи оценки качества функционально-надежностного построения КУ СТС. 32 Выводы к главе 1.

Глава 2. Математические модели судовых комплексов и систем, оснащённых сложными человеко-машинными динамическими системами управления (ДСУ).

2.1. Математические модели подвижных объектов судового комплекса управления.

2.2. Стохастические математические модели судовых технических средств, оснащённых комплексом управления.

2.3. Осреднение стационарного стохастического линейного дифференциального уравнения, описывающего свободное движение ДСУ.

2.4. Осреднение стационарного стохастического линейного дифференциального уравнения состояний при случайных внешних воздействиях. 60 Выводы к главе 2.

Глава 3. Математические основы построения вероятностных оценок качества КУ СТС при их проектировании, производстве и эксплуатации.

3.1. Модифицированное неравенство Чебышёва. Неравенство

Чебышёва-Куриленко.

3.2. Применение неравенства Чебышёва-Куриленко в задачах оценки качества КУ СТС.

3.3. Задача оценки качества функционально-надёжностного построения многоканального комплекса управления.

3.4. Сравнительная оценка качества КУ СТС по обобщенным показателям. 122 Выводы к главе 3.

Глава 4. Практическое применение результатов, полученных при решении проблемных вопросов повышения качества КУ СТС.

4.1. Разработка методики оценки и примеры оценки качества функционально-надёжностного построения КУ СТС.

4.2. Проблема рекомендованной кратности дублирования конструктивно самостоятельных каналов управления СТС. 144 Выводы к главе 4. 147 Заключение 148 Список литературы

Предметом рассмотрения настоящей работы является автономный морской подвижный объект - АМПО, например, судно, корабль, плавающие средства и т.п. - предназначенный для эксплуатации в различных морских условиях. Известно [1], [6] что для обеспечения предписанной АМПО целевой функции он оснащается соответствующим комплексом судовых технических средств (СТС). Управление этими СТС и самим АМПО осуществляет экипаж, команда, т.е. человек-оператор (Ч - О). Сам комплекс управления (КУ) СТС, включая Ч - О, может иметь два типа структур: иерархическую и сетевую структуру. Причём, по известным причинам [1] сетевая структура также может быть сведена к системе с неполной иерархической структурой.

На вершине иерархии таких комплексов управления всегда находится человек-оператор, являющийся лицом, принимающим решение (ЛПР). Для управления АПМО в распоряжении ЛПР может иметься три типа конструктивно самостоятельных каналов управления.

Простейший из таких каналов управления с минимальным набором средств автоматизации можно назвать "ручным каналом управления". С его помощью ЛПР может осуществлять отдельные управляющие воздействия, не требующие высокого качества функционирования, например, высокого быстродействия, но выполняемые с большой надёжностью, так как контроль их исполнения осуществляет сам ЛПР. Вторым видом канала управления является управление, осуществляемое через других членов экипажа, специально для этого предназначенных и обученных. Качество функционирования таких каналов управления выше, однако, надёжность выполнения соответствующих команд управления в данном случае снижается по понятным причинам из-за более сложной многоступенчатой схемы реализации. Наконец, третьим видом конструктивно самостоятельного канала управления может быть автоматический канал при наличии у ЛПР достаточных для этого средств автоматизации. Качество функционирования такого канала (таких каналов), очевидно, может быть самым высоким, а надежность в этом случае требует специальных мер, обеспечивающих приемлемые результаты. Будем называть третий вид каналов управления основным каналом управления, второй и первый - резервными. Отметим, что при совпадении схемно-конструктивного исполнения основного и резервного канала управления их принято называть дублирующими каналами.

В наиболее общем виде целевая функция, предписанная автономному подвижному объекту рассматриваемого типа, может быть сформулирована следующим образом: Автономный подвижный морской объект с помощью комплекса управления его техническими средствами должен перемещаться из точки А пространства в точку В того же или другого пространства с погрешностью ± ДАВ за заданное время Т с погрешностью ±ДТ в условиях действия различных пассивных и активных помех.

Пассивными помехами, например, являются воздействия волнения, ветра, течений и других природных отклонений от нормы, а активными помехами -противодействие противостоящей стороны (например, конкурента).

Свойство иерархичности структуры АПМО может быть распространено на его целевую функцию, которая складывается из целевых функций входящих в рассматриваемую структуру составных частей и блоков всех уровней иерархии.

Степень полноты выполнения автономным объектом предписанной ему целевой функции оценивается величиной получаемого при этом эффекта. Очевидно, что сам эффект является мерой эффективности автономного объекта, а эффективность зависит от уровня автоматизации и качества управления этим объектом.

Известно [1], что стремление к повышению эффекта, получаемого от использования судовой техники, в том числе АПМО, и, следовательно, рост эффективности этой техники может быть реализован различными путями:

-за счет повышения квалификации Ч - О (экипажа), использующего (эксплуатирующего, обслуживающего) эту технику;

- за счет применения, где это оправдано, более дешевого ручного труда;

- за счет применения большего числа (количества) образцов для достижения одной и той же предписанной целевой функции;

- наконец, за счет применения комплексов управления более высокого качества, достигаемого повышением уровня и объёма их автоматизации вплоть до перехода к выполнению отдельных операций или предписанной системе целевой функции в целом без непосредственного участия человека. Данный путь является наиболее предпочтительным, так как он основывается на действии объективного закона непрерывного развития техники [1].

Исторически сложилось так, что процесс повышения уровня автоматизации рассматриваемого класса АМПО происходил неравномерно для всех уровней иерархии их структуры. Наиболее интенсивно этот процесс шел в части автоматизации управления нижнего уровня иерархии. В качестве примера можно ввести системы управления антенным устройством радиолокационных станций обнаружения и сопровождения [63], [64], системы управления движением и стабилизацией судов [6]. Именно поэтому практически все такие системы в настоящее время оснащены автоматическими устройствами управления (автоматическими приводами). Причем, эти устройства до последнего времени были по схемно-конструктивному исполнению аналоговыми.

Повышение уровня автоматизации для более высоких уровней иерархии стало возможным только после появления и совершенствования цифровых (дискретных) элементов и систем, как мощных больших специальных, так и сверх больших интегральных микросхем и микропроцессоров (микроконтроллеров) и их программного обеспечения.

Цифровые комплексы и системы в отличие от аналоговых, имеют ряд преимуществ, заключающихся в следующем:

1. Они успешно обеспечивают комплексную автоматизацию управления, иногда называемую комплексированием.

2. Позволяют осуществить гибкое, многомерное, многофункциональное и интеллектуальное управление.

3. Обладают высокой стабильностью и устойчивостью работы элементов и узлов.

4. Обладают высокой помехозащищенностью.

5. Имеют высокую степень стандартизации структур и устройств.

6. Имеют относительно невысокую и постоянно снижающую стоимость.

В настоящее время во всех видах техники наметилась тенденция перехода от аналогового к цифровому (дискретному) способу управления комплексами и системами (процессами) [3], [4], [5], [7] и др., в том числе и судовыми. Такой переход обусловлен, с одной стороны, стремлением повысить качество не отдельного элемента системы, а комплекса и системы в целом, с другой стороны, возможностями его технической реализации и наличием богатого рынка комплектующих изделий на базе цифровых элементов и технологии их применения.

В последнее время более 80% элементов и устройств в технических системах управления являются цифровыми [2], причём их возможности (функции, скорость, объем и т.п.) постоянно повышаются, а стоимость снижается. Наблюдается также большой интерес мирового общества к цифровым системам управления, широко применяемым в различных областях человеческой деятельности: в медицине, в производстве, в море, на суше, в космосе и т.д.

Роль роботов-манипуляторов, функционирующих на основе цифровых технологий, повышается при выполнении опасных, недоступных для человека работ, например, для обследования системы в опасной токсичной среде, для устранения последствий ядерной катастрофы. По данным [69] в США, Японии и Европе в сфере автоматического управления занято около 150000 инженеров. Только в США за счет автоматизации извлекается доход более 50 млрд. долларов в год и функционирует более 400000 цифровых систем управления.

Судовые технические средства, обеспечивающие выполнение предписанной АМПО целевой функции, могут быть отнесены к одной из разновидностей сложных человеко-машинных динамических систем управления (СЧМ ДСУ) во главе с Ч - О - капитаном, выполняющим функции центрального органа управления, координации и контроля АМПО. В составе СТС имеются, например, автоматическая система управления движением и стабилизацией курса [6], [7], система управления антеннами радиолокационных станций. Эти системы сложны и представляют собой динамическую систему с обратной связью, традиционно имеющую аналоговую базу элементов и устройств.

На рис. 1 представлена структурная схема привода наведения антенного поста, в котором исполнительным элементом является двигатель постоянного тока, управляемый от электромашинного усилителя (ЭМУ), а чувствительным элементом - сельсинная пара. Л иэ ПУ ЭМУ ДПТ иэ I— ПУ

СГв мое тг

Рис.1. Структурная схема привода наведения антенного поста: ИЭ - измерительные элементы; ПУ - предварительные усилители; ЭМУ - электромашинный усилитель; ДПТ - двигатель постоянного тока; ТГ - тахогенератор, реализующий обратную связь по скорости отработки; МОС - местная обратная связь (обратная связь по току); ОУ - объект управления;!! -входное воздействие; внешние возмущения.

Другим примером такого типа приводов могут служить приводы авторулевого механизма, исполнительными элементами которых являются гидроприводы дроссельного или объемного регулирования [6]. Устаревшие аналоговые схемы управления приводами с ЭМУ или гидроприводами дроссельного или объемного регулирования и соответствующими схемами усилителей, хотя и отвечают предъявляемым к ним в настоящее время требованиям, но не позволяют достигнуть существенного повышения эффективности применения СТС отдельного АМПО или групп АМПО в целом.

При использовании новой элементной базы в схемах приводов, например, [8] ЮВТ-транзисторов в качестве силовых элементов преобразователя частоты, удается не только наращивать КПД привода в целом до 88—90%, но и, самое главное, - обеспечивается повышенная надежность за счет того, что у этих транзисторов отсутствует наиболее распространенный тип отказа полупроводниковых приборов - вторичный пробой.

Микропроцессорная система управления, входящая в состав преобразователя частоты, в совокупности со встроенными в электродвигатель средствами измерения электромагнитных параметров, позволяет реализовать более эффективные, с точки зрения точности и плавности работы, алгоритмы цифрового управления. При этом легко удается реализовать самопроверку, самонастройку адаптацию управления) привода и значительно упростить техническое обслуживание за счет уменьшения влияния отклонений параметров на качество работы и исключения большой части регулировок.

Морская специфика предлагает эксплуатацию СТС в сложных неблагоприятных метеорологических условиях (волнение моря, качка, рыскание носителя, повышенная влажность и т.п.), снижающих ожидаемый от них эффект. Применение цифровой техники в приводах наведения и стабилизации, несмотря на отмеченные эксплуатационные условия, позволяет повысить важные технические характеристики (такие как точность наведения, перебросочная скорость, надежность и т.п.), снизить массу, габариты и затраты на техническое обслуживание [7], [8] и осуществить процесс технической интеграции.

Таким образом, переход с аналогового на цифровое управление СТС — это закономерный процесс, позволяющий получить более высококачественные комплексы, обеспечивающие больший эффект не только самого АМПО, но и групп АМПО при совместном их взаимодействии.

Объектом исследования данной работы, как отмечалось выше, является КУ СТС, который по выполняемым функциям и структуре является сложной человеко-машинной системой. Поскольку КУ СТС является одной из составных частей АМПО, принятие технических решений, направленных на повышение его показателей качества функционально-надёжностного построения, неизменно связано с техническими совершенствованием АМПО в целом. Тенденция перевода управления СТС на цифровую микропроцессорную (микроконтроллерную) базу целиком относится к объекту исследования настоящей диссертации.

Отметим, что повышению качества и эффективности способствуют как техническое состояние СТС и самого АМПО, так и "человеческий фактор".

Так называемый "человеческий фактор" и его влияние на надёжность, качество и эффективность СЧМ ДСУ и объектов является отдельной проблемой. Он подробно и всесторонне изучен большой группой российских учёных школы профессора А.И. Губинского [76], например, П.И. Падерно [74], В.И. Евграфовым, П.П. Чабаненко и др.

В данной работе предполагается рассмотреть только техническую составляющую КУ СТС. Причём, принято очевидное положение, заключающееся в том, что основным путём повышения качества и эффективности техники является совершенствование систем управления, что способствует улучшению их функционирования. Это, в свою очередь, связано с усложнением аппаратного оснащения и, как следствие, со снижением общих показателей надёжности. Для повышения показателей надёжности, как известно [37], [40] и др., существует только два пути: использование более надёжной схемно-конструктивной базы, что тривиально и приводит к росту стоимости системы, и - введение резервирования, что впрочем, также способствует снижению других показателей (увеличиваются масса, габариты и стоимость).

Для достижения поставленной цели управления следует решать многокритериальную задачу анализа и синтеза, которая может быть сформулирована следующим образом: «обеспечение высоких (наилучших) показателей качества функционирования при минимизации обобщённых показателей и одновременном обеспечении высокой надёжности системы».

Известны работы, например [9], где подробно рассматриваются проблемы выбора и принятия оптимального решения по многим критериям в условиях неопределенности.

Настоящая работа основана на другом (вероятностном) подходе к решению данной проблемы, предложенном A.M. Куриленко и А. Д. Дедовским [46].

Целью диссертационной работы является: «исследование и разработка путей построения высококачественных комплексов управления судовыми техническими средствами с учетом задач совершенствования судна в целом».

В диссертации, в качестве аппарата исследований (основанного на применении результатов, полученных в работах А. М. Куриленко, А. Д. Дедовского и самим автором [1], [10], [71], [72], [73] и др.) выбраны математические модели сложных динамических систем управления в виде стохастических стационарных дифференциальных уравнений произвольного порядка. Показано, что операция осреднения таких моделей приводит к потере ими свойства стационарности, и обсуждаются возможные технические проявления этого факта. Причем, предложен метод преобразования стохастических стационарных уравнений состояний к виду, позволяющему более полно учитывать влияние сто-хастичности оператора на качество исследуемой системы [66].

Оценки показателей качества функционально-надежностного построения комплексов и систем осуществляются путем применения операций согласования вероятностных мер, которые базируются на использовании уточненного А.М.Куриленко неравенства Чебышёва [45]. Обсуждаются свойства технических систем и комплексов, позволяющие утверждать о строгости согласования таких мер и возможности применения самих оценок.

Автором также были предложены основные положения применения интервальной арифметики в задачах вероятностной оценки качества функционально-надёжностного построения КУ СТС, позволяющие исследовать не только системы, описываемые стационарными стохастическими уравнениями состояний, но и нестационарные системы, когда известны (заданы) лишь допустимые пределы изменения их параметров в процессе эксплуатации.

В результате решения перечисленных задач диссертации предполагается обосновать целесообразность, необходимость и полезность перехода в КУ СТС от аналоговых схем управления к цифровым.

Диссертация состоит из Введения, 4-х Глав, Заключения. Она содержит список использованной литературы, насчитывающий 76 наименований.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

На основании изложенных материалов Главы 4 можно сделать следующие выводы:

1. Оценка качества функционально-надёжностного построения правильно спроектированных КУ СТС, проведенная на примере ССК с применением интервальной арифметики, абсолютно подтверждает обоснованность и целесообразность предложенных в предыдущих Главах 2 и 3 положений о вопросе качества КУ;

2. В этой главе была разработана методика оценки качества функционально-надёжностного построения КУ СТС по его математической модели в виде уравнения состояний с применением элементов интервальной арифметики. Методика подтверждена конкретным примером ССК судна и легко реализована в современной среде МАТЬАВ;

3. Результат математического моделирования еще раз показывает факт повышения показателей функционирования при переходе в КУ СТС от аналоговых схем управления к цифровым, у которых такие важные параметры как коэффициенты обратных связей представляются собой детерминированные и легко измененные в зависимости от конкретных балансировочных режимов работы КУ СТС (адаптивное управление) заранее изложенным алгоритмом;

4. Рассмотрен вопрос широко применяемого на практике для повышения показателя надежности КУ СТС путем включения дублирующих конструктивно самостоятельных каналов управления. Доказано, что необходимость такого похода зависит от отношения его функциональной составляющей к надежностной составляющей суммарного отказа (4.22), получены зоны целесообразного введения таких дублирующих каналов управления в целях повышения качества функционально-надёжностного построения КУ СТС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в данной диссертационной работе исследований:

1. Сформулированы целевая функция КУ СТС и общие требования для её выполнения в зависимости от альтернативного применения носителей (одиночного или в составе группы). Показано, что КУ СТС имеет иерархическую структуру и ограниченное число основных режимов работ, для которых характерны малые изменения внутренних и внешних воздействий, влияющих на его качество.

2. Исследовано функционирование КУ СТС. Для этого используются математические модели в виде стохастических стационарных дифференциальных уравнений произвольного порядка. Подтверждено, что операция осреднения таких моделей приводит к потере ими свойства стационарности. Показано, что с течением времени динамические свойства таких моделей ухудшаются. Это подтверждает наличие в стационарной стохастической математической модели информации о характеристиках функциональной надёжности реальной системы в части постепенных отказов. Тем самым выявлена возможность определения сроков проведения технического обслуживания технических систем по их стационарным стохастическим математическим моделям.

3. Математически доказана возможность и необходимость локализации различных источников стохастичности при вычислении моментов переменных состояний, необходимых для вероятностных оценок качества системы.

4. Поставлена и решена задача определения показателей качества функционально-надёжного построения КУ СТС на основе предложенного A.M. Ку-риленко модифицированного неравенства Чебышева.

5. Разработана методика определения показателей качества функционально-надёжностного построения КУ СТС, которая в отличие от ранее известных состоит в том, что она учитывает влияние всех источников стохастичности на качество функционирования системы и впервые позволяет решать вопрос вероятностных оценок в полном объёме.

6. Предложен основанный на применении интервальной арифметики и модальном управлении метод практического расчета показателей качества функционирования рассмотренного класса КУ СТС.

7. Разработана процедура определения показателей качества функционально-надёжностного построения КУ СТС, осуществлено математическое моделирование процесса проектирования ССК по выбранным показателям качества и их расчета. Полученные результаты подтвердили правильность изложенных теоретических положений.

8. Выработаны рекомендации по вопросу повышения качества функционально-надёжностного построения КУ СТС путем введения резервных (дублирующих) каналов управления.

9. Исследования показали целесообразность, необходимость и полезность перехода в КУ СТС от аналоговых схем управления к цифровым.

1. Куриленко A.M., Дедовский А.Д. Качество судовых динамических систем управления. -J1.: Судостроение, 1994 - 176 с.

2. Лэ Ван Зоань, Нгуен Тхэ Конг, Нгуен Чунг Шон, Као Ван Тхань. Цифровое управление электромашинами. Ханой: Издательство "Наука и техника", 1999-296 с.

3. Каган В.Г., Бери Ю.Д., Акимов Б.И., Хрычев A.A. Цифровые электромеханические системы. М.: Энергоатомиздат, 1985 — 208 с.

4. Копанев А.А, Музыченко О.Н. Перспективы развития БИУС для кораблей малого и среднего водоизмещения на базе системы "Требования-М". Морская радиоэлектроника № 2 ,2002, с. 18-23.

5. Гумен В.Ф., Калининская Т.В. Следящий шаговый электропривод. -Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1980 168 с.

6. Лукомский Ю.А., Корчанов В.М. Управление морскими подвижными объектами: Учебник. СПб: Элмор, 1996 - 320 с.

7. Малишевский Е.И, Андреев Е. Б., Корелин И.А., Писарев М.Ф. Проблемы и пути совершенствования 130-мм корабельных артиллерийских автоматических установок для вооружения перспективных надводных кораблей ВМФ России. Военный парад, № 6 - 2002.

8. Кокошкин H.H., Новоселов Б.В. Следящие приводы мускулы оружия. Военный парад, №№ 5-7, 2002. с. 56-59.

9. Шаров A.B., Солдатов В.В. Многокритериальное управление в условиях статистической неопределенности. -М.: Машиностроение. 1990 — 160 с.

10. Загашвили Ю.В., А. Д. Ледовский, Лыгачин Ю.В., Яковенко Н.Г. Динамика систем с исполнительным двигателем постоянного тока: Пособие по курсовому и дипломному проектированию Балт. гос. техн. ун-т. - СПб, 2001 -48 с.

11. Трофимов А.И., Египов Н.Д., Дмитриев А.Н. Методы теории автоматического управления, ориентированные на применение ЭВМ. — М.: Энерго-атомиздат, 1997 653 с.

12. Richard J.Vaccaro. Digital control. A State-Space Approach. McGraw-Hill, Inc. 1995-451c.

13. Gene F. Franklin, J. David Powell, Michael L. Workman. Digital control of Dynamic System. Addison-Wesley publishing company. 1990 837c.

14. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. М.: Радио и связь, 1982 - 624 с.

15. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. Учебное пособие для высших учебных заведений. М.: Радио и связь, 1991 - 608 с.

16. Евланов Л.Г., Константинов В.М. Системы со случайными параметрами. М.: Наука, 1976 568 с.

17. Михайличенко A.M., Пустовойтов H.A., Сухоребрый В.Г. Устойчивость управляемых систем со случайными параметрами. Киев: Наукова думка, 1981 -160 с.

18. Коньков В.Г., Матвеев П.С. Анализ линейных систем автоматического управления со случайными параметрами. Техническая кибернетика №1, 1968, с. 170- 177.

19. Евсеев В.Ф., Кораблина Т.Д., Рожков С.И. Интегральный метод конструирования систем со стационарными случайными параметрами. Техническая кибернетика №6,1965, с. 41-48.

20. Федосов Е.А. Проектирование система наведения. М.: Машиностроение. 1975 - 296 с.

21. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз. 1962 - 884 с.

22. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. М.: Машиностроение. 1986 - 448 с.

23. Мурашов Е.А. Основы тактики Военно-морского Флота. Балт. гос. техн. ун-т. - СПб, 2002 - 167 с.

24. Мачулин В.В., Пятибратов А.П. Эффективность систем обработки информации. М.: изд-во «Советское радио». 1972 - 280 с.

25. Воднев В.Г., Наумович А.Ф., Наумович Н.Ф. Математический словарь высшей школы. М.: изд-во МПИ. 1988 - 527 с.

26. Лебедев А.Н., Куприянов М.С., Недосекин Д.Д., Черневский Е.А. Вероятностные методы в инженерных задачах. Справочник. СПб.: Энерго-атомиздат, 2000 - 333 с.

27. Аверьянов В.Я., Байрашевский A.M., Георгианов К.В., Тупысев А.Н., Юхов И.В. Судовые радиолокационные станции и их применение (справочное руководство). Том 3- Л., «Судостроение», 1970 246с.

28. Белянский П.В., Сергеев Б.Г. Управление наземными антеннами и радиотелескопами М.: изд-во Сов. радио, 1980 - 280 с.

29. Александровская Л.Н., Круглов В.И., Кузнецов А.Г и др. Теоретические основы испытаний и экспрементальная отработка сложных технических систем. Учебное пособие.- М.: Логос, 2003 736 с.

30. В. Стрейц. Метод пространства состояний в теории дискретных линейных систем управления. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985 - 296 с.

31. Астапов Ю.М., Медведев B.C. Статистическая теория систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982 - 304 с.

32. Левин. Статистическая радиотехника. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. М.: Радио и связь, 1982 - 624 с.

33. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1973 - 576 с.

34. Розанов Ю.А. Введение в теорию случайных процессов М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982 - 128 с.

35. Надёжность и эффективность в технике. Справочник в 10 т./Ред. Совет: В.С.Авдуевский и др. М.: Машиностроение, 1986 1990.

36. Сугак Е.В. Надежность технических систем. Учебное пособие. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2000 608с.

37. Коцтецкий Б.И. и др. Надежность и долговечность машин. Киев: Техника, 1975 -408 с

38. Проников A.C. Параметрическая надежность машин. М. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 - 560 с.

39. Болховитинов В.К. Алгоритмизация управляемого движения кораблей и судов. Морская радиоэлектроника №2, 2002. с. 12-16.

40. Куриленко A.M., Смышляев Е.И. Уточнение неравенства Чебышёва. -В кн.: Управление, надежность и навигация // Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 5. Саранск: Изд-во МГУ им. Огарева, 1979. с. 149 - 155.

41. Куриленко A.M. Свойства линейных динамических систем со случайными параметрами // Известия АН СССР. Техническая кибернетика, № 4, 1984. с. 183-191.

42. Фрейдзон И Р. Судовые автоматизированные электроприводы и сис-темы-JI.: Судостроение, 1980 440с.

43. Войткунский Я.Я. Справочник по теории корабля: В 3 т. Л.: Судостроение, 1985. Т.З - 544с.

44. Золотов В.В., Фрейдзон И. Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем. Л.: Судостроение, 1986 - 231с.

45. Вебстер А. Механика материальных точек твердых, упругих и жидких тел. Л-М. ГОНТИ, 1983 256с.

46. Сушкова М.В. Приложения Жордановой нормальной формы матрицы. Математика в ВУЗ-е. Интернет журнал СПбГТУ № 2 сентябрь 2001 г -февраль 2002г. на сайте www.spbstu.ru/public-v/index.html.

47. Фам Ки Ань. Числовой анализ. Ханой: Издательство "Наука и техника", 1995 - 199 с.

48. Розенвассер E.H., Юсупов P.M. Чувствительность систем управления. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. -464 с.

49. Петров Ю.П., Петров Л.Ю., Неожиданность в математике и его связь с авариями и катастрофами последних лет. СПб.: НИИХ СПбГУ, 2002 - 141с.

50. Петров Ю.П. Синтез оптимальных систем управления при неполностью известных возмущающих силах. Л. Изд-во ЛГУ, 1987 - 289с.

51. Ходько С.Т. Проектирование систем управления с нестабильными параметрами. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987 - 232 с.

52. Ледовский А.Д., Лычагин Ю.В., Яковенко Н.Г. Алгебра Кронекера в оценке качества сложных систем управления. Сборник научных трудов «Вооружение, автоматика, правление» Ковровская государственная технологическая академия - Ковров 2001, с. 301-309.

53. Шароватов В.Т. Обеспечение стабильности показателей качества автоматических систем. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1987 -176 с.

54. MATLAB Documentation. — The Mathworks Inc., 2004. (http://www.mathworks.com).

55. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближённые методы исследования нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1960 - 365 с.

56. Байрашевский A.M., Жерлаков A.B., Ильин A.A., Ничипоренко Н.Т., Сапегин В.Б. Судовая радиоэлектроника и радионавигационные приборы. Учебник для высших инженерных морских училищ. М.: Транспорт, 1988 -271 с.

57. Бескид П.П. Радиооборудование кораблей. Учебное пособие. -СПбГЭТУ. 1998-220с.

58. Никифоров В.О., Ушаков A.B. Управления в условиях неопределенности: чувствительность, адаптация, робастность. СПб ГИТМО (ТУ) 2002 -232с.

59. Андреевский Б.Р.,А. JI. Фрадков. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB 5 и Scilab. СПб.: Наука, 2001 -286 с.

60. Алефельд Г., Херцбергер Ю. Введение в интервальные вычисления. Пер. с англ. М.: Мир, 1987 - 360 с.

61. Дорф Р. Современные системы управления. Пер. с англ. Б.И. Копы-лова. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002 - 832 с.

62. Загашвили Ю.В., Дедовский А. Д., Лыгачин Ю.В., Яковенко Н.Г. Применение пакета MATLAB with SIMULINK для исследования систем управления: Лабораторный практикум Балт. гос. техн. ун-т. - СПб, 2001 - 22 с.

63. Дедовский А.Д., Яковенко Н.Г., Лычагин Ю.В., Нгуен Ван Лам. Стохастические стационарные модели функционирования иерархических робото-технических систем. Сборник статей. Петрозаводск 2003. с. 95.

64. Падерно И.П., В.А. Усачев, Л.Ю. Худяков. Надежность сложных судовых систем. — Л.: Судостроение, 1977 192с.

65. Пупков К.А., Егупов H.A., Макаренко A.M., Трофимов А.И. Теория и компьютерные методы исследования стохастических систем. М.: физмат-лит,2003. 400 с.

66. Губинский А.И. Свойства и показатели эффективности, качества и надежности органических систем. В книге «Хрестоматия по инженерной психологии/ Сост. Душков Б.А., Ломов Б.Ф., Смирнов Б. А.— М.: Высшая школа, 1991 -287 с.