автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Разработка и исследование систем управления дизелей судов на подводных крыльях на базе микропроцессорной техники

йГб од

На правах рукописи ГРОШЕВА Людмила Серафимовна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЕЙ СУДОВ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.08.05 — судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород 1995

I V-' ■¡•.и;!

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: академик Инженерной академии РФ, доктор физико-математических наук, профессор М. И. Фейгин.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент В. И. Плющаев.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. И. Рудницкий;

кандидат технических наук, доцент С. Н. Валиулин.

Ведущее предприятие — АО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях» им. Р. Е. Алексеева.

Защита состоится «. Л7» ^¿¿б?^ 1995 г.

час в аудитории ¿у^?/ на заседании специализиро-

ванного совета К.116.03.02 в Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600, г. Н. Новгород, ул. Нестерова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

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

Ученый секретарь ■ Угл'^-—

специализированного совета доцент, кандидат технических наук ' Н. А. Пономарев

Тип. ВГАВТа, 1995 г., зак. 149, тио. 100

СЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Тенденции развития современных СЭУ свя88ны с вопросами повышения надежности, исключения ситуаций, неблагоприятных для их длительной работы, удешевления эксплуатации путем сокращения штата высококвалифицированных специалистов, необходимых для обслуживания главных двигателей, упрощения диагностики состояния дизеля, а также о улучшением экологических показателей двигателя. Одним иэ перспективных направлений в решении указанных проблем является автоматизация управления главными двигателями и их обслуживания.

В течение последнего десятилетия технические средства для управления и контроля за работой судовых дизельных установок развивались быстро, спектр их применения расширялся,качество улучшалось. Применение автоматических систем контроля и управления, позволяющее упростить обслуживание и дающее возможность наглядного отображения функционального состояния двигательно-движительных комплексов, покавадо высокую эффективность и полностью подтвердило целесообразность использования на любых типах судов. Развитие микропроцессорной и компьютерной техники позволяют поднять уровень систем автоматического управления на качественно новую ступень - создание гибких автоматических систем, а также синтез алгоритмов управления, способных адаптироваться к меняющимся внешним условиям и позволяющих реализовать математически сложные процессы управления и оптимизации./

В настоящее время многие западные фирмы, занимающиеся выпуском судовых энергетических установок, уже на этапе проектирования закладывают в комплекс СЭУ микропроцессорные системы автоматического управлениям

Современные отечественные фирмы по производству Ьудовых дизелей не оснашэют их микропроцессорными или электронными системами управления. Более того, специфика отечественного флота требует создания достаточно универсальных САУ, которые могли бы быть установлены на эксплуатируемые СЭУ.

На основе анализа текущего положения в области автомати-

- г -

зации СЭУ можно констатировать,что в нашей стране при наличии серьезной теоретической и концептуальной базы, системы автоматического управления различными элементами судовой энергетической установки не имеют до настоящего времени достаточно широкого практического использования.

Одна из важнейших задач автоматизации - повышение надежности ОЗУ путем исключения перегрузок главных двигателей -наиболее актуальна для дизелей судов на подводных крыльях (СПИ).

Особенностью эксплуатации СПК является тот факт, что при выходе на крылья необходимы высокие мощности на пониженных частотах вращения для преодоления сопротивления движению судна. При атом показатели рабочего процесса дизеля могут принимать значения, определенные заводом-изготовителем как перегрузочные по тепловой и механической напряженности для данного типа двигателей.

С целью снижения перегрузок дизеля СПК при равгоне для некоторых типов судов разработаны варианты режимов ступенчат того разгона, которые позволяют вручную задавать время хода на ступенях в зависимости от вагрувки судна. Использование этих рекомендаций позволяет снизить перегрузки , однако их четкое соблюдение судоводителем в реаль"ых условиях (меняющееся число пассажиров, направление ветра, высота волны, судовая обстановка и т.п.) является весьма затруднительным.

Проблема разгона СПК с минимально возможными перегрузками может быть разрешена путем создания микропроцессорной системы управления процессом разгона СПК, реализующей адаптивные алгоритмы управления, учитывающие меняющиеся в широких пределах внешние воздействия и условия.

При проведении исследований переходных режимов дизелей СПК автор диссертации базировался на материалах публикаций В.Я.Аладыакина, П.И.Бажана, A.M.Васина, М.А.Брука, В.А.Кутыр-кина, Н.в.люсова. В.И.Небесвова. А.А.Рихтера, Г.П.Писаинико-ва, В.И.Плющаева. При выборе параметров косвенной оценки нагрузки дизеля автором использованы результаты исследок г/. В.А.Звонцова, М.К.Левина. При разработке математической моде-

- з -

ли испольвованы материалы, предоставленные автору АО "ЦКБ по СПК" иы. Р.Е.Алексеева.

На актуальность темы данной диссертации указывает и то, что она выполнена на базе научно-исследовательских работ по хоздоговору с Департаментом речного транспорта и ВОРП.

Пель и задачи работ: Главной целью работы является рад-работка алгоритмов управления судовой энергетической установкой в переходных режимах, обеспечивающих разгон и выход СПК на крылья бее перегрувок дизеля или с минимально необходимыми перегрузкам, а также разработка структуры микропроцессорной системы автоматического управления и ее программного обеспечения.

Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи:

-анализ имеющихся математических моделей и обоснование базовой динамической модели комплекса двигатель-корпус-движитель-система управления;

-математическое и компьютерное моделирование переходных режимов комплекса двигатель-движитель-корпус-система-управления. исследование переходных режимов дизеля в составе судовой энергетической установки СПК;

-синтез алгоритма оптимального управления разгоном оудна на подводных крыльях;

-разработка требований к структуре, составу системы автоматического управления(САУ), ее отдельных узлов;

-разработка алгоритмов и программ для создания микропроцессорной системы управления разгоном СПК;

-проведение натурных испытаний программного обеспечения в составе САУ.

Научная новизна: - разработана математическая модель комплекса двигатель-корпус-движитель-система управления, посредством которой проведено исследование динамики указанного-комплекса;

- сформулирован критерий оптимального управления разгоном СПК и введено понятие трек-характеристики переходного процесса, близкого к оптимальному;

- синтезирован алгоритм управления процессом разгона по трек-характеристике;

- разработана методика компьютерного исследования алгоритмов управления по динамическим критериям и сформулированы требования к САУ;

- создана микропроцессорная система автоматического управления раагоном СПК.

Практическая ценность. Равработанная математическая модель повволяет проводить исследования переходных режимов эксплуатации СЗУ СПК при разработке САУ.

Представляется имеющей практическую ценность созданная и прошедшая натурные испытания на судне система автоматического управления равгоном СПК по динамическим критериям.

Практический интерес представляет реализованный в составе САУ способ измерения частоты вращения повышенной точности со временем намерения, равным периоду вращения вала дивеля.

Согданная система повволяет весьма легко настроить ее на объекте управления,т.к. она не имеет меткого численного соответствия координат, а только некоторые функциональные свяви между ними.

Практическое применение материалы диссертации могут найти при создании систем автоматического управления судовши энергетическими установками на базе микропроцессорной техники.

Результаты диссертации нашли отражение в спецкурсе "Автоматизация судов технического флота", читаемом студентам ВГАВТ.

Апробация работ. Материалы диссертаций докладывались и получили положительную оценку на Всероссийском научном семинаре по проблемам динамики и прочности электро- и энергомашин ( Санкт-Петербург, 1903), 111 конференции по нелинейным колебаниям динамических систем (Нижний Новгород. 1993). вауч-но-практичесной конференции, посвященной 160-лет» Волжского пароходства (Нижний Новгород,1983). научно-технической конференция "ТРАНСКШ-94" (Санкт-Петербург, 1994).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 7

публикациях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения.пяти глав и заключения. Общий объем составляет 185 стр. .включая 80 стр. основного текста, 33 рисунка, 7 стр. библиографии, содержащей 70 наименований и 65 стр. приложений, включающих анты натурных испытаний экспериментального образца САУ на т/х "Восход-30" в навигацию 1992г и опытной эксплуатации его на т/х "Восход-24" и "Ракета-234" в навигацию 1994г.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работи, формулируются цели и результаты исследований.

Первая глава посвящена рассмотрению судовой энергетической установки как объекта автоматического управления.

В п.1.1 проводится анализ существующих систем автоматического управления и контроля судовыми энергетическими установками.

Отмечается, что в настоящее время в мировой практике ши-poico используются компьютерные и мшсропроцессорние системы автоматического управления и контроля судовыми энергетическими установками. Многими западными фирмами производятся СЭУ с включенными в их комплекс электронными системами автоматического управления. В качестве примера приводятся системы автоматического управления СЭУ таких фирм как Detolt Diesel Corporation, ASEA и др. САУ этих фирм осуществляют комплексную автоматизацию управления и диагностики двигателя для различных типов судов на базе микропроцессорной техники. Проводится также оснащение электронными системами управления и СЭУ, уже используемых на флоте. Приведены примеры электронных систем французской фирмы Penven, немецкой DMT и др.

Что касается России и территории бывшего СССР, то в настоящее время заводы по производству судовых энергетических установок не включают системы автоматического управления в состав комплекса СЭУ. Отмечается, что вопросы создания мик-

ропроцессорных систем автоматического управления СЭУ интересуют многих отечественных специалистов. В качестве примера приведены исследования В.И. Толшина, группы специалистов Одесского высшего инженерного морского училища и др.

В п. 1.2 рассматриваются характеристики дизелей, нсполь-эусмых на скоростных судах. Приводится обоснование необходимости автоматизации процесса разгона СПК.

Выбор типа судовой энергетической установки определяется в соответствш! со следующими основными требованиями. Прежде всего - необходимая мощность в одном агрегате при минимальной массе, малый удельный расход топлива, небольшие габариты, возможность реверсирования и свободного хода; высокая эксплуатационная надежность, больной ресурс, низкая стоимость.

Более того, главный двигатель должен обеспечивать достаточно высокие мощности на пошиенлых частотах вращения для преодоления та« называемого "горба" сопротивления при выходе СПК на крылья. При этом разгон дизеля до номинальной частоты вращения долкеи проходить без тепловых и механических перегрузок. Если мощность занижена, то судно но толысо не достигнет расчетной скорости, но и вообще не выйдет на крылья. Всякое ко завышение потребной мощности отрицательно влияет на технико-экономическую эффективность судна, тем более что СПК и так отличаются высокой энерговооруженностью.

Используемые на многих современных СПК высокооборотные судовые дизели М401 отличаются относительно небольшим удельной массой. При максимальной мощности дизеля 810 |Фт масса его составляет 2000 кг, т.е. 2.47кг/кВт. Это наиболее легкий из всех выпускаемых дизелей такого класса. Однако,на пониженных частотах вращеши для выхода СПК на крылья значения рабочих параметров могут оказаться в области, превышающей ограничительную характеристику, назначенную заводом-изготовителем и определяющую поле допустимых регашов бесперегрузочной эксплуатации дизеля.

Микропроцессорная ситема автоматического управления может взять на себя функцию управления процессом разгона с целью недопущения перегрузок дизеля или.при наличии такой не-

обходимости. выход СПК на крылья с минимально возможной перегрузкой.

Во второй главе осуществляется постановка задачи автоматического управления судовой энергетической установкой в переходных режимах.

В п.2.1 подробно рассматриваются режимы эксплуатации дизеля на скоростных судах. Поле возможных режимов раОоти дизеля в составе пропульсивного комплекса в координатах Ре - п (где Рв - мощность дизеля, п - частота вращения ) ограничивается внешней характеристикой дизеля,винтовой характеристикой, максимальной и минимальной частотами вращения. С целью обеспечения нагрузки дизеля на пониженных частотах вращения в пределах, не влияющих на надежность и ресурс дизеля, для длительной работы вводятся ограничительные характеристики.

Разгон СПК как режим эксплуатации ГД на пониженных частотах вращения относится к числу возможных перегрузочных по тепловой и механической напряженности, т.к. величина достигаемой мощности при этом может ¡меть значения, выходящие за пределы зоны безопасной эксплуатации дизеля, определенной ограничительной характеристикой.

В п.2.2 исследуется зависимость нагрувки на ГД от общего сопротивления движению судна при различных условиях эксплуатации.

При изменении общего сопротивления двииетяо судна меняется значение мощности дизеля ( или значение крутящего момента). необходимой для его преодоления при выходе судна на крылья.

Если общее сопротивление движению судна увеличивается и соответствующая ему винтовая характеристика "утяжеляется" по отношению к расчетной, то момент двигателя, необходимый для преодоления сопротивления, мажет быть выше значения, соответствующего ограничительной характеристике для данной частоты вращения. В этом случае бесперегрузочный разгон судна невозможен.

Может возникнуть также ситуация, когда общее сопротивление движению судна достигает такой величины, что для его пре-

одоления необходима мощность (или момент) .значение которой находится за пределами рабочего диапазона дизеля, заданного внешней характеристикой . При этом увеличение подачи топлива до максимального значения не приводит к наращиванию частоты вращения - появляется устойчивое состояние равновесия „ когда момент сопротивления уравновешивает момент дизеля. В этой ситуации выход судна на крылья не представляется возможным без его форсирования, т. е. искусственного смещения внешней характеристики в сторону больших цикловых подач топлива, что повлечет еще большее увеличение перегрузки дизеля и уменьшение ресурса его работы,

В п.2.3 рассматриваются различные параметры регулирования режимов дизеля на предмет использования их в системе автоматического управления.

При создании • систем управления во многих случаях весьма сложной задачей является получение информации о состоянии объекта управления. Непосредственное измерение его координат сопряжено, как правило,с большими материальными и временными затратами.Вместе с тем для большого класса задач при соответствующем выборе параметров управления и легко измеряемых координат (хотя бы и косвенно характеризующих состояние объекта ) возможно существенно упростить реализацию системы управления.

Погрешность оценки по косвенному параметру мсетю минимизировать. если при эксплуатации САУ предусмотреть перенастройку системы (калибровку) при переходе с одного режима работы на другой,в процессе которой устанавливается соответствие »«зсвенных параметров реальному состоянию объекта.

При таком подходе в диапазоне изменения координат следует выбирать опорные точки - характерные для данного объекта режимы или состояния.Калибровка системы управления в этих точках позволяет избавиться не только от измерений абсолютных значений координат и перейти к относительным,но и от накопившейся ошибки.

Состояние дизеля как объекта управления может быть оценено по таким координатам, как цикловая подача топлива, сред-

нее индикаторное или среднее эффективное давление, крутящий момент на валу двигателя, температура выпускных газов, коэф-фивдент избытка воздуха и др.

Применяемые методы прямого контроля нагрузки дизелей требуют значительных затрат, высотой квалификации обслуживающего персонала, поэтому они применяются в основном на судах с высокой строительной стоимостью. В судовых условиях более простыми, хотя и менее точными, оказываются нетрудоемкие в подготовке косвенные методы контроля нагрузки дизелей. В настоящее время накоплен достаточно большой опыт применения этих методов для контроля нагрузки главных судовых дизелей по различным параметрам, например, по часовому расходу топлива, положению рейки топливных насосов, температуре выпускных гавов T<ri.

Как показывают исследования, проведенные В.А.Звонцовым, достаточно малую погрешность дает метод определения нагрузки дизеля по положению рейки топливных насосов, использование на судне термопар с малой инерционностью делает возможным использование температуры выпускных газов Т?! для косвенного 1сонтроля нагрузки дизеля.

Температура выпускных газов Tei характеризует конечное состояние рабочих газов после их истечения через органы газораспределения, смешения с продувочным воздухом и расширения в газовыпускном коллекторе. С одной стороны, абсолютная температура газов не позволяет судить о нагрузке дизеля, т.к. при различных частотах вращения и параметрах газовыпуска, а также при различных атмосферных условиях одной и той же температуре могут соответствовать разные нагрузки дизеля. С другой стороны, температура выпускных газов характеризует температурный уровень протекания рабочего процесса и изменяется с изменением условий и качества протекания рабочего процесса. Ухудшение качества протекания рабочего процесса, уменьшение коэффициента избытка воздуха вызывает повышение температуры рабочих газов в цилиндрах дизеля и выпускных газов Tg-i.

Температура выпускных газов Tei представляет значительный интерес, поскольку ее можно легко измерить в реальных ус-

- 10 -

ловлях и использовать для оценки нагрузки дизеля.

Заводом-изготовителем определяются ограничительные характеристики по температуре выпускных газов дизеля, однако наиболее показательным может Оыть использование температуры ке как самостоятельного параметра регулирования,а функции таких параметров как мощность дизеля, частота вращения дизеля, загрузка судна. При этом по относительным изменениям температуры выпускных газов можно судить об изменении режима эксплуатации дизеля.

Кафедрой СЩС ВГАВГ проведены испытания на теплоходе "Восход" с целью определения перегрузок двигателя в процессе разгона. Были сняты зависимости различных параметров (в том числе и температуры выпускных газов) от частоты вращения двигателя при различной загрузке судна.

Аппроксимируя данные экспериментальных измерений, можно получить дифференциальное уравнение первого порядка, решения которого достаточно хорошо описывают зависимость температуры выпускных газов от частоты вращения, мощности и загрузки судна.

Таким образом, появляется возможность использовать легко измеряемый параметр - температуру выпускных. газов Т^- для формирования алгоритмов управления, обеспечивающих разгон дизеля с учетом ограничительной характеристики Pe-f(n) или Ttq-f(n) при ai'«const.

В п.2.4 приводится обоснование необходимости и возможности автоматического адаптивного управления процессом разгона СПК. Анализируются его преимущества перед ручным управлением.

При управлении вручную судоводитель не имеет возможности определить,в каком именно эксплуатационном режиме находится дизель в данный момент времени, руководствуясь зачастую только собственным опытом, интуицией. Судоводитель, как правило, производит разгон судна по ступеням: увеличивая подачу топлива, он ожидает, когда частота вращения вала дизеля стабилизируется на каком-либо постоянном значении. При этом в момент увеличения подачи топлива возможны "выбросы" момента дизеля.

превышающие ограничительную характеристику. Чтобы исключить работу дизеля в зоне перегрузок, необходимо более точно определять текущий режим эксплуатации дизеля и либо не допускать перегрузок,либо оперативно предпринимать действия по их снижению. Такой тщательный контроль за состоянием дизеля в состоянии осуществить только система автоматического управления, вооруженная достаточным количеством датчиков.

На базе современной микропроцессорной техники можно создать систему автоматического управления, которая не только удовлетворит всем априори заданным условиям, но и способна адаптироваться к изменящинся в процессе управления внешний условиям и изменениям некоторых характеристик двигателя в процессе его длительной эксплуатации. Тем самим оказывается также возможным компенсировать использование косвенных параметров оценю! нагрузки дизеля.

Третья глава посвящена математическому и компьютерному моделированию процесса разгона.анализу его динамических характеристик, а также синтезу алгоритма оптимального управления.

В п.3.1 определяются дифференциальные уравнения, описывающие комплекс двигатель-корпус судна-движитель-система управления для СПК. Описываются входящие в них функции, аппроксимируются необходимые графические зависимости. При этом автор базировался на известных зависимостях, описанных в работах М.А.Брука. А.А.Рихтера, В.И.Небеснова.Г.А.Конакова. Получена система дифференциальных уравнений в нормированных координатах:

— - A*cos<p(v)*(l-t<?)*(B*V2 + E*7*fi + S*n2 ) - c*R ;

dt

— - F*Ttq + G*(H*72 + Q*v*n + P*fi2) - W*n ;

dt

Здесь то - минимальная масса судна;

- 12 -

Т - постоянная времени;

Ре » Ре / Peo , где Рео - номинальная мощность двигателя;

А - D2/mvo ; В - -0.13VO2 ; Е - 0,358vonoD ;

5 - 0.62no2D2 ; с - Ro /(mvo ) ; F - l/(2rtJno) ;

6 - D3/2irJno ; H - 0.032V02 ; Q - 0,039vo no D ;

P - -О.ИЗпо2 D2 ; W - 0.05Ttqmax / (2jtJn0) .

Остальные зависимости приведены в гл.З диссертации.

Это система нелинейных дифференциальных уравнений, решение которых аналитическим способом неосуществимо. Однако, численные методы решения и использование ПЭВМ позволяют произвести необходимые исследования динамики и смоделировать некоторые алгоритмы процесса разгона на предмет поиска алгоритма оптимального управления с заданной точностью.

В п. 3.2 описывается процедура компьютерного моделирования процесса разгона с использованием различных алгоритмов управления.

Для проведения расчетов, исследования динамики процесса разгона и поиска алгоритма оптимального управления в нашей постановке была подготовлена программа. Она включает решение системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта на языке Фортран-77 для ПЭВМ IBM PC,программные модули, моделирующие различные алгоритмы разгона, обширный диалог, позволяющий менять параметры разгона: загрузку суд'на( и как функцию от нее общее сопротивление движению судна) от 21000 до 28000 кг; наклон регуляторной характеристики(530: скорость перемещения топливной рейки всережимкого регулятора.

Для исследования динамики процесса разгона проводилось машинное моделирование алгоритмов, реализующих следующие управления:

- равномерное изменение степени затяжки пружины всере-жимного регулятора топливной рейки с возможностью в режиме диалога задать время изменения;

- ступенчатое изменение степени затяжки пружины всережимкого регулятора с возможностью изменения числа ступеней и

- 13 -

времени нахождения на ступени;

- ступенчатое изменение степени затяжки пружины всере-жимного регулятора со сравнением в каждый момент времени значения температуры выпускных газов дизеля с соответствующим для данной частоты вращения значением ограничительной характеристики ( движение рейки моделировалось с разными постоянными скоростями) ;

- алгоритм изменения степени затяжки пружины всережимно-го регулятора с расчетной переменной скоростью, при которой крутящий момент дизеля в каждый момент времени соответствует расчетному значению момента на ограничительной характеристике (" движение по ограничительной характеристике") .

По результатам машинных расчетов формировались функциональные зависимости параметров, позволяющие анализировать состояние дизеля в различных сечениях фазового пространства. Например п(и- зависимость частоты вращения от времени, у(и-зависимость скорости движения судна от времени, ТЧч(п)- значение момента дизеля при изменении частоты вращения и т.д.,

В п.3.3 проводится анализ динамических характеристик и их влияние на качество процесса разгона.

Проведенный машинный эксперимент позволил изучить динамику системы и объекта управления при различных параметрах. При исследовании параметры менялись в следующих пределах: масса судна т - 21(XX) - 28000 кг, скорость перемещения рукоятки управления V - 1/10 - 1/90 с (здесь полный диапазон перемещения рукоятки равен 1), минимачыюе время включения сервопривода Ь - 1-2 с, время ожидания перед повторным включением Ь - 0,05 - 10 с. Опрос датчиков температуры производился (моделировался) с частотой 4 Гц.

Проведенное значительное количество компьютерных экспериментов позволило доказать возможность использования температуры выпускных газов дизеля в качестве параметра регулирования нагрузки дизеля,а также выбрать параметры системы управления. обеспечивающие приемлемые качественные показатели переходного процесса при разгоне СПК.

В п.3.4 рассматривается вопрос об адекватности матема-

- 14 -.

тической модели и объекта управления - комплекса двигатель-движитель-корпус судна.'

Сопоставление результатов расчетов математической моде- • ли и экспериментальных данных свидетельствует об адекватности математической модели реальному объекту управления. 'При этом можно утверждать, что путем подбора закона изменения степени затяжки пружины всережимного регулятора можно определить некоторый оптимальный режим разгона, при котором время разгона будет удовлетворительным, а перегрузка дизеля минимально необходимой.

В п.3.5 формулируется критерий оптимального управления и вводится понятие трек-характеристики. .

Для поиска алгоритма оптимального управления можно сформулировать следующий критерий:

. пНом . .

г Тьч

I- -—— <Ап - т1п

£ тах(Мс.Ти,огр)

1°< 120 С, ^ > ^о.

где Мо - момент сопротивления движению судна на данной

частоте вращения.

По - частота вращения в начальный момент времени, Пном - номинальное значение частоты вращения.

Таким образом, процесс разгона можно рассматривать как сложный переходный процесс,состоящий ив серии переходов от одного установившегося состояния (п0) к другому (пНом).т.е. последовательную по времени совокупность неустановившихся режимов , описываемых зависимостью вида

Ре - ГОЧч.П.Рв.Пхх.»••Л).

где Ь - время,

Пхх - параметр, характеризующий степень затяжки пружины всережимного регулятора.

Этому переходу в многомерном фазовом пространстве координат, характеризующих работу комплекса дизель-корпус-движитель-система управления, соответствует фазовая траектория, каждая точка которой соответствует значению параметров в фиксированный момент времени. Такую комплексную характеристику

- - 15 -

будем называть трек-характеристикой, а ее проекцию на какое-либо сечение фазового пространства - треком (например Т^ч-п трек, Т(г1-п трек и т.п.)

• В п.3.6 осуществляется синтез алгоритма оптимального управления. Формирование трек-характеристики осуществляется по ее проекции на плоскость ТЧч - п методом последовательного построения трека при различных начальных условиях и изменяющемся положении кривой сопротивления движению судна. Формулируется закон изменения степени затяжки пружины всережимного регулятора в зависимости от частоты вращения вала дизеля и развиваемого крутящего момента:

ЛПхх - йПххгах. ПРИ ТЧдо < 1ЧЧто <1пхх сШ dГtaт 1

с1Ь с1Ь . & «

ЙПхх-0 . при Тщо>^4то.

при ^чо" Т1ато

где Тьсю - значение момента дизеля в момент включения системы управления (Ь - Ьо , п - п0);

ТЧчто - расчетное значение момента дизеля при I - 1о , п » По.

В п.3.7 строится проекция трек-характеристики на плоскость Тв-1- п (температура выпускных газов-частота вращения), что позволяет соэдать систему автоматического управления разгоном СПК по трек-характеристике с использованием легко измеряемого параметра.

В четэернюй главе описывается разработанная микропроцессорная система автоматического управления разгоном СПК (МП САУР).

В п.4.1 приведено описание алгоритмов управления, реализованных в МП САУР, изложен алгоритм измерения частоты вращения вала дизеля повышенной точности со временем измерения равным периоду вращения вала дизеля, а также описаны особен-

ч

ности реализации математически сложных алгоритмов в МП САУР.

В системе автоматического управления процессом разгона заложены два основных алгоритма управления.

Первый реализованный алгоритм - разгон судна по трек-характеристике, когда асорость движения топливной рейки расчитывается по заложенным в систему уравнениям ограничительной характеристики, измеренным значениям частоты вращения и температуры выпускных газов дизеля.

Второй алгоритм заложен в САУР СПК для принудительного / разгона СПК независимо от нагрузки дизеля и моделирует работу судоводителя по ступенчатому алгоритму с остановками движения топливной рейки на частотах вращения дизеля, которыми пользуется судоводитель как опорными точками для вывода судна на крылья.

Создание САУ, реализующей математически сложные алгоритмы управления, требует определенной точности измерений входных параметров системы. Использование ресурса перспективной элементной базы - однокристальных микроэвм - позволило реализовать алгоритм программно-аппаратного измерителя частоты вращения, позволяющий получить необходимую точность измерений.

Сформулированный алгоритм, управления разгоном СПК по трек-характеристике оперирует с данными в реальных координатах объекта управления, в то время как микропроцессорная система имеет дело с данными, полученными от различных датчиков в виде двоичных кодов ( после аналого-цифрового преобразования) и некоторыми дискретными величинами.принимающими значения 0 или 1. В связи с этим встает вадача получения такого соответствия между двумя различными пространствами координат, при котором процедура настройки системы на объекте управления не вызывает дополнительных трудностей.

При программировании ограничительной характеристики по температуре выпускных гавов абсолютные значения температур не используются, текущие значения ограничительной характеристики расчитываются как смещение относительно измеренного значения максимума температуры, соответствующего максимальному значе-

нию момента дизеля на внешней характеристике. Для измерения значения максимума предусмотрен специальный редин калибровки, ютда судоводитель вручную производит разгон судна по внешней характеристике. В течение одной минуты все измеренные значения температур сравниваются и определяется абсолютный максимум. Такой подход к использованию температуры выпускных газов в качестве показателя перегрузки дизеля дает возможность не учитывать абсолютные значения температур, которые зависят от степени износа дизеля, температуры окружающей среды и т.д.. а только относительное соотношение внешних и ограничительных характеристик.

Таким образом, созданная система не имеет жесткого численного соответствия координат, а только некоторые функциональные связи между ними, что позволяет весьма легко настроить систему на объекте управления. В п.4.2 описывается структура системы автоматического управления. В состав системы входят:

- микропроцессорный контроллер - предназначен для сбора и обработки информации, реализации процесса управления;

- пульт управления и индикации - предназначен для задания режимов работы системы управления и их индикации, контроля функционирования системы управления;

- блок питания ;

- кнопка аварийного отключения системы управления;

- датчики - предназначены для контроля режима работы дизеля и состояния исполнительного устройства (сервопривода);

- исполнительное усторойство - обеспечивает изменение затяжки пружины всереяимного регулятора в соответствии о реализуемым алгоритмом управления;

- клеммный соединитель;

- отладочный пульт - предназначен для контроля работоспособности системы и ей наладки.

В п.4.3 описывается структура проградлюго обеспечения и основные принципы его функционирования.

Программное обеспечение САУР СПК представляет собой комплекс программ, включающий в свой состав:

- 18 -

- мини-операционную систему, состоящую из программы инициализации вычислительного процесса, диспетчера задач,такти-ровщика вычислений , драйверов обмена с внешними устройствами (датчиками и исполнительными устройствами) и програшы-монитора;

- измерительный комплекс.состоящий из программ обработки уровней прерываний Т1 и 1МТ1 и программы пересчета числа импульсов в реальное значение измеряемого параметра - частоты вращения вала;

- набор функциональных программ, реализующих алгоритмы управления и обеспечивающих обработку полученных данных и формирование команд управления;

- калибровочную программу, осуществляющую начальную самонастройку программного обеспечения по состоянию управляемых объектов;

- программу прямой индикации, используемую для визуального контроля входов АЦП на штатном индикаторе.

Программное обеспечение написано на языке АССЕМБЛЕРА микроэвм 8751Н и занимает около 4 К памяти.

В пятой главе приведены результаты натурных испытаний микропроцессорной системы автоматического управления разгоном СПК.

Экспериментальный образец микропроцессорной системы автоматического управления был смонтирован на теплоходе "Восход- 30". Натурные эксперт,юнты проводились на теплоходе "Вос-ход-30" в октябре-ноябре 1992 г. Результаты натурных испытаний позволили сделать вывод о том, что система автоматического управления с адаптивным алгоритмом в состоянии обеспечить процесс разгона судна с качеством, обеспечиваемым опытным судоводителем.

С целью изучения эксплуатационных характеристик и надежности МП САУ было принято решение о проведении эксплуатационных испытаний системы на пассажирском судне,находящемся в эксплуатации.Для этого опытный образец микропроцессорной системы автоматического управления был смонтирован на теплоходе "Восход-24" и введен в эксплуатацию в июле 1994г. Образец МП

СДУ находился в опытной эксплуатации по 29 сентября 1994 г. В сентябре-октябре 1994г. опытный образец был установлен на т/х "Ракета-234" и проведены аналогичные испытания.

В процессе эксплуатации СПК "Восход - 24" на участке р.Волги Нижний Новгород - Великовское работоспособность МП СЛУ была проверена при различных загрузках судна и погодных условиях. Система не требует специальной подготовки судоводителя при ее эксплуатации. В процессе опытной эксплуатации не наблюдалось отказов в электронных блоках и узлах МП САУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Проведен анализ имеющихся математических моделей судовых систем, выбрана базовая динамичеасая модель комплекса двигателъ-1сорпус-двияитель-снстема управления, с использованием которой разработана математическат (годель шлплегла для СПК "Восход".

2.Выполнено математичеасое и компьютерное моделирование переходт« режимов 1сомплекса двигатоль-движитель-корпус-сис-тема управления, исследованы динашчесгаю характеристики сис-тены двигатель-корпус-движитель-система управления. Выявлена возможность снижения перегрузок дизеля в переходных режимах. Сформулирована задача разработки систе)ш автоматического управления дизелем в переходных режимах, снижающей возникающие перегрузки до минимально возможный пределов.

3. Сформулирован критерий оптимального управления дизелем в переход!шх режшах. Введено понятие трек-характеристики как траектории оптимального управления дизелем в переходных режимах. Синтезирован алгоритм оптимального управления разгоном судна на подводных крыльях.

4. На основании теоретических исследований сформулированы требования к структуре, составу системы автоматического управления (САУ) на базе микропроцессорных средств КР1816ВЕ51, отвечающих требованиям необходимого быстродейс-. твия и надежности. Обоснован выбор элементной базы, позволяющей эффективно реализовать предложенный алгоритм управления.

5. Разработаны алгоритмы и программы для создания мик-

ропроцессорной системы управления разгоном СПК, реализующие вычислительный процесс в рг^аше периодического обмена с внешними устройствами при наличии двух разрешенных уровней внешних прерываний.

6. Предложена методика реализации математически сложных алгоритмов управления в микропроцессорных системах, использование которой приводит к уменьшению трудоемкости установки и настройки микропроцессорной системы управления на судне в эксплуатационных условиях.

7. В составе САУ разработан способ измерения частоты вращения повышенной точности с минимально необходимым временем измерения, ограниченным заданной точностью.

8. Создана и прошла натурные испытания на судне "Восход- 30" система автоматического управления разгоном СПК по динамическим критериям, реализующая алгоритмы управления, предложенные в диссертации.

9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке конструкторской документации на опытный образец САУ. Опытный образец прошел эксплуатационные испытания на судах "Восход-24", "Ракета-234".

10.Практической применение материалы диссертации могут найти при создании систем автоматического управления судовыми энергетическими установками на базе микропроцессорной техники.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах автора:

1.Аладышкин В.Я. .Грошева Л.С.',Плющаев В.И. Математическое моделирование процесса разгона судна на подводных крыльях. -Труды ВТАВТ,1091,ВЫЛ.257,с.3-16.

2.Грошева Л.С..Плющаев. Синтев алгоритма управления разгоном судна на подводных крыльях.- Труды ВГАВТ, 1991. Вып.257. С.16-28.

3.Грошева Л.С..Плющаев В.И. К построению трек-характеристики процесса разгона СПК.- Тр./ГИИВТ. 1993. Вып.267. С.107-111.

- 21 -

4.Гропева Л.С. .Пладаев В.И. .Фейгин МЛ.Динамика энергетической установки судна на подводных крыльях в режиме равго-на //Тев. докладов Всероссийского научного семинара по проблемам динамики а прочности электро- и энергомаэин РАН. Санкт-Петербург,1903,0.66.

б.Гропева Л.С. Особенности программной реализации сложных алгоритмов в микропроцессорных системах управления: Материалы научно-практической конференции, посвпсонпой 150-леткя Вольского пароходства. Низший Новгород, 1993,с. 104-105.

6.Грозева Л.С. .Кутыркин В.А. .Пшзаев В.И. .Фейгин М.И. Синтез микропроцессорной адаптивной систены управления дизелем СПК // Тев. докладов научно-технической тенгференцни ИТРАНСКСМ-04И Санкт-Петербург, 1994,с. 40-41.

7.Гропева Л.С. .Шалаев В.И.,Фейгин М.И. Моделирование динамических процессов судового энергетического комплекса в переходных режимах //Тез. докладов III конференция по нелинейным колебаниям динамических систем. Нштий Новгород,1993, с.бб.