автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка математического и программного обеспечения систем управления движением судов на подводных крыльях

На правах рукописи

>

Клименков Александр Геннадьевич

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ НА НОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ

Специальность 05 13 01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Турусов С Н Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Веремей £ И кандидат технических наук Бубнов Е А

Ведущая организация - ФГУП НПО «Аврора»

Защита состоится « #» ИКЖЯ 2005 г в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212 238 07 в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул Проф Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «2§> М/\й 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Яшин А И

сР/УбУОУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время в мире полумили широкое распространение различные типы гражданских и военных судов на подводных крыльях (СГГК) Различными зарубежными фирмами и концернами ведутся разработки новых технических решений, призванных повысить скорость СПК, их эксплуатационные, маневренные и динамические характеристики

В нашей стране, проектирование и постройка многих типов судов, в связи с событиями новейшей истории, были практически прекращены, что в полной мере относится и к СПК Однако, на сегодняшний день как в России, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья продолжается эксплуатация многих быстроходных судов, построенных еще в СССР Эти суда требуют постоянного технического обслуживания, многие нуждаются в модернизации Кроме того, на волне возрождения российского кораблестроения вероятно появление новых перспективных проектов высокоскоростных судов

Многие авторы оптимистично оценивают будущее скоростного флота Строительство судов с динамическими принципами поддержания в нашей стране начато несколько десятков лет назад За это время построено свыше 1300 СПК и около 6000 катеров на подводных крыльях В настоящее время тенденция увеличения спроса на скоростные суда на международном рынке сохраняется Растет потребность в скоростных судах в регионах Юго-Восточной Азии Одновременно с увеличением спроса на СПК, рынок повышает требования к их отдельных характеристикам скорости, мореходности, безопасности, экономической эффективности Совокупное решение задач оптимизации подсистем судна в целом, согласно прогнозам ведущих специалистов, может привести к повышению эффективности СПК на 20-25%

Качество функционирования СПК зависит от конструктивных, динамических, эксплуатационных, экономических и др показателей, которые формируются на этапе проектирования и обычно определяются путем анализа процесса функционирования как судна в целом, так и отдельных конструкций и систем, входящих в его состав В частности, качество функционирования морского СПК во многом определяется конструкцией его крыльевого комплекса (видом, геометрией, гидродинамикой подводных крыльев) и алгоритмической структурой его СУД При проектировании нового судна нужно уделять повышенное внимание как проектированию самой СУД, так и проектированию исполнительных органов управления, которые фактически являются частью крыльевого комплекса В свою очередь, гидродинамика крыльевого комплекса напрямую влияет на выбор алгоритмической структуры СУД

СПК является сложной организационно технической системой (ОТС) и включает ряд основных подсистем, совместная работа которых определяет эффективность функционирования объекта в целом Частные задачи обеспечения функционирования указанных подсистем на всех этапах жизненного цикла тесно взаимосвязаны и носят системный характер Решение этих задач для нового объекта связано с проведением сложных разнопрофильных научно-исследовательских и проектных работ, и требуй взаимодействия многих специализированных организаций, обеспечивающих его техническое оснащение и эксплуатацию, основанного на едином - системном - подходе к обеспечению эффекгивности функционирования СПК Организации, участвующие в их создании, выполняют указанные работы на основе собственных научно-исследовательских проработок и технологий При этом имеет место дублирование в решении каждой из этих организаций задач разработки сложных математических моделей, программного обеспечения и собственно исЛ'ШЖлмний динамики объекта, что приводит к значительному удорожанию, увеличения аущертвенно

1 библиотека {

'^ятт Л

¿ОО&21 ГбОО

увеличивает вероятность ошибок и несогласованностей Поэтому к моменту ввода объекта в эксплуатацию принятые технические решения часто оказываются недостаточно отработанными ввиду ограниченности средств и сроков проектирования, либо недоаагочно привязанными к объекту и требуют доработки уже в процессе его эксплуатации Это определяет актуальность, цель и основные задачи диссертационной работы

Цель работы

Разработка математическою и программного обеспечения систем управления движением судов на подводных крыльях

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи

1 Анализ СУД, обеспечивающей функционирование СПК, на основе системной методологии

2 Разработка обобщенной математической модели СПК как объекта управления

3 Разработка математического обеспечения обобщенной математической модели СПК

4 Разработка программного обеспечения обобщенной математической модели СПК

5 Решение новых прикладных задач построения СУД СПК с использованием разработанного программного обеспечения

Объект исследования

Судно на подводных крыльях и его система управления движением

Предмет исследования

Процесс управления движением судов на подводных крыльях

Методы исследования

Теория систем, системный анализ, теория систем автоматического управления, математическое моделирование, теория корабля, теория несущей поверхности вблизи границы раздела сред разной плотности

Положения, выносимые на защиту

1 Обобщенная математическая модель СПК, представляющая собой совокупность моделей технических средств и консгрукпивных элеменюв СПК, и учитывающая действие внешних возмущений

2 Модель учета ветро-волновьтх возмущений на крыльевой комплекс СПК

3 Система имитационного моделирования СУД СПК

4 Методика решения прикладных задач по оценке эффективности функционирования СУД СПК

5 Результаты решения с помощью разработанного программного обеспечения новых задач по оценке эффективности СУД СПК и оптимизации алгоритмов управления движением СПК

Степень обоснованности и достоверности научных результатов

Научные результаты диссертационной работы являются в полной мере обоснованными Достоверность результатов и выводов подтверждается корректным использованием теория систем, системного анализа, методов магемажческою моделирования, теории корабля, теория несущей поверхности вблизи границы раздела сред разной плотности, теории систем автоматического управления, а также удовлетворительным для практики совпадением результатов моделирования с результатами испыт§{щй реальных СПК „ *,:*»<* „.-Л**

Научная новизна результатов состоит в следующем

1) Разработанная обобщенная математическая модель СПК, в отличие от существующих, позволяет оценить эффективность управления СПК Обобщенная модель реализуется как комплекс математических моделей динамики пространственного движения СПК, гидродинамики крыльевого комплекса, ветро-волновых возмущений и технических средств СУД

2) Предлагаемая модель учета внешних ветро-волновых возмущений, действующих на СПК, в отличие от существующих моделей, учитывает как физические особенности взаимодействия взволнованной морской поверхности с крыльевой схемой СПК, так и случайную природу реального морского волнения

3) Разработанная система имитационного моделирования позволяет оценить эффективность проектных решений при рассмотрении альтернативных вариантов компоновки крыльевого комплекса, состава и характеристик технических средств СУД

4) Предложенная методика решения прикладных задач проектирования СУД СПК, позволяет оценивать эффективность проектных решений и функционирования технических средств СУД СПК в процессе его проектирования, изготовления и ходовых испытаний

5) С использованием предложенных методик выполнено исследование влияния геометрии крыльевого комплекса на динамические свойства СПК, проведено исследование влияния коэффициентов алгоритмов управления на нагрузку крыльевых устройств, проведена оптимизация коэффициентов алгоритма управления СУД для судна с выбранной крыльевой схемой Реализация методик рассматривается на примере СПК «Олимпия»

Значимость полученных результатов для теории и практики

Теоретическая значимость работы определяется тем, что в ней предложены методы проектирования СУД, основанные на системном подходе, и вычислительные алгоритмы, с помощью которых можно существенно повысить эффективность решения задачи проектирования СУД СПК При этом очевидна практическая направленность работы, состоящая в создании алгоритмическо-программного комплекса, основанного на разработанном методе и алгоритмах, который с успехом может использоваться для решения специфических задач проектирования СУД СПК

Практическая ценность работы состоит в создании программного пакета, позволяющего решать различные задачи моделирования пространственного движения СПК

Реализация результатов работы

Результаты и теоретические положения диссертационной работы были использованы в НИР ('Разработка методологических принципов и компьютерной технологии системного обеспечения конструктивной безопасности высокоскоростных морских и речных гранспортных средств», выполняемой в Инсгитуге Проблем Транспорта РАН

Апробация работы.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-практических конференциях

Три конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», проводимых в ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург в 2002, 2003, 2004 годах Всероссийская научная конференция «Управление и информационные технологии», Санкт-Петербург, 2003 г

XXX Всероссийская конференция по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами, Санкт-Петербург, 2003

V международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех 2003», Санкт-Петербур!, 2003

IX Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика», 2004 г

Промежуточные результаты работы неоднократно докладывались на постоянно действующем семинаре «Системы управления и обработки информации» и на секции транспорта в Доме ученых им Горького, а также демонстрировались на выставке «Транстек 2004»

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ 7 статей и тезисы к 4 докладам на научно-практических конференциях

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 100 наименований Основная час1ь работы изложена на 143 страницах машинописного текста Работа содержит 38 рисунков и 19 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются особенности морских СПК как объекта проектирования и управления, рассмагриваются факторы, влияющие на качество функционирования СПК и показатели, по которым его можно оценить, сформирован системный подход к процессу проектирования СПК и моделированию, как средству реализации такого подхода в рамках поставленной задачи, осуществляется общая постановка задач, решаемых в диссертационной работе

При существующей технологии разработка проекта создания (модернизации) СПК является длительным и дорогостоящим процессом Отработка концепции проекта нового судна связана с изготовлением сложных моделей и проведением большого объема их испытаний в бассейнах и аэродинамических трубах Это не позволяет рассмотреть широкий круг вариантов, оценить эффективность предложенных проектантом объекта компоновочных решений В го же время именно компоновка объекта в сочетании с основными техническими системами - двигательно-движительным комплексом и системами управления движением - определяют ходовые, мореходные и маневренные качества СПК, надежность и эффективность его эксплуатации Проектирование указанных систем представляет самостоятельную сложную техническую задачу с проведением большого объема математического моделирования и осуществляется специализированными организациями по собственным технологиям При этом им ее! место дублирование в решении каждой из этих организаций задач разработки сложных математических моделей программного обеспечения и собственно исследований динамики объекта, что приводит к значительному удорожанию увеличению сроков разработок существенно увеличивает вероятность ошибок и несогласованностей, снижает уровень эффективности

Быстрое, качественное и экономически эффективное решение этой проблемы возможно только на основе системных методологических принципов, объединенных

единой современной технологией, используемой всеми организациями, участвующими в создании, эксплуатации и модернизации судов

В рамках системного подхода ГПК и СУД рассматриваются как единый объект проектирования и функционирования в устовиях действия внешних ветро-волновых возмущений, те как целостная сложная техническая система, состоящая из отдельных взаимодействующих подсистем, определяющих ее динамические свойства СПК рассматривается как сложная техническая система включающая совокупность

элементов и связей между ними, функционирующая (выполняющая определенную функцию в соответствии со своим целевым назначением) во времени и пространстве под воздействием внешней среды

Эффективность функционирования, как одна из основных характеристик СПК, определяется факторами, которые формируются на отдельных этапах жизненного цикла судна, а проявляется на этапе его эксплуатации Эффективность оценивается в первую очередь совокупностью его функциональных показателей, которые характеризуют динамические свойства судна в реальных условиях плаванья В данной диссертационной работе рассматриваются показатели четырех групп мореходности, обитаемости, управляемости, прочности элементов несущего комплекса Для оценки эффективности судна на этапе проектирования необходимо определить значение указанных эксплуатационных показателей или показателей качества функционирования СПК Рассмотренные показатели эффективности функционирования морского СПК во многом определяются его СУД

Можно также выделить ряд внутренних параметров конструктивных элементов судна (корпуса, крыльевого комплекса) и основных технических подсистем, определяющих динамические характеристики судна и влияющих на эффективность его функционирования К ним относятся геометрические параметры, инерционные параметры, алгоритмы и структуры СУД характеристики двигательно-движительного комплекса и электрогидроприводов Также можно определить внешние параметры, влияющие на качество функционирования СПК, такие как параметры волнового воздействия, параметры ветрового воздействия, эксплуатационные параметры

На различных этапах создания СПК используются различные по своей природе, сложности, адекватности и т п модели, предназначенные для решения тех или иных конкретных задач проектирования Для использования системного подхода при проектировании судна, как сложной технической системы, необходимо создание имитационной среды моделирования, используемой на всех этапах проектирования судна Возможности этой среды должны позволять производить анализ влияния как можно большего количества конструктивных факторов на функциональные показатели, определяющие эффективность, качество и безопасность эксплуатации СПК

Сформулированы основные требования к модели СПК как сложной системы £с(ж для создания системы имитационного моделирования

1 Целью разработки является создание модели СПК, образующей единую среду моделирования как математического аппарата компьютерной технологии обеспечения конструктивной безопасности СПК и эффективности его функционирования При этом модель должна позволять решать как задачи анализа, так и синтеза, возникающие на папах проектирования и эксплуатации судна

2 Разрабатываемая обобщенная модель должна обеспечивать возможность проведения исследований как СПК в целом, так и его отдельных подсистем

3 В соответствии с целями разработки подлежащие исследованию внутренние характеристики системы должны включать конструктивные параметры СПК и параметры основных технических систем, определяющие его структуру и влияющие на

конструктивную безопасность и эффективность функционирования судна в целом как сложной системы Хи1К

4 Выходами системы Ъсш должны являться ее динамические характеристики и их статистические оценки в виде совокупности показателей качества и безопасности функционирования судна

5 Модель системы должна отражать функционирование СПК в пространстве и времени, т к ряд показателей имеет размерность времени

6 Модель должна предоставлять возможность моделирования реальных внешних воздействий, например функционирования судна в условиях реального волнения различной балльности

7 Модель должна допускать варьирование внутренней структуры, параметров системы и внешних воздействий в достаточно широких пределах, что необходимо для проведения исследований на стадии проектирования судна

Во второй главе диссертации рассматривается структура обобщенной математической модели СПК, подробно излагаются математические модели, входящие в ее состав В частности, приводятся математическая модель пространственного возмущенного движения судна на подводных крыльях, математический аппарат для расчета гидродинамических характеристик крыльевого комплекса, методика учета ветро-волновых возмущений, действующих на СПК, линеаризованная модель динамики движения СПК

Разрабатываемая система имитационного моделирования фактически является средством оценки зависимости множества показателей ./ от множества факторов X Структура единой среды моделирования приведена на рис 1

Рис I Структура системы имитационного моделирования

Принято следующее деление обобщенной математической модели (2) на математические модели отдельных подсистем судна и внешних возмущений математическая модель динамики СПК,

математическая модель гидродинамики крыльевого комплекса, математическая модель системы управления, математическая модель электрогидропривода, математическая модель внешних ветро-волновых возмущений Данный набор математических моделей достаточен для определения множества показателей, рассматриваемых в работе Структура обобщенной математической модели СПК приведена на рис 2

Рис 2 Структура обобщенной математической модели

В качестве модели динамики пространственного движения СПК предлатается нелинейная математическая модель динамики СПК с произвольной крыльевой схемой, движущегося в крыльевом режиме с заданной скоростью на тихой воде или волнении При этом, учитывается необходимость обеспечения возможности исследования движения СПК с различными алгоритмами управления при условии, что судно оснащено автоматически управляемыми подводными крыльями

Уравнения пространственного движения СПК в связанной системе координат имеют следующий вид

К =Т-\Фх-в>уУ,(т + ^)+а.У,(т + Яа)]

(т + Л,,)

Уу -фу- ауХт + Л,,)+ахУ:(т + Л33)\], + Х^-М,^}

К -т-^-г-хЬ -+ ^)+ ®Л(* + 4.)]

а>, - К {т + ^ )М 2 - ^ - а г Ух {т + Л,,) ■+ т х Уг {т + Я33)]}

„ _1_

где Л =7-гт-с-г-

(и+ЯвХЛ+Л»)-^.

Кинематические уравнения связи между параметрами движения судна в земной 0и связанной 0хуг системах координат имеют вид

i = Vx cos<p + Vy sintpsm0 + V, sintpcos0 ij -- Ki// + Vy cos, в - V, sm в

Q = -Vx sm(p + Vy (cos <p sin 0 + (//sin <p cos<9) + Vz cos cp cos<9

в = тх

ф = а>у cost)

i// = a)ysm0 + сог cos6)

При составлении математической модели динамики СПК в крыльевом режиме, произвольно маневрирующего в пространстве над взволнованной водной поверхностью, учитываются следующие основные категории сил и моментов вес судна, гидродинамические, создаваемые движителями, аэродинамические, управляющие, возмущающие

Особенность описания динамики СПК заключается в том, что крайне сложно получить гидродинамические характеристики всего несущего комплекса в целом Это приводит к тому, что при составлении математической модели необходимо рассматривать одновременно действия большого числа гидродинамических сил, сосредоточенных в различных точках комплекса Каждая элементарная гидродинамическая сила является, как правило, нелинейной функцией фазовых координат объекта и углов скоса потока (а и [})

В соответствии с принятой методикой расчета внешних сил и моментов, гидродинамические характеристики несущих элементов СПК представляются в виде функций нескольких аргументов В качестве таких аргументов используются заглубление крыльевого устройства h и местные углы скоса потока угол атаки а и угол дрейфа (3 При движении на волнении к ним добавляются соответствующие волновые составляющие /)„„ а,,,, Р,„ Кроме того, воздействие волнения на крыльевое устройство учитывается путем расчета возмущающих сил и моментов, возникающих на КУ при движении в поле скоростей частиц жидкости, неравномерно распределенном по размаху крыла

Алгоритм расчета внешних гидродинамических сил и моментов предполагает их определение для ряда дискретных значений аргументов Указанные зависимости хранятся в соответствующих базах данных по гидродинамике крыльевых устройств Для вычисления текущих значений гидродинамических сил и моментов на элементах крыльевых устройств используется линейная интерполяция

Для аналитического определения гидродинамических характеристик используется математическая модель, разработанная А Н Лордкипанидзе В указанной модели исследуется установившееся движение крыла вблизи границы раздела сред разной плотности

Взаимодействие несущего комплекса СПК со взволнованной поверхностью моря отличается рядом особенностей

- высоты волн при расчетном волнении сравнимы с вертикальными размерами стоек и крыльев, при эзом заглубления изменяются фактически от нуля до максимального значения, что не позволяет проводить линеаризацию гидродинамических характеристик,

- расстояния между отдельными элементами крыльевого комплекса сравнимы с длиной волны, в результате чего фазы и величины волновых возмущений заметно отличаются на различных разнесенных друг от друга несущих элементах,

- между значением ординаты волны и волновым приращением угла атаки имеется определенный фазовый сдвиг, который при изменении курсового угла встречи с волной на

180° изменяется от до что приводит к существенным отличиям в динамике

движения

Известны два способа математического описания моделирования процесса волнового возмущения - спектральный и гармонический Положительной стороной применения спектрального способа описания является учет реальной (случайной) природы волнения, а также использование хорошо разработанных методов анализа линейных систем Но при этом существует определенное требование к линеаризации дифференциальных уравнений объекта Из-за наличия существенной нелинейной зависимости гидродинамических сил от величины заглубления линеаризация уравнений г объекта при волнении представляется недопустимой Главный недостаток способа

математического моделирования с использованием регулярного волнения - потеря статистических особенностей реального морского волнения Но этот способ позволяет 4 учесть следующие важные физические особенности взаимодействия взволнованной

морской поверхности с крыльевой схемой СПК

В ряде работ предлагается совместить преимущества регулярной модели со свойствами реального случайного волнения путем представления взволнованной поверхности как суперпозиции конечного числа элементарных гармонических волн, распространяющихся под различными углами друг к другу и с произвольной начальной фазой Амплитуды элементарных гармоник выбираются исходя из спектра реального морского волнения

Полигармоническое описание волнения обладает и определенной вычислительной универсальностью, позволяющей без изменения структуры вычислений, за счет лишь количественных изменений, переходить от простых моделей волнения к сложным, включая трехмерные

Третья глава работы посвящена разработке алгоритмического и программного обеспечения, основанного на обобщенной математической модели, приведенной в предыдущей главе Приводится и подробно описывается структура и укрупненная блок-схема разрабо1анного алгоритмического обеспечения Описывайся структура, состав и интерфейс программного обеспечения

Общая укрупненная блок-схема алгоритмического обеспечения, будет иметь структуру, приведенную на рис 3

Приведенная на рисунке линейная цепочка подпрограмм фактически соответствует обычным действиям пользователя при моделировании движения судна с заданной крыльевой схемой Блок задания геометрических факторов разбит на блок ввода и коррекции геометрии крыльевого устройства Вначале необходимо произвести ввод и коррекцию геометрии профилей, которые затем будут назначены различным элементам крыльевых устройств (блок 2) Геометрия крыльевых устройств, их профилировка, геометрия и состав органов управления задаются на следующем этапе, в блоке 3 Затем, в блоке 4, производится расчет гидродинамических характеристик заданного крыльевого устройства Здесь же пользователем могут быть произведены дополнительные расчеты эпюр давления Рассчитанные гидродинамические характеристики используются при моделировании динамики судна в блоке 5 Результаты расчетов и геометрических построений каждого этапа алгоритма сохраняются в промежуточных файлах и пользователь может начинать работу с любого из них Это делает систему гибкой и удобной в работе

На основе алгоритмического обеспечения был создан программный комплекс

I_

Вводи коррекция гсомсгрии профшы

Вводи коррекция геометрии КУ

А

Расчет 1ДХКУ

. л.

Моделирование динамики движения СПК

Л

Конец

Рис 3

В соответствие со структурой алгоритмического обеспечения производится и деление всего программного комплекса на отдельные исполняемые модули

1 Программа формирования профилей элементов КУ (Profile)

2 Программа формирования геометрии КУ (Geometry)

3 Программа расчета гидродинамических характеристик КУ (Calculation)

4 Программа моделирования динамики СПК (HSM)

Программирование осуществлялось в среде программирования Borland Delphi 5 под операционной системой Windows

[ Программный комплекс 1

HEZ

PROF1LF

Блок табличного задания координат

Блок графического отображения профиля

геометрических преобразований

Ь юк проверки

I

GEOMETRY

Ьлок табличного задания геометрии

Блок шблнчного

задания профили ровкя

Ьлок табличного задания ОУ

Ь юк (рафичсскосп редактирования

Ьток проверки

Профиль »-рила PRO

Геометрия грипя PLN 11рофииироа»а крыла DiS Геометрия органоа управления 11 Р

CALCULATION

Ьлок чтения исходных данных

Блок расчета в диьиаюне

Клок фиксированного расчета

Блок построения давления

Ьлок проверки

Программа расчет« PRO

Результаты расчета 1ДХ REZ

HSM

Блок задания параметров

Блок задания параметров волнения

Блок задания алгоритмов

Блок расчета

| Блок линеаризации

Блок проверки

Алгоритмы управления ALO Параметры расчета IISM Вптшение WAV

Результаты моделирования MOD

Рис 4 Структура программного обеспечения

Каждый программный модуль представляет собой исполняемый ехе-файл Общая структура программного обеспечения приведена на рис 4 Стрелками показаны типы файлы, в которых сохраняются настройки, геометрические параметры и результаты расчета отдельных модулей программною комплекса В ходе создания программного обеспечения был разработан специальный графический интерфейс программных модулей, упрощающий решение задач, поставленных перед программным обеспечением, ввод исходных данных, оценку и интерпретацию результатов расчетов и моделирования В частности, создан специальный векторный графический редактор КУ СПК, позволяющий в векторной визуальной форме с помощью стандартных средств графического пользовательского ин1ерфейса менять заданную таблично геометрию КУ (рис 5) Разработан специальный интерфейс задания нелинейных составляющих алгоритмов управления СУД СПК путем построения сложных математических выражений, включающих параметры движения СПК и их производные

Рис 5 Интерфейс векторного графического редактора программы Geometry

В четвертой главе приводится методика решения прикладных задач с помощью разработанного программного обеспечения, производится решение новых прикладных задач проектирования СУД СПК, проводится оценка и верификация разработанного программного обеспечения

Полученные в данной главе результаты подтверждают работоспособность и эффективность методов и алгоритмов, разработанных в диссертации

На рис 6 приведена визуализация методики использования программного обеспечения Стрелками на рисунке обозначены различные пути использования программных модулей, входящих в состав программного обеспечения

Рис 6 Визуализация методики использования программного обеспечения

На динамику СГ1К больше всего влияет гидродинамика его крыльевого комплекса В работе исследуется влияние изменения геометрии крыльевого устройства на динамические свойства судна В качестве прототипа выбрано судно «Олимпия» Расчет производится в соответствии с основной методикой проведения исследований (стрелки 1,2 3 на рис 6) С помощью программ Profile и Geometry по чертежам и таблицам исходных данных задается геометрия крыльевых устройств используемого прототипа -судна «Олимпия» С помощью графического редактора программы Geometry будем изменять угол килеватости кормового крыла от 5° до -5° с шагом 2,5° Таким образом получено 5 крыльевых устройств с разной геометрией С помощью программы Calculation рассчитываются гидродинамические характеристики полученных крыльевых устройств Затем с помощью программы HSM производится моделирование динамики судна с каждым из вариантов кормового крыла в различных режимах движения судна (на циркуляции на тихой воде, на управляемой циркуляции, при движении судна на волнении с разными курсовыми углами)

Полученные результаты моделирования позволяют сделать вывод, что увеличение и уменьшение угла килеватости кормового крыла не дает положительных результатов и ухудшает динамику судна в целом

Структура и коэффициенты алгоритмов СУД оказывают существенное влияние на динамику движения судна При этом, в случае использования того или иного алгоритма будут меняться максимальные силы, действующие на крыльевое устройство В момент действия максимальной боковой или вертикальной силы, крыло испытывает значительные нагрузки Разработанное программное обеспечение позволяет отследить влияние струетуры и коэффициентов алгоритмов управления на нагрузку, возникающую на разных участках крыла

Выбор коэффициен гов алгоритмов управления напрямую влияют на максимальные нагрузки, возникающие на подводных крыльях при движении судна на морском волнении При этом возможно, что выбранные коэффициенты обеспечивают приемлемые параметры движения, но ведут к недопустимых нагрузкам на крыльевых устройствах До сих пор исследование такого влияния было невозможно из-за отсутствия инструмента для их проведения С помощью разработанного программного обеспечения можно провести подобное исследование Для этого используется методика, соответствующая стрелке 5 на рис 6 С помощью программ Profile и Geometry по чертежам и таблицам исходных данных задается геометрию крыльевых устройств используемого прототипа - судна «Олимпия» С помощью программы Calculation рассчитываются гидродинамические характеристики носового к кормового КУ С помощью программы HSM проводится моделирование движения судна на волнении Фиксируется момент, когда на крыльях возникли максимальные силы и параметры движения, при которых они возникли Используем полученные параметры движения в момент максимальных сил в качестве исходных данных для построения диаграмм нагрузки на панелях КУ с помощью программы Calculation Шаги 3-5 повторяются для различных алгоритмов управления для того, чтобы отследить их влияние на изменение нагрузок на КУ

Проведенные исследования показали, что изменение коэффициентов алгоритмов управления оказывает существенное влияние на нагрузку, возникающую на КУ В частности, изменение некоторых коэффициентов алгоритма управления СПК «Олимпия» приводит к увеличению погонной нагрузки, возникающей панелях, на которые условно разделено носовое КУ, в момент действия на нем максимальной вертикальной силы

Наиболее полной технической характеристикой системы является эффективность функционирования - свойство, характеризующее соответствие системы ее целевому назначению в заданных условиях эксплуатации Численной мерой эффективности функционирования является критерий, включающий оценку различных сторон функционирования системы Вопрос разработки таких критериев применительно к СУД

кораблей и судов с автоматически управляемыми крыльевыми устройствами в настоящее время не получил окончательного решения Поэтому, постановка и решение задач прямого синтеза алгоритмической структуры СУД СПК по критерию функциональной эффективности до настоящего времени не проводилось

С помощью разработанного программного обеспечения была проведена оптимизация коэффициентов алгоритма управления СУД для судна с выбранной крыльевой схемой Оптимизация проводилась по квадратичному критерию эффективности функционирования СПК, включающему различные показатели, получаемые с помощью разработанного программного обеспечения

Исследовался алгоритм управления СПК «Олимпия» следующей структуры ~ * (V - - -В * «г =±С*в±й*фх

В результате проведенной оптимизации были получены определенные коэффициенты

Верификация и оценка алгоритмического и программного обеспечения показали, что разработанная математическая модель обладает достаточной степенью точности для проведения исследовательских, оценочных испытаний проектируемого СПК и его СУД

В заключении подводится итог проделанной работе, выделяются основные результаты и направления дальнейших исследований

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие результаты

1) Разработана обобщенная математическая модель СПК В отличие от существующих моделей различного типа предлагаемая математическая среда является средством, позволяющим оценить эффективность функционирования СПК на различных этапах проектирования и функционирования судна и объединяющим в комплекс математические модели динамики пространственного движения СПК, модель гидродинамики КК, ветро-волновых возмущений, модель СУД модель электрогидропривода, учитывая их взаимовлияние и взаимодействие

2) Применение системы имитационного моделирования определяет возможность получения достоверных априорных оценок выходных показателей судна, в том числе, показателей качества ею функционирования на всех этапах проектирования, что повышает эффективность проектирования и уменьшает вероятность принятия ошибочных решений на различных стадиях процесса проектирования

3) Предлагаемая модель учета внешних ветро-волновых возмущений, действующих на СПК, в отличие от существующих моделей, учитывает как физические особенности взаимодействия взволнованной морской поверхности с крыльевой схемой СПК так и случайную природу реального морского волнения Методика использует способ аппроксимации профиля волны по размаху крыла, позволяющий учесть волновое заглубление и дополнительный угол крена крыльевого устройства, возникающих за счет волнения и дает возможность вычисления возмушаюших сил и моментов, возникающих на крыльевом устройстве при движении в поле скоростей частиц жидкости, неравномерно распределенных по размаху крыла

4) Предложена методика решения различных прикладных задач проектирования СУД СПК, обеспечивающая не только быстрое и упрощенное решение классических задач исследовательского проектирования, но и ряда задач этапа рабочего проектирования

5) С использованием предложенных методик выполнено исследование влияния геометрии КК на динамические свойства СПК, проведено исследование влияния коэффициентов алгоритмов управления на нагрузку крыльевых устройств, проведена оптимизация коэффициентов алгоритма управления СУД для судна с выбранной крыльевой схемой Реализация методик рассматривается на примере СПК «Олимпия» Проведенные исследования показали, что геометрия крыльев сильно влияет на динамику судна, в частности, уменьшение угла килеватости кормового крыла приводит к резкому ухудшению его динамических качеств, а изменение коэффициентов алгоритмов управления оказывает существенное влияние на нагрузку, возникающую на КК (в частности, изменение некоторых коэффициентов алюриша управления СПК «Олимпия» приводит к увеличению погонной нагрузки, возникающей на панелях, на которые условно разделено носовое крыльевое устройство в момент действия на нем максимальной вертикальной силы)

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Клименков А Г , Стариченков А Л, Чернышева Т С Система информационной поддержки судоводителя при управлении движением судна на подводных крыльях // XXIX Всерос конф по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами Сб докладов - Рыбинск, 2002

2 Клименков АГ, Стариченков АЛ, Чернышева ТС Программное обеспечение тренажера по управлению движением судна на подводных крыльях // Навигация и управление движением Сб докладов IV конференции молодых ученых / Научный редактор д т н О А Степанов Под общ ред Академика РАН В Г Пешехонова - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 2002

3 Клименков А Г , Стариченков А Л, Чернышева Т С Программное обеспечение тренажера по управлению движением судна на подводных крыльях Тез докл IV конф молодых ученых «Навигация и управление движением» г Санкт-Петербург, 1214 марта 2002 г // Гироскопия и навигация -2002 -№3(38)

4 Клименков А Г, Турусов С Н Системный подход к проектированию судов на подводных крыльях с использованием метода компьютерного моделирования // Управление и информационные технологии Всероссийская научная конференция Сб докл - СПб 2004

5 Клименков А Г, Турусов С Н Чернышева Т С Компьютерное моделирование динамики СПК с произвольной крыльевой схемой // XXX Всероссийская конференция по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами, сборник докладов -СПб 2003

6 Клименков А Г , Никонов М С. Чернышева Т С Использование компьютерного моделирования при проектировании судов на подводных крыльях // Пятая международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям "Моринтех-2003" Материалы конференции (тез докладов) - СПб "Моринтех", 2003

7 Клименков А Г , Никонов М С , Стариченков А Л Программное обеспечение режима пространственного движения судна на подводных крыльях // Пятая международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям "Моринтех-2003" Материалы конференции (тез докладов) - СПб "Моринтех", 2003

8 Клименков А Г, Чернышева Т С Компьютерная технология исследований в обеспечении проектирования, эксплуатации и модернизации высокоскоростных //

Транспор!пая безопасность и технологии Национальный журнал-каталог - М -2005 -№1

9 Клименков А Г , Турусов С Н , Чернышева Т С Методика построения математических моделей в задачах обеспечения конструктивной безопасности судов на подводных крыльях // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Автоматизация и управление - СПб 2004 -№1

10 Клименков АГ, Чернышева ТС Методы построения обобщенной программно-алгоритмической модели судов на подводных крыльях // IX Санкт-Петербургская международная конференция Решональная информатика, Санкт-Петербург, 22-24 июня 2004 г Материалы конференции - СПб 2004

11 Клименков А Г , Турусов С Н Структура программно-алгоритмического комплекса по моделированию управляемого движения судов на подводных крыльях // Навигация и управление движением Сб докладов VI конференции молодых ученых / Научный редактор д т н О А Степанов Под общ ред Академика РАН В Г Пешехонова - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 2005

Подписано в печать 23 05 05 Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 44

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул Проф Попова, 5

<

IM 0 95Î

РНБ Русский фонд

2006-4 6600

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ. ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ

1.1. Постановка задачи.

1.2. Системный подход к созданию системы управления движением судов на подводных крыльях.

1.3. Реализация системного подхода на базе моделирования судна на подводных крыльях и его системы управления движением.

1.4. Обобщенная математическая модель системы управления движением судна на подводных крыльях.

Выводы по 1 главе.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ

2.1. Структура математической модели системы управления движением судна на подводных крыльях.

2.2. Математическая модель пространственного возмущенного движения судна на подводных крыльях.

2.3. Математический аппарат для расчета гидродинамических характеристик крыльевого комплекса.

2.4. Методика учета ветро-волновых возмущений, действующих на судно на подводных крыльях.

2.5. Линеаризованная модель динамики движения судна на подводных крыльях.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ

3.1. алгоритмическое обеспечение.

3.2. Программное обеспечение.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНОВ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ

4.1. Методика решения прикладных задач по оценке эффективности систем управления движением судов на подводных крыльях.

4.2. Влияние геометрии крыльевого устройства на динамические свойства судов на подводных крыльях.

4.3. влияния модификации алгоритмов управления системы управления движением судов на подводных крыльях на нагрузку крыльевого комплекса.

4.4. оптимизация алгоритмов управления систем управления движением судов на подводных крыльях.

4.5. Оценка и верификация алгоритмического и программного обеспечения. выводы по главе 4.

В настоящее время в мире получили широкое распространение различные типы гражданских и военных СПК. Различными зарубежными фирмами и концернами ведутся разработки новых технических решений, призванных повысить скорость СПК, их эксплуатационные, маневренные и динамические характеристики [94-100].

В нашей стране, проектирование и постройка многих типов судов, в связи с событиями новейшей истории, были практически прекращены, что в полной мере относится и к СПК. Однако, на сегодняшний день как в России, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья продолжается эксплуатация многих быстроходных судов, построенных еще в СССР. Эти суда требуют постоянного технического обслуживания, многие нуждаются в модернизации. Кроме того, на волне возрождения российского кораблестроения вероятно появление новых перспективных проектов высокоскоростных судов.

Многие авторы оптимистично оценивают будущее скоростного флота. Строительство судов с динамическими принципами поддержания в нашей стране начато несколько десятков лет назад. За это время построено свыше 1300 СПК и около 6000 катеров на подводных крыльях. В настоящее время тенденция увеличения спроса на скоростные суда на международном рынке сохраняется. Растет потребность в скоростных судах в регионах Юго-Восточной Азии. Одновременно с увеличением спроса на СПК, рынок повышает требования к их отдельных характеристикам: скорость, мореходность, безопасность, экономическая эффективность. Совокупное решение задач оптимизации подсистем судна в целом, согласно прогнозам ведущих специалистов, может привести к повышению эффективности СПК на 20-25% [12].

Качество функционирования СПК зависит от конструктивных, динамических, эксплуатационных, экономических и др. показателей, которые формируются на этапе проектирования и обычно определяются путем анализа процесса функционирования как судна в целом, так и отдельных конструкций и систем, входящих в его состав. В частности, качество функционирования морского СПК во многом определяется конструкцией его крыльевого комплекса (видом, геометрией, гидродинамикой подводных крыльев) и алгоритмической структурой его СУД. При проектировании нового судна нужно уделять повышенное внимание как проектированию самой СУД, так и проектированию исполнительных органов управления, которые фактически являются частью крыльевого комплекса. В свою очередь, гидродинамика крыльевого комплекса напрямую влияет на выбор алгоритмической структуры СУД.

Появление первых СПК в начале 60-х годов, определив необходимость автоматизации управлениях их движением, дало жизнь значительному количеству работ, посвященных различным методам проектирования и оптимизации систем управления и посвященных СУД СПК [52, 53, 55, 61, 69, 70, 72, 78, 77, 80, 92, 93].

Множество военных и гражданских организаций, высшие учебные заведения, институты Российской академии наук имеют богатый опыт научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектных работ в рассматриваемой предметной области.

Разработчиком подавляющего большинства СУД для СПК выступало НПО «Аврора». На нем были созданы системы типа «Бирюза», «Морион», «Коралл», экспериментальные СУД для различных СПК на АУПК, для катамаранов на АУПК. Было выполнено большое количество НИР и ОКР, касающихся моделирования динамики замкнутой системы СПК-СУД, выбора алгоритмической структуры, конструкции и элементной базы СУД. Кроме того, разработкой СУД (по заказу ЦМКБ «Алмаз»), навигационной аппаратуры для систем типа «Стрела» занимался ЦНИИ «Электроприбор». В МАИ им. С. Орджоникидзе проводились научные исследования по проектированию СУД СПК, выполненные д.т.н. Извольским и его учениками. Теоретические исследования в области синтеза алгоритмической структуры СУД СПК выполнены на кафедре Корабельных систем управления СПб ГЭТУ («ЛЭТИ») в 90-х годах.

Основные теоретические исследования, призванные обеспечить создание СУД СПК выполнены ведущими учеными и их учениками: д.т.н., проф. Скороходовым Д.А., д.т.н., проф. Лукомским Ю.А., к.т.н. Кузиным В.П., к.т.н. Носовым Л.А., к.т.н. Бочаговым В.И., к.т.н. Шлеенковым И.Ф., к.т.н. Чернышом Ю.Н., к.т.н. Метлиным В.В., к.т.н. Чернышевой Т.С., д.т.н., проф. Бесекерским В.А. и другими.

Вопросу проектирования и эксплуатации высокоскоростных судов за последние 30 лет было посвящено большое количество справочников, изданий и статей. Среди них можно выделить Справочник по теории корабля под редакцией Я. И. Войткунского [80], в котором большой раздел посвящен проектированию судов с динамическими принципами поддержания (СДПП), а также Справочник по проектированию СДПП, выпущенный в 1980 году [44]. Вопросы проектирования высокоскоростных судов также рассмотрены в изданиях [11, 15, 43]. В этих изданиях достаточно подробно рассматривается процесс расчета и проектирования СПК. Кроме того, в последнее время вышло несколько книг, посвященных непосредственно СПК [7, 26, 28, 30, 57]. Выпущен ряд изданий, посвященных вопросам эксплуатации и ремонту СПК, например, [47, 75].

Отдельно следует выделить труды, посвященные гидродинамике подводного крыла. Среди них есть и фундаментальные работы, описывающие общую теорию движения крыла вблизи границы раздела двух сред [3, 4, 16, 62], и различные работы, посвященные новым способам проектирования и исследования крыльевых устройств СПК [19,20, 23, 74, 82]. Некоторые издания посвящены гидродинамике СПК в целом [21, 65].

Ряд изданий посвящен вопросу прочности крыльевых устройств СПК, например [54]. В последние годы стали появляться публикации по системному, комплексному подходу к определению прочности крыльевых устройств, например [24]. Поскольку, прочность конструкций СПК является одним из необходимых условий безопасности судна и его пассажиров, велись целенаправленные исследования в этом направлении.

Большое количество работ посвящено вопросу проектирования систем управления движением. Среди них можно выделить такие, как [31, 46, 76, 77, 78]. Ряд работ посвящен оценке их эффективности [29, 61,81,91, 92]. При этом, общим недостатков всех этих работ является то, что динамические свойства объекта управления (СПК) в них обычно считаются постоянными. Такой подход не позволяет всесторонне исследовать эффективность системы управления, оценить степень взаимовлияния объекта управления и системы управления друг на друга.

В последние годы в различных журналах и специализированных изданиях стали появляться статьи, посвященные применению современных методов проектирования в процессе создания СПК, его крыльевой схемы. В качестве примера можно привести следующие работы: [8, 25,27, 45, 48, 68, 89].

Можно указать также ряд иностранных диссертационных работ и публикаций [59, 94, 95, 98, 99, 100], в которых излагаются результаты научных исследований, ведущихся специалистами разных стран по совершенствованию конструкции и повышению эффективности СПК.

Обзор литературы, посвященной проектированию СПК и его отдельных конструкций и систем показал, что большинство научных работ по этому вопросу посвящено определенной, специализированной теме: разработке системы управления, проектированию крыльевых устройств, исследованию прочности конструкций крыльевого комплекса. Те же работы, которые посвящены проектированию СПК в целом мало касаются разработке систем управления его движением. Только недавно стали появляться работы, в которых рассматривается методика комплексного подхода к проектированию СПК и использования для этого специально разработанного алгоритмического и программного обеспечения, например [82]. Применение системного подхода к проектированию СПК и его подсистем (в частности, СУД) позволило бы восполнить этот пробел, повысить эффективность проектируемых судов, уровень их оптимизации.

СПК является сложной организационно технической системой (ОТС) и включает ряд основных подсистем, совместная работа которых определяет эффективность функционирования объекта в целом. Частные задачи обеспечения функционирования указанных подсистем на всех этапах жизненного цикла тесно взаимосвязаны и носят системный характер. Решение этих задач для нового объекта связано с проведением сложных разнопрофильных научно-исследовательских и проектных работ, и требует взаимодействия многих специализированных организаций, обеспечивающих его техническое оснащение и эксплуатацию, основанного на едином — системном -подходе к обеспечению эффективности функционирования СПК. Однако, в настоящее время отсутствуют единый системный методологический подход и комплексная технология повышения эффективности эксплуатации новых высокоскоростных морских и речных транспортных средств и основных технических систем. Организации, участвующие в их создании, выполняют указанные работы на основе собственных научно-исследовательских проработок и технологий. При этом имеет место дублирование в решении каждой из этих организаций задач разработки сложных математических моделей, программного обеспечения и собственно исследований динамики объекта, что приводит к значительному удорожанию, увеличению сроков разработок, существенно увеличивает вероятность ошибок и несогласованностей. Поэтому к моменту ввода объекта в эксплуатацию принятые технические решения часто оказываются недостаточно отработанными ввиду ограниченности средств и сроков проектирования, либо недостаточно привязанными к объекту и требуют доработки уже в процессе его эксплуатации.

Целью диссертационной работы является разработка математического и программного обеспечения СУД СПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ СУД, обеспечивающей функционирование СПК, на основе системной методологии.

2. Разработка обобщенной математической модели СПК как объекта управления.

3. Разработка математического обеспечения обобщенной математической модели СПК.

4. Разработка программного обеспечения обобщенной математической модели СПК.

5. Решение новых прикладных задач построения СУД СПК с использованием разработанного программного обеспечения.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 100 наименований.

Выводы по главе 4

1. Разработана методика решения различных прикладных задач проектирования СУД СПК. Разработанное программное обеспечение обеспечивает быстрое и упрощенное решение не только существующих задач, связанных с моделированием динамики пространственного движения СПК и проектированием его СУД, но и ряда новых задач, решение которых без разработанного алгоритмического и программного обеспечения было бы невозможным.

2. С помощью разработанного программного обеспечения проведено исследование влияния геометрии крыльевого комплекса на динамические свойства судна, которое показало, что геометрия крыльев сильно влияет на динамику судна. В частности, уменьшение угла килеватости коромового крыла СПК «Олимпия» приводит к резкому ухудшению его динамических качеств.

3. С помощью разработанного программного обеспечения проведено исследование влияния коэффициентов алгоритмов управления на нагрузку крыльевых устройств. Проведенные исследования показали, что изменение коэффициентов алгоритмов управления оказывает существенное влияние на нагрузку, возникающую на КУ. В частности, изменение некоторых коэффициентов алгоритма управления СПК «Олимпия» приводит к увеличению погонной нагрузки, возникающей панелях, на которые условно разделено носовое КУ, в момент действия на нем максимальной вертикальной силы.

4. Верификация и оценка алгоритмического и программного обеспечения показали, что разработанная математическая модель обладает достаточной степенью точности для проведения исследовательских, оценочных испытаний проектируемого СПК и его СУД.

Заключение

Содержание диссертационной работы составляет рассмотрение вопросов создания алгоритмического и программного обеспечения системы управления движением СПК, реализованное с помощью системного подхода к процессу проектирования СПК в целом, как единой системы.

Целью диссертации является разработка алгоритмического и программного обеспечения СУД СПК как важнейшей системы, обеспечивающей функционирование СПК в целом и повышение эффективности его эксплуатации.

Центральное внимание в работе уделяется:

- Анализу СУД, обеспечивающей функционирование СПК, на основе системной методологии.

- Разработке структуры и состава системы имитационного моделирования динамики движения СПК.

- Разработке алгоритмического обеспечения СУД СПК.

- Разработке программного обеспечения СУД СПК.

- Решению новых прикладных задач проектирования СУД СПК с использованием разработанного программного обеспечения.

Основными результатами, достигнутыми в диссертационной работе являются:

1. Разработана система имитационного моделирования СУД СПК. В отличие от существующих моделей различного типа предлагаемая система является средством, позволяющим оценить эффективность функционирования СПК на различных этапах проектирования и функционирования судна, и объединяющим в комплекс математические модели динамики пространственного движения СПК, модель гидродинамики крыльевого комплекса СПК, ветро-волновых возмущений, модель СУД, модель электрогидропривода, учитывая их взаимовлияние и взаимодействие.

2. Применение системы имитационного моделирования определяет возможность получения достоверных априорных оценок выходных показателей судна, в том числе, показателей качества его функционирования на всех этапах проектирования, что повышает эффективность проектирования и уменьшает вероятность принятия ошибочных решений на различных стадиях процесса проектирования.

3. Предлагаемая методика представления внешних волновых возмущений, действующих на СПК, в отличие от существующих методик, учитывает как физические особенности взаимодействия взволнованной морской поверхности с крыльевой схемой СПК, так и случайную природу реального морского волнения. Методика использует способ аппроксимации профиля волны по размаху крыла, позволяющий учесть волновое заглубление и дополнительный угол крена крыльевого устройства, возникающих за счет волнения и дает возможность вычисления возмущающих сил и моментов, возникающих на крыльевом устройстве при движении в поле скоростей частиц жидкости, неравномерно распределенных по размаху крыла.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение обладает удобным графическим интерфейсом программных модулей, что упрощает решение задач проектирования, ввод исходных данных, оценку и интерпретацию результатов расчетов и моделирования. В частности, создан специальный векторный графический редактор крыльевых СПК, позволяющий в визуальной форме менять заданную таблично геометрию КУ и разработан специальный метод задания нелинейных составляющих алгоритмов управления СУД СПК путем построения сложных математических выражений, включающих параметры движения СПК и их производные.

5. Предложена методика решения различных прикладных задач проектирования СУД СПК, обеспечивающая не только быстрое и упрощенное решение классических задач проектирования, но и ряда задач этапа рабочего проектирования.

6. С использованием предложенных методик выполнено исследование влияния геометрии крыльевого комплекса на динамические свойства СПК; проведено исследование влияния коэффициентов алгоритмов управления на нагрузку крыльевых устройств; проведена оптимизация коэффициентов алгоритма управления СУД для судна с выбранной крыльевой схемой. Реализация методик рассматривается на примере СПК «Олимпия». Проведенные исследования показали, что геометрия крыльев сильно влияет на динамику судна, в частности, уменьшение угла килеватости кормового крыла приводит к резкому ухудшению его динамических качеств, а изменение коэффициентов алгоритмов управления оказывает существенное влияние на нагрузку, возникающую на КК (в частности, изменение некоторых коэффициентов алгоритма управления СПК «Олимпия» приводит к увеличению погонной нагрузки, возникающей на панелях, на которые условно разделено носовое крыльевое устройство в момент действия на нем максимальной вертикальной силы).

Предлагаемые новые методологические принципы и основанные на них компьютерная технология, алгоритмическое и программное обеспечение представляют новый, не имеющий аналогов современный эффективный инструмент системного исследования эффективности функционирования СПК. Он предназначен для использования различными организациями, участвующими в создании, эксплуатации и модернизации таких объектов и отвечающими за безопасность и эффективность их функционирования.

Разработанное программное обеспечение позволяет достичь взаимосвязанности, повышения качества технических решений при существенном сокращении сроков и стоимости создания новых и модернизации существующих объектов рассматриваемого типа.

1. Алексеев В.Г. Опыт постройки скоростных судов в условиях рынка. // Тезисы докладов двенадцатой научно-технической конференции по проектированию скоростных судов. - Н.Новгород, 1997.

2. Бакнелл Дж. Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi. -Киев: Диасофт, 2003.

3. Басин М.А., Шадрин В.П. Гидроаэродинамика крыла вблизи границы раздела сред. JL: Судостроение, 1980.

4. Белоцерковский С.М. Тонкая несущая поверхность в дозвуковом потоке газа. -М.: Наука, 1965.

5. Белый О.В., Копанев A.A., Попов С.С. Системология и информационные системы. Монография. СПб.: СПГУВК, 1999.

6. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М,: Наука, 1975.

7. Блюмин В.И., Иванов JI.A., Масеев М.Б. Транспортные суда на подводных крыльях. М.: Транспорт, 1964.

8. Бобков Л.М., Блинов В.И. К вопросу о проектировании сверхскоростных парусных катамаранов на подводных крыльях. // Судостроение. -2000. №1.

9. Бородай Е.И., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении. JL: Судостроение, 1969.

10. Ю.Бородай Е.И., Нецветаев Ю.А. Мореходность судов: Методы оценки. — JL: Судостроение, 1982.

11. Ваганов A.M. Проектирование скоростных судов. JI.: Судостроение, 1978.

12. Василевский И.М. Состояние и перспективы развития скоростного судостроения. // Тезисы докладов двенадцатой научно-технической конференции по проектированию скоростных судов. Н. Новгород, 1997.

13. Веников В. А., Веников Г. В. Теория подобия и моделирования М.: Высшая школа, 1984.

14. М.Верлань А.Ф., Ефимов И.Е., Латышев A.B. Вычислительные процессы в системах управления и моделирования. Л.: Судостроение, 1981.

15. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории корабля.

16. Л.: Государственное союзное издательство судостроительнойпромышленности, 1960.

17. Войткунский Я.И., Фадеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика. — Л.: Судостроение, 1982.

18. Волкова A.B. Алгоритмическое и программное обеспечение многокритериального конструирования систем управления: Автореф. дисс. . канд. тех. наук. -М, 1999.

19. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85). Схемы алгоритмов, программ данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. 1990.

20. Гур-Мильнер С.И. Метод коллокаций для определения аэродинамических производных крыла произвольной формы в плане. // Труды ЛКИ. — Л., 1976. -Вып. 104.

21. Дьяченко В.К. Проблемы гидродинамики скоростных судов. // Тезисы докладов научно-технической конференции «Современные проблемы теории корабля» (Крыловские чтения 1995 г.) СПб., 1995.

22. Егоров И.Т., Соколов В.Т. Гидродинамика быстроходных судов. -Л.: Судостроение, 1971.

23. Егоров Л.Н., Попов Б.Н., Сорокин Л.М. Вычислительные методы и программирование инженерных задач. Л.: Институт водного транспорта, 1988.

24. Животовский Г.А., Перельман B.C. Проектирование крыльевых устройств судов на подводных крыльях с учетом их сопротивления. // Тезисы докладов двенадцатой научно-технической конференции по проектированию скоростных судов. Н.Новгород, 1997.

25. Животовский Г.А., Родионов A.A. Комплексный расчет прочности крыльевых устройств судов на подводных крыльях // Судостроение. — 2004. -№1.

26. Ивашкевич В.П., Скороходов Д.А. Принципы оценки эффективности систем управления движением / Сб. тр. Совета по управлению движением кораблей и судов. М.: ИПУ АН СССР, 1984. - Вып. 11.

27. Квейд Э. Анализ сложных систем. Пер. с англ. М.: Советское радио, 1969.

28. Клименков А.Г., Турусов С.Н. Системный подход к проектированию судов на подводных крыльях с использованием метода компьютерного моделирования // «Управление и информационные технологии» Всероссийская научная конференция. Сб. докладов СПб.: 2004.

29. Клименков А.Г., Турусов С.Н., Чернышева Т.С. Компьютерное моделирование динамики СПК с произвольной крыльевой схемой // XXX Всероссийская конференция по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами, сборник докладов. СПб.: 2003.

30. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

31. Колызаев Б.А., Косоруков А.И., Литвиненко В.А., Г.И.Попов. Особенности проектирования судов с новыми принципами движения. Л.: Судостроение, 1974.

32. Колызаев Б. А., Косоруков А.И., Литвиненко В. А. Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания. Л.: Судостроение, 1980.

33. Компьютер-Верфь Корабль. Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1981.

34. Корчанов В.М., Скороходов Д.А. Перспективы развития систем управления движением. // Тезисы докладов научно-технической конференции «Современные проблемы теории корабля» (Крыловские чтения 1995 г.) — СПб., 1995

35. Кудрявцев Н.В., Недякин А.И., Панков Е.А. Эксплуатация и ремонт судов на подводных крыльях. М.: Транспорт, 1964.

36. Кэнту М. Delphi для профессионалов. СПб.: Питер, 1999.

37. Лонге-Хиггенс. Статистический анализ случайной движущейся поверхности. В кн. «Ветровые волны». М.: Иностранная литература, 1962.

38. Луговский В.В. Динамика моря. Л.: Судостроение, 1976.

39. Лукомский Ю.А., Корчанов В.М. Управление морскими подвижными объектами. СПб.: Элмор, 1996.

40. Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление движением судов. СПб.: Элмор, 2002.

41. Маттес Н.В., Уткин A.B. Прочность судов на подводных крыльях. Л.: Судостроение, 1966.

42. Мирошников А.Н., Румянцев С.Н., Моделирование систем управления технических средств транспорта. СПб.: Элмор, 1999.

43. Морозов В.В., Скороходов Д.А. Системный анализ и принятие решений. -СПб.: Военно-морской инженерный институт, 2004.

44. Муругов B.C., Яременко О.В. Морские суда на подводных крыльях. — М.: Морской транспорт, 1962.

45. Надежность и эффективность в технике: Справочник / Под редакцией А.И. Рембезы. М.: Машиностроение, 1986.

46. Нгуен Нгок Тхать. Разработка методики оптимизации проектных характеристик пассажирских судов на подводных крыльях для Республики Вьетнам 05.08.13: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л., 1990.

47. Неклюдов С. Ю. Алгоритмизация и программирование вычислительных методов на языке Borland Pascal. СПб.: СПбГУВК, 2003.

48. Опыт применения на СПК автоматических систем управления движением / Дядюро Г.А., Кириллов Г.И., Аширов A.A., Ярошенко М.П. // Тезисы докладов двенадцатой научно-технической конференции по проектированию скоростных судов. Н.Новгород, 1997.

49. Панченков А.Н. Гидродинамика подводного крыла. Киев: Наукова думка, 1965.

50. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989. 367 с.

51. Пирсон В.Д. Ветровые волны. В кн. «Ветровые волны». М.: Иностранная литература, 1962.

52. Плисов Н.Б., Рождественский К.В., Трешков В.К. Аэрогидродинамика судов с динамическими принципами поддержания: Учеб. пособие для вузов по спец. "Кораблестроение" и "Гидроаэродинамика". JL: Судостроение, 1991.

53. Правила классификации и постройки морских судов. Тт. 1-2. Регистр СССР. JL: Судостроение, 1982.

54. Правила обеспечения безопасности судов с динамическими принципами поддержания : Утв. Регистром СССР в 1990 г. JL: Регистр СССР, 1990.

55. Предэскизное автоматизированное проектирование надводных судов/ Гайкович А.И., Калмук A.C., Козлов A.C., Пегашев Г.Ю., Смирнов С.А., Фирсов В.Б. // Судостроение. -2002. -№5.

56. Программа проверочного расчета подводного крыла произвольной геометрии. Метод решения задачи и алгоритм программы. Морской Регистр России, НПП «Форма» СПб.: 1993.

57. Программа проверочного расчета подводного крыла произвольной геометрии. Руководство пользователя. Морской Регистр России, НПП «Форма» СПб.: 1993.

58. Протокол испытаний головной системы «Бирюза-2» на судне «Колхида». — JL: НПО «Аврора», 1982.

59. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики. — М.: Машиностроение, 1980.

60. Рождественский К.В. Метод сращиваемых асимптотических разложений в гидродинамике крыла. Л.: Судостроение, 1979.

61. Селюженок Е.Ф. Крылатые суда. -М.: Воениздат, 1964.

62. Скороходов Д.А. Синтез алгоритмических структур систем управления движением судов на подводных крыльях / Сб. тр. Совета по управлению движением кораблей и судов. М.: ИПУ АН СССР, 1989. - Вып. 16.

63. Скороходов Д. А. Системы управления движением кораблей с динамическими принципами поддержания. СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2000.

64. Скороходов Д.А., Чернышева Т.С. Особенности управления движением судов с динамическими принципами поддержания. // Тезисы докладов двенадцатой научно-технической конференции по проектированию скоростных судов. Н.Новгород, 1997.

65. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985.

66. Справочник по теории корабля: В 3 т. / Под редакцией Войткунского Я.И. -JL: Судостроение, 1985.

67. Старцев С.Б. Прогнозирование эффективности крыльевых органов управления движением корабля. // Судостроение. -2001. -№3.

68. Старцев С.Б. Создание компьютерных технологий расчета аэрогидродинамики судовых крыльевых конструкций. // Судостроение. — 2001. -№4.

69. Устенко A.C. Основы математического моделирования и алгоритмизации процессов функционирования сложных систем.

70. Фаронов В.В. Delphi. Программирование на языке высокого уровня. — СПб.: Питер, 2003.8 5.Фокс Ф., Пратг М. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве. М.: Мир, 1982.

71. Фоли Дж., ван Дэм Ф. Основы интерактивной машинной графики. — М.: Мир, 1985.

72. Фрид Е.Г. Устройство судна. Л.: Судостроение, 1982.

73. Холодилин А.Н., Шмырев А.Н. Мореходность и стабилизация судов на волнении. — JL: Судостроение, 1976.

74. Царев Б.А. Доминантный подход при оптимизации проектных характеристик высокоскоростных судов. // Тезисы докладов двенадцатой научно-технической конференции по проектированию скоростных судов. -Н.Новгород, 1997.

75. Целемецкий В.А. Основы технической системологии. СПб.: Военно-морской инженерный институт, 2000.

76. Черныш Ю.Н., Чернышева Т.С., Шлеенков И.Ф. Оценка влияния параметров СУД на мореходные качества КПК // Вопросы кораблестроения. Сер. Корабельная автоматика. 1981. - Вып. 13.

77. Dwayne A.Bourgoyne, Steve L.Ceccio, David R.Dowling. Hydrofoil Turbulent Boundary Layer Séparation at High Reynold Numbers // Naval Hydrodynamic Symposium Paper, 2000.

78. Jiahn-Horng Chen, Ying-Chieh Weng, A Semi-Direct Method for Analysis of Flow Past a Two-Dimensional Supercavitating Hydrofoil // Proc. Natl. Sei. Counc. ROC(A). -1999. -Vol.23. -No.5. c. 591-598.

79. Hydrodynamic of Hydrofoil Craft Subcavitating Hydrofoil Systems. Bureau of Ships Department of the Navy, technical report 463-1, Appendix B: Generic Hydrofoil Trade Study // Hydronautics Incorporated.

80. Hydrodynamic of Hydrofoil Craft Subcavitating Hydrofoil Systems. Bureau of Ships Department of the Navy, technical report 463-1, Appendix C: Test Data Comparisons // Hydronautics Incorporated.

81. Hydrofoil Design and Optimization for Fast Ships / E. Besnard, A.Schmitz, K.Kaups, G.Tzong, H.Hefazi, O.Kural, H.Chen, T.Cebeci. // Processing of the 1998 ASME International Congress and Exhibition Anaheim, CA, Nov, 1998.

82. Lifting Surface Flow, Pressure, and Vibration at High Reynolds Numbers / Dwayne A.Bourgoyne, Steve L.Ceccio, David R.Dowling, Carolyn Q.Judge, Joshua M.Hamel // American Society of Mechanical Engineering Conference Paper, 2001.

83. Modeling and Experiments of the Hysteretic Response of an Active Hydrofoil Actuated by SMA Line Actuators. / D.C. Lagoudas, L.J.Garner, O.K.Rediniotis, N.Wilson // Smart Structures. Kluwer Academic Publisher —1999. -c. 153-162.