автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системы управления и тренажерные комплексы морских подвижных объектов изучения и освоения Мирового океана



^ На правах рукописи

\

НЕЧАЕВ Виктор Анатольевич

Системы управления и тренажерные комплексы морских подвижных объектов изучения и освоения Мирового океана

Специальность 05.13.01 - Управление в технических

системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пенза 1998

Работа выполнена в Мордовском государственном университете, имени Н.П.Огарева.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Годунов А.И., доктор технических наук профессор Лукомский Ю.А., доктор технических наук профессор Мироновский Л.А.

/

Ведущее предприятие - Мурманское АО "Нефтегазтехнология"

Защита диссертации состоится 25 июня 1998 г. в часов, на заседании диссертационного совета Д 063.18.03 в Пензенском государственном университете по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан 20 мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук профессор

В. В. Смогунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Технический прогресс во всех сферах деятельности человечества во многом зависит от объема добываемых энергетических и минеральных ресурсов. Истощение месторождений на суше привело к необходимости освоения Мирового океана — богатейшего источника нефти, газа, же-лезомарганцевых конкреций, других сырьевых ресурсов.

Освоение морских месторождений требует значительных и все более возрастающих капитальных и эксплуатационных расходов, соизмеримых с расходами на освоение космоса. Однако даже с учетом этого в ближайшие годы, по прогнозам специалистов, почти половина всего объема нефти и газа будет добываться со дна Мирового океана. В этой связи, несмотря на существующие экономические трудности, в России последовательно проводится курс на широкое развертывание комплексных исследований глубоководных районов и континентального шельфа Мирового океана, что невозможно без создания надежного, высокопроизводительного оборудования. Вследствие этого появились новые технические средства, в том числе морские подвижные объекты (МПО), такие, как буровые суда и плавучие буровые установки, научно-исследовательские суда, буксирующие за кормой аппаратуру на кабель-тросах большой протяженности, необитаемые буксируемые глубоководные аппараты, суда-трубоукладчики.

Эффективность эксплуатации перечисленных технических средств во многом зависит от качества решения таких задач управления движением, как стабилизация судов'-буксиров на заданной траектории, обеспечение движения буксируемых подводных аппаратов на заданном расстоянии от дна, стабилизация буровых судов и установок над устьем бурения. Одновременно требуется обеспечить безаварийную и высокоэффективную эксплуатацию дорогостоящей научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования.

При этом исключительную важность приобретает проблема подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров для управления МПО с помощью тренажеров и тренажеров—советчиков операторов. Известные зарубежные тренажерные комплексы (ТК) построены на основе фирменных вычислительных комплексов, поэтому сведения об аппаратной и программной реализации ТК носят в основном рекламный характер, являются секретом фирм-изготовителей.

Отечественными и зарубежными учеными накоплен значительный опыт в разработке систем управления движением традиционных морских подвижных объектов. Однако попытки непосредственно использовать известные методы и алгоритмы для решения новых задач часто не приносят желаемого результата. Это во многом связано с особенностями задач управления рассматриваемыми объектами, отсутствием удобных для использования в целях управления математических моделей новых видов МПО, недостаточной эффективностью традиционных методов оптимизации и алгоритмизации для комплексного решения задач управления МПО.

В этих условиях проблемы создания систем управления, разработки математических моделей, методов и алгоритмов управления, направленных на решение задач управления рассматриваемым классом МПО, разработки высококачественных и надежных средств контроля и обучения операторов-судоводителей весьма актуальны.

Эффект от использования разработанных методов и алгоритмов выражается в существенном повышении производительности научно-исследовательских и добычных работ на море, в снижении аварийности работы дорогостоящего оборудования, облегчении труда операторов и судоводителей, повышении достоверности результатов исследований Мирового океана.

Актуальность тематики подтверждается решениями всесоюзных и всероссийских совещаний по автоматизации процессов управления техническими средствами исследования Мирового океана, международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференций "Технические средства изучения и освоения океана", "Проблемы научных исследований в области изучения Мирового океана", "Методы и средства управления технологическими процессами" и др.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке принципов, методов и алгоритмов функционирования систем управления и ТК морских подвижных объектов, характеризующихся большой протяженностью, нестационарностью характеристик, непостоянством критериев управления, существенной инерционностью, значительными ограничениями на переменные управления и состояния, большой вероятностью повреждения дорогостоящего оборудования в процессе эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

— разработка принципов, методов и алгоритмов управления рассматриваемым классом МПО в условиях неполной контролируемости внешних возмущений, существенных ограничений на переменные управления и состояния, значительной инерционности управляемых процессов, непостоянства критериев качества управления;

— разработка и исследование математических моделей класса МПО, включающего суда-буксиры научно-исследовательской аппаратуры, буровые суда и буксируемые подводные аппараты;

— построение и исследование моделей сейсмографной косы, кабель-тросов буксируемых подводных аппаратов и магнитометров, буровых колонн, обеспечивающих возможность расчета статических и динамических параметров в реальном и ускоренном масштабах времени;

— разработка методов и алгоритмов прогнозирования движения МПО, обеспечивающих безаварийную эксплуатацию бурового оборудования и научно-исследовательской аппаратуры большой протяженности;

— разработка и исследование алгоритмов координатного оценивания навигационной информации для определения векторов текущего состояния управляемых МПО;

( — разработка алгоритмов адаптации моделей МПО, обеспечивающих высокое качество управления и прогнозирования при нестационарности характеристик управляемых процессов в условиях неконтролируемости внешних возмущений;

— разработка, экспериментальное исследование и внедрение принципов, методов и алгоритмов управления для бортовых систем управления МПО и в составе тренажерных комплексов операторов МПО;

— разработка требований к бортовым управляющим ЭВМ и вычислительным средствам тренажерных комплексов, обеспечивающим реализацию полученных алгоритмов управления, прогнозирования и обучения;

— разработка структуры, принципов и алгоритмов функционирования тренажерных комплексов, включающих алгоритмы целенаправленного обучения операторов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, матричная алгебра, аппарат комплексных переменных, методы решения уравнений в частных производных, методы и аппарат теории динамического программирования, нечетких множеств и аналитического конструирования регуляторов, элементы теории оптимальной фильтрации, методы планирования эксперимента, методы возмущений и согласованных асимптотических разложений, цифровое моделирование.

Научная новизна и значимость работы определяется тем, что она дает новый универсальный для целого класса МПО подход к построению систем управления и тренажерных комплексов для подготовки и переподготовки операторов МПО. На основе системного подхода разработаны новые пути и методы решения ряда входящих в основную проблему самостоятельных задач, определяющих содержание выносимых на защиту положений и результатов, к основным из которых относятся:

— обоснована целесообразность использования для комплексного решения задач управления МПО принципов управления с прогнозированием на "быстрых" моделях;

— разработаны и исследованы математические модели движения протяженных элементов МПО, включающие модели сейсмографией косы, кабель-тросов буксируемых глубоководных аппаратов и магнитометров, буровых колонн, получены алгоритмы расчета статических и динамических характеристик в реальном и ускоренном масштабах времени;

— получены и исследованы математические модели движения судов-буксиров в режиме стабилизации на траектории, буксируемых подводных аппаратов, движущихся на 'заданном расстоянии от дна, буровых судов в режиме стабилизации над устьем сквцжины, учитывающие влияние на них протяженных элементов МПО;

— разработаны алгоритмы оперативной идентификации моделей МПО, обеспечивающие поддержание высокого качества управления в условиях нестационарности характеристик управляемых объектов и неконтролируемости внешних возмущений в процессе эксплуатации;

— разработаны метод и алгоритмы цифрового квазиоптимального управления МПО, базирующиеся на принципах, управления с прогнозированием по входу-выходу моделей с использованием процедуры динамического прогнозирования в ретроспективном времени и обеспечивающие высокое качество управления в условиях жестких ограничений на переменные управления и состояния при изменении критериев качества в процессе функционирования;

— разработаны метод и алгоритмы ускоренного прогнозирования движения МПО, обеспечивающие снижение аварийности эксплуатации научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования в процессе изучения и освоения Миррэого океана;

— разработаны теоретические аспекты реализации метода управления с прогнозированием: установлена связь между интервалом коррекции управления, интервалом экстраполяции, дискретностью разбиения областей изменения переменных управления и состояния с качеством управления; определено оптимальное сочетание варьируемых параметров алгоритмов управления для каждого из рассматриваемых МПО;

— разработаны принципы построения, структура и алгоритмы функционирования тренажерных комплексов и тренажеров—советчиков операторов, предназначенных для подготовки операторов к управлению МПО как в нормальных, так и в экстремальных условиях, контроля действий оператора в процессе проведения добычных и исследовательских работ на море.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты позволяют существенно поднять уровень автоматизации движения МПО в процессе изучения и освоения Мирового океана, повысить безопасность эксплуатации дорогостоящего добычного и исследовательского оборудования, обеспечить необходимый уровень подготовки и переподготовки операторов-судоводителей. Это подтверждается приведенными в диссертации примерами решения задач по определению характеристик МПО, фильтрации навигационной информации, адаптации систем управления, оптимизации управления, результатами натурных испытаний. Разработанные методы, алгоритмы и пакеты программ позволяют решать широкий круг задач, связанных с проектированием систем управления движением рассматриваемого класса МПО, создать основы инженерного расчета и реализации тренажерных комплексов и тренажеров—советчиков операторов МПО.

Разработанные в диссертации математические модели, адаптивные алгоритмы управления движением МПО, методы синтеза и проектирования цифровых прогнозирующих систем управления нашли практическое применение в инженерной практике ряда проектно-конструкторских организаций и производственных объединений геологии, гйзовой, нефтяной и электротехнической промышленности. Реализация предложенных в работе алгоритмов управления МПО приводит к повышению производительности труда, увеличению достоверности результатов морских исследований, снижению аварийности, служит основой для изготовления и внедрения тренажерных комплексов для операторов МПО.

Реализация и внедрение результатов. Па основе разработанных алгоритмов реачизована система управления движением научно-исследовательских судов—буксиров сейсмографных кос и магнитометров. Она внедрена в составе первого отечественного навигационно-гёофшического комплекса " МАРС" на судах "Академик Архангельский", "Исследователь" и "Север".

Алгоритмы управления положением буксируемого аппарата положены в основу при разработке автоматизированной системы управления комплексом для глубоководных исследований "МАРС-АБИССАЛЬ", в частности во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам освоения нефтяных и газовых ресурсов континентального шельфа (г. Москва).

Результаты работы использованы при проектировании технических средств подготовки операторов буровых судов на предприятиях нефтегазового комплекса России, в частности в АО "Нефтегазтехнология" (г. Мурманск).

Результаты исследований положены в основу реализации проекта N 19 Федеральной программы экономического и социального развития Республики Мордовия на 1996 — 2000 гг. "Центр тренажеростроения России для подготовки специалистов динамического и якорного позиционирования плавучих объектов разведки и добычи нефти и газа в континентальном шельфе Российской Федерации", использовались при подготовке операторов МПО во ВНИПИ "Морнефтегаз".

Принципы управления с прогнозированием положены в основу внедренной в ОАО "Лисма" (г. Саранск) системы управления разогревом и вытяжкой кварцевых труб на базе индукционных печей.

Математические модели буровых судов совместно с буровыми колоннами, структура и алгоритмы функционирования тренажерных комплексов нашли применение в департаменте "Морнефть" государственного предприятия "Роснефть" при выполнении совместных работ по созданию тренажеров для обучения, тренировки и отбора специалистов по системам динамического и якорного позиционирования.

Принципы построения и программное обеспечение тренажерных комплексов, предназначенных для подготовки операторов к управлению буровыми судами и судами-буксирами в аварийных и экстремальных условиях, использованы в разработках РАО "Газпром".

Результаты диссертационной работы широко используются в учебном процессе кафедр промышленной электроники и автоматизированных систем обработки информации и управления Мордовского госуниверситета и кафедры корабельных систем управления электроэнергетическими и вспомогательными установками Санкт-Петербургского электротехнического университета для лекционных, лабораторных и практических занятий по курсам "Промышленные цифровые системы управления и контроля", "Теория автоматического управления", "Методы математического моделирования", в курсовом и дипломном проектировании.

Основные положения, выносимые на защиту:

— принципы, методы и алгоритмы квазиоптимального с прогнозированием управления МПО при значительных ограничениях на переменные управления и состояния, непостоянстве критериев качества управления;

— математические модели движения сейсмографной косы, грузонесущих кабель-тросов магнитометров и буксируемых подводных аппаратов, буровых колонн;

— алгоритмы расчета статических и динамических характеристик протяженной научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования в реальном и ускоренном масштабе времени;

— математические модели судов-буксиров, буксируемых подводных аппаратов и буровых судов, учитывающие влияние на их динамические характеристики буксируемых и буксирующих элементов, добычного оборудования;

— алгоритмы определения характеристик движения МПО в ускоренном и реальном масштабе времени;

— алгоритмы оперативной идентификации моделей буррвого судна, буксируемого подводного аппарата, судов—буксиров научно-исследовательской аппаратуры в режимах стабилизации;

— метод и алгоритмы прогнозирования движения МПО, обеспечивающие возможность оценки безопасности выбранной стратегии управления как в режиме стабилизации, так и при маневрировании;

— определение рациональных соотношений параметров алгоритмов управления с прогнозированием, сочетающие обеспечение достаточного для проведения морских исследовательских и добычных работ качества управления с минимизацией ресурсов управляющей ЭВМ;

— принципы построения, структура и алгоритмы функционирования тренажерных комплексов и тренажеров—советчиков операторов для рассматриваемого класса МПО.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (Ленинград, 1978); на 8-й Всесоюзной конференции по проблемам управления (Таллин, 1980); на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы научных исследований в области изучения Мирового океана" (Владивосток, 1982), на Межреспубликанской научной конференции "Модели выбора альтернатив в нечеткой среде" (Рига,1984); на 2-м Всесоюзном совещании "Высокопроизводительные вычислительные системы" (Батуми, 1984); на 5-й Всесоюзной научно-технической конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (Ленинград, 1985); на 5-м Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана" (Геленджик, 1985); на школе-семинаре "Повышение эффективности средств восприятия и обработки информации" (Пенза, 1985); на 8-й республиканской научно-практической конференции "Автоматизация производства и использова-

ние средств вычислительной техники в народном хозяйстве" (Махачкала, 1985); на научно-технической конференции "Теория и практика проектирования РЭА" (Махачкала, 1985); на 6-м Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования Мирового океана" (Одесса, 1987); на Международной конференции "Автоматизация электроприводов и технических процессов" (Пловдив, 1987); на IV Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана" (Севастополь, 1983); на научно-технической конференции "Эффективность внедрения научно-технических разработок ученых МГУ им. Н. П. Огарева в производство" (Саранск, 1986); на Всесоюзной школе "Технические средства и методы исследования Мирового океана" (Геленджик, 1987); на 1, II международных научных конференциях "Методы и средства управления технологическими процессами" (Саранск, 1995, 1997); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), на Огаревских чтениях в МГУ им. Н. П. Огарева.

Публикации: Основные результаты диссертационной работы отражены в 75 печатных работах, включая монографию, в том числе в описаниях к 8 авторским свидетельствам на изобретения, в 8 отчетах о НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, включающей 312 наименований, и приложений. Объем работы составляет 422 страницы текста, она включает 57 рисунков и 15 таблиц, приложения на 102 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение содержит обоснование выбора темы, формулировку цели и основных задач работы, характеристику научной новизны и практической ценности полученных результатов, а также основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется современное состояние проблемы управления движением технических средств изучения и освоения Мирового океана, обобщаются специфические особенности эксплуатации научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования, разработаны требования к методам и алгоритмам управления исследуемыми процессами, к программному обеспечению тренажерных комплексов.

В качестве основных объектов управления рассматриваются:

— научно-исследовательские суда в совокупности с буксируемой за кормой аппаратурой для проведения геолого-геофизических исследований, в особенности при ее большой протяженности (сейсмографная коса, магнитометр, буксируемый с помощью кабель-троса, и т.п.);

— буксируемые подводные аппараты (БПА) в совокупности с кабель-тросом (КТ), в особенности при больших глубинах погружения;-

— буровые суда (БС) в совокупности с буровой колонной (БК).

К основным задачам управления движением рассматриваемых объектов отнесены:

— обеспечение безопасной эксплуатации научно-исследовательского и бурового оборудования и аппаратуры, а также всего МПО в целом как в режимах стабилизации, так и при маневрировании;

— стабилизация судов-буксиров на заданной траектории, обеспечение движения буксируемых подводных аппаратов на заданном расстоянии от дна, стабилизация буровых судов над устьем бурения;

— обеспечение в процессе управления положением МПО нормальных условий функционирования научно-исследовательского и бурового оборудования.

Выдвигается проблема комплексного решения поставленных задач управления с приоритетом в соответствии с их последовательностью.

Выделяются общие существенные пр'изнаки рассматриваемых объектов и процессов управления:

— математическая модель движения каждого из МПО включает модель с сосредоточенными параметрами (МСП) (модели движения судов, платформ, подводных аппаратов) и модель с распределенными параметрами (МРП) (модели движения буксировочных кабель-тросов, сейсмографных кос, буровых колонн);

— процессы изменения пространственного положения кабель-тросов, сейсмографных кос (СПС) и буровых колонн отличаются существенно большей инерционностью по сравнению с изменениями стабилизируемых координат судов, подводных аппаратов;

— управление осуществляется в условиях неконтролируемости ряда внешних возмущений и нестационарности характеристик МПО;

— на переменные состояния и управления МПО наложены жесткие ограничения;

— ошибочные действия операторов при управлении МПО, особенно в экстремальных условиях, могут привести к тяжелым последствиям в виде повреждения или уничтожения дорогостоящего оборудования или аппаратуры, а тренировки и обучение операторов в процессе эксплуатации МПО трудноосуществимы;

— критерии качества управления непостоянны и меняются в зависимости от гидрометеорологических условий, навигационных препятствий и задач, решаемых научно-исследовательским и добычным оборудованием. Общность существенных признаков позволяет объединить рассматриваемые МПО в один класс управляемых объектов и использовать единый подход при разработке методов и алгоритмов управления.

Работы российских и зарубежных ученых А. М. Басина, Ю. А. Лукомско-го, И. Р. Фрейдзона, Н. А. Салтанова, К. Я. Капустина, Р. Н. I. УегЬеек, I. I. Н. Вгои\уеге, Р. В1бЬу и других внесли значительный вклад в проблему разработки математических моделей МПО и используются в качестве исходных в прово-

димых исследованиях. Однако известные модели не учитывают всего многообразия явлений, возможных при управлении МПО рассматриваемого класса, а также характерных особенностей взаимодействия отдельных элементов МПО, не ориентированы на комплексное решение задач управления, не позволяют выполнять их в реальном и тем более ускоренном масштабе времени.

Возникает необходимость разработки обобщенных математических моделей МПО, учитывающих особенности динамики, алгоритмов и программ решения уравнений движения, обеспечивающих их однозначную разрешимость при условии сохранения физической осмысленности решений, алгоритмов и программ идентификации моделей по результатам модельных и натурных экспериментов.

Анализ современных методов и средств автоматизации процессов стабилизации МПО на траектории или в точке показывает, что в последние годы был выполнен ряд исследований, результаты которых нашли практическое применение в зарубежных и отечественных системах. Однако их применение не позволяет решить задачи управления МПО в полном объеме.

Известные системы стабилизации судов на траектории ориентированы в основном на транспортные суда. Они не учитывают специфических особенностей буксировки научно-исследовательской аппаратуры, не обеспечивают необходимое качество управления в меняющихся условиях плавания, не позволяют судоводителю оперативно проверять правильность выбранной стратегии управления, что особенно важно при маневрировании и расхождении со встречными навигационными препятствиями.

Существующие системы управления движением буксируемых подводных аппаратов ориентированы в основном на малые глубины погружения. При проведении исследований на больших глубинах задачи управления осложняются большой протяженностью буксируемой системы, запаздыванием управляющих воздействий, сложностью обеспечения безопасности БПА при маневрировании вблизи дна.

Современные плавучие буровые установки и буровые суда оснащены зарубежными системами управления, обладающими рядом недостатков, существенно снижающих эффективность их эксплуатации. В частности, вектор управляющих воздействий формируется без учета специфических особенностей работы бурового оборудования, без оперативной оценки возможных перегрузок буровых колонн. Системы управления не позволяют оценить правильность действий оператора, спрогнозировать движение МПО в ускоренном масштабе времени, рассчитать наилучшие варианты управления в экстремальных условиях.

Общий существенный недостаток систем управления перечисленными МПО — невозможность тренировки и обучения операторов в процессе эксплуатации плавсредств в морских условиях.

Известные системы управления процессами движения МПО оказываются малопригодными или малоэффективными для комплексного решения задач управления техническими средствами изучения и освоения Мирового океана. За рубежом в последние годы накоплен значительный опыт в- разработке трена-

жеров для подготовки операторов, однако публикуемая информация, носящая в основном рекламный характер, также позволяет сделать вывод о неспособности решения данными техническими средствами всего комплекса поставленных задач. Исходя из этого в работе обосновываются качественно новые методы синтеза и инженерного проектирования автоматизированных систем, базирующихся на принципах адаптивного с прогнозированием управления, ориентированных на использование в контуре управления бортовых ЦВМ и обеспечивающих комплексное решение задач управления для МПО рассматриваемого класса.

Вторая глава диссертации посвящена анализу основных характеристик МПО как объектов управления, разработке математических моделей МПО, алгоритмов и программ решения уравнений статики и динамики исследуемых процессов.

Рассмотрены и обобщены основные технические характеристики управляемых технических средств, выделены наиболее существенные с точки зрения управления особенности эксплуатации.

Для проведения сейсморазведочных и магнитометрических измерений непосредственно с борта непрерывно движущегося судна-буксира используются сейсмографные косы и магнитометры (ММ), буксируемые за кормой. Длина кабель-троса магнитометра достигает 200...300 м, а суммарная длина секций СГК может превышать 3000 м. Основными условиями нормального функционирования измерительного оборудования являются постоянство скорости движения сейсмоприемников и ММ в толще воды и минимальные рыскания судна-буксира на курсе. К отличительным особенностям судов-буксиров относятся: низкая скорость движения (до 5...7 узлов), ограниченная шумами измерения приемников геолого-геофизической информации, управление положением в основном за счет изменения положения пера руля, малое водоизмещение (до 1000 т) и связанное с этим значительное влияние на характеристики судна параметров буксируемой аппаратуры.

Значительный объем работ по исследованию дна морей и океанов выполняется с помощью необитаемых БПА с регулируемой кабель-тросом глубиной погружения.

На борту БПА располагается комплекс фототелевизионной и геолого-геофизической аппаратуры, для обеспечения нормального функционирования которой необходимо одновременно с точным отслеживанием рельефа дна исключить рывки и качку. Глубина погружения рассматриваемых БПА может достигать 6000 м, а длина грузонесущего кабель-троса превышать 9000 м. В этих условиях масса кабель-троса может превосходить массу БПА, существенно возрастает инерционность процессов управления, проявляется влияние непостоянства плотности воды на характеристики системы кабеЛь-трос—БПА.

К основным особенностям эксплуатации буровых судов с динамическим позиционированием относится векторный характер управлений, необходимость учета влияния на процессы управления буровых колонн (особенно при больших глубинах), значительная масса управляемых объектов и большая инерцион-

иость процессов управления. Отмечено, что для обеспечения нормального режима работы бурового оборудования требуется минимизировать как отклонение БС от устья скважины, так и скорость отклонения, обеспечить оптимальное курсовое положение БС.

Для всех МПО рассматриваемого класса проанализированы и обобщены типичные ситуации управления, в которых оператору без помощи системы управления или тренажера-советчика трудно принять правильное решение, что в итоге может привести либо к необоснованному прекращению научно-исследовательских и добычных работ, либо к аварии.

Показана целесообразность представлять модель каждого МПО в виде совокупности двух типов моделей: моделей с сосредоточенными параметрами (МСП) (буровое судно, судно-буксир, буксируемый подводный аппарат) и моделей с распределенными параметрами (МРП) (сейсмографная коса, кабель-трос БПА и ММ, буровая колонна), сохраняя связи моделей через соответствующие переменные.

При построении математических моделей БС и СБ применены классические положения теории статики и динамики с использованием традиционных допущений. Вывод уравнений движения судов сделан при следующих допущениях:

— силы инерционной природы определяются в предположении, что судно симметрично относительно его диаметральной плоскости и центр тяжести располагается в плоскости мидель-шпангоута;

— инерционные силы, действующие на судно, значительно превышают силы, действующие на движительно-рулевой комплекс;

— при определении инерционных сил и моментов используется гипотеза стационарности;

— пренебрегаем влиянием крена и дифферента на движение судна в горизонтальной плоскости, а уравнения качки судна рассматриваются в виде несвязной системы;

— начало координат находится в центре тяжести судна.

При сделанных допущениях уравнения движения БС и СБ в связанной системе координат представляются в виде:

Ъ + + Ъь + + ^ + рхГ +Рхк=0 ;

+ + + + Ту, + Рур + + ^ =0; (1)

М„ + Мч + МхТ + М1а + Мл + М:р + М^ + М:Г + Ма = 0, где ^, ^ , М:и - инерционные составляющие сил и момента, действующих на корпус; , , М.г - гидродинамические силы и момент вязкой природы, действующие на корпус судна при отсутствии течения; РхТ ,РуТ , МгГ - силы и момент течения; , Руа , Мш - силы и момент ветровой нагрузки; РхЬ , Р)Ь , М:Ь - силы и момент, вызванные волнением; Рхр , , М,р - силы и момент, обусловленные влиянием руля; Рхк , Рук , Мг1 - силы и момент, обу-

словленные влиянием буровой колонны или буксируемой аппаратуры; Fxy , Fyy , My - силы и момент, создаваемые подруливающими устройствами;

Fxr ,Fyf , Mj - силы и момент, обеспечиваемые главными гребными винтами.

Уравнения (1) дополнены выражениями динамики ветро-волновых воздействий, а применительно к буровому судну — и моделью дедовых возмущений, позволяющими в итоге моделировать движение судов в различных погодных условиях, районах плавания, учитывать время года и ряд дополнительных факторов.

Особенности конструкции и условия эксплуатации БПА позволяют исключить из рассмотрения уравнения моментов и ограничиться анализом движения в вертикальной плоскости. В итоге упрощений уравнения движения БПА принимают вид

'-^Г = ~Кьпл eos у боа +CJVOT

id2z . dz dz

)—г = -Ккпл sinYtni+G-W-С,--"

.dt * dt di

(m + mj-

(2)

где m — масса БПА; тг , тх — составляющие присоединенной массы среды; G, W— вес и водоизмещение БПА; У0Т — скорость движений БПА; Сх , Cz — коэффициенты лобового сопротивления БПА по соответствующим осям; Непл, Убпл — сила натяжения и угол между направлением силы Явпл и вертикалью в точке крепления кабель-троса к БПА.

Разработаны математические модели движения протяженных элементов МПО: сейсмографных кос, кабель-тросов ММ и БПА, буровых колонн.

Показано, что имеющиеся на практике незначительные отличия плавучести СГК от нулевой, с учетом постоянства скорости буксировки, позволяют пренебречь перемещением косы по глубине и ограничиться рассмотрением ее движения только в горизонтальной плоскости. Поскольку основная часть косы (порядка 90—95%) состоит из секций, обладающих одинаковыми параметрами, то ее по всей длине можно представить однородной нерастяжимой нитью. Большая длина СГК и КТ ММ позволяет пренебрегать воздействием на них струи воды, 'отбрасываемой винтом судна.

Выводы уравнений движения СГК и КТ ММ произведены для трех вариантов представления силы воздействия потока жидкости на элементы СГК и КТ. В результате получены три типа моделей:

дга • ,<ЖАг г да д1а .

TiTi 2k>v°'sln(а~а»)cos(a ao>-fi ~Гк = ;

д}Я Jeart ,..2да . . (даV п —г-Я -— -k.V¿T — sin(a-a0) + r.\— =0;

дО- \0l) 0 dt 0 \dt)

д2 а

д2а

„^ ~ .сЯда ... . , Я——+ 2--+ к2У(уТсо5(а~а0)-п ,

дЧ дг ее 2 от 0 а2

д2Я

-я

да ~д~1

~ к7Уог а-а0) + гк

еЛ

да

= 0;

д2а

Я-

^сЯда , +2---

2 де де

д2а к да •2 3 д1'

0;

30

(5)

дг деде ~д1 уде2

где Я — натяжение в произвольной точке; I — длина, отсчитываемая от точки крепления; г*— масса единичного отрезка кабеля; а — угол между диаметральной плоскостью судна и элементом СГК; / — время; Уот — скорость движения относительно воды; к:, к2, кз— коэффициенты, зависящие от плотности жидкости, формы и размера поперечного сечения кабеля.

Угол а в точке крепления к судну определяется из выражения

✓ о йю .

где Р—угол дрейфа СБ в центре тяжести; а—угловая скорость рыскания судна на курсе; к — расстояние между точкой крепления кабеля и центром тяжести СБ.

Отличие уравнений СПС и КТ ММ качественно сводится к различию краевых условий решения уравнений (3) — (5).

Получены математические модели движения грузонесущего КТ глубоко-. водного БПА. Структура моделей зависит от принятой гипотезы сопротивления воды движению элемента кабеля и принятого закона изменения плотности воды с глубиной. В частности, пренебрегая касательной составляющей силы сопротивления при линейном изменении плотности воды с глубиной, получены следующие уравнения движения:

пд2у ^дЯ ду , ду . , д2у п . Я —+ 2--— + к~Бт2у - г. —V = в ¡ту;

а2 аде де 1 д г2

а2 Уа

ду

-к—!т2у + 2к

У

(6)

= 0 сову,

где 0— функция, зависящая от глубины погружения БПА, изменения плотности воды с глубиной и диаметра КТ; е —длина КТ, отсчитываемая от точки схода с барабана; у — угол между осью элемента КТ и вертикалью.

Значения Я и ув точке крепления БПА определяются из выражений С-\У-СУ1\Уг\-тУг

У™ = агс'8

САГог-УЛУСГ-К\-тУ„'

где (?, т, IV — вес, масса и водоизмещение БПА; С, и С2 — коэффициенты сопротивления движению БПА по соответствующим осям; Уг и Ух — вертикальная и горизонтальная составляющие скорости БПА относительно СБ.

Анализ эксплуатации буровых колонн (БК) показал целесообразность моделировать ее поведение как дискретной системы со многими степенями свободы. С этой целью БК разделяется на с1 элементов одинаковой длины. Предполагается, что масса каждого элемента БК сосредоточена в узлах, соединенных гибкими элементами без массы. Так как БК оборудованы телескопическим сочленением, позволяющим перемещаться ее верхнему концу в вертикальном направлении, достаточно ограничиться рассмотрением только поперечного движения. В этом случае уравнение движения БК в дискретном представлении имеет вид:

М„ Х+СХ + КХ' (7)

где М„— матрица массы; С— структурная матрица затухания; К— матрица жесткости; Х,Х'—узловые векторы смещения в поперечном направлении, измеренные от вертикального и беспрогибного положений соответственно; Р— вектор нагрузки.

Буровая колонна разделяется на d элементов одинаковой длины 1 = 1/ с1, где Ь— полная длина БК. Предполагается, что БК имеет одинаковую по длине плотность р и площадь сечения А. Тогда каждый /-Й элемент имеет одинаковую массу. т, = рА1, 1 = 2,..., п-1. Узловые массы на двух концах БК (7 = 1,п) равны У2Р А1. При этом матрица Ма определится как

М,=рА1

= рАЫ,

где J— постоянная матрица размером пх п.

Матрица Л/„ представляет инерцию БК аналогично матрице постоянной массы и, кроме того, в силу своей диагональности допускает элиминацию вращательных степеней свободы с помощью техники статического уплотнения.

Па практике поперечный прогиб БК сохраняется в безопасных пределах соответствующим натяжением наверху и положением судна. Благодаря этому предотвращаются перенапряжение и взаимные помехи БК и обсадной трубы. Из-за наличия ограничений в изменении донного угла и жесткости на изгиб при моделировании БК может быть использована теория малонаклоненного бруса.

Определена объединенная матрица жесткости БК Кс как сумма матриц геометрических жесткостей Ка и жесткостей на изгиб Кв :

Кс~ Кд+КС -

К с, Кс„

Поскольку матрица сконцентрированной массы Л/„из (7) не учитывает инерцию вращения, элементы матрицы жесткости, соответствующие вращательному движению, элиминированы за счет выражения вектора вращательных отклонений 0 через члены вектора X' в соответствии с уравнением О,что позволяет сформулировать обобщенную матрицу жесткости К из (7) в виде: К = -К~с'„ - КагК-'ггКСг1.

Полученная матрица имеет тот же порядок, что и матрица сконцентрированной массы.

Характеристики БК можно найти из (7) после определения всех переменных. Так как выражение гидродинамической нагрузки нелинейно, то в работе для решения уравнения (7) используется метод приближенного аналитического решения, основанный на методе эквивалентной линеаризации. Получены условия определения устойчивого решения уравнения (7), позволяющие получить расчетные соотношения динамики БК, включая распределение напряжений вдоль длины буровой колонны.

В третьей главе разрабатываются алгоритмы и программы расчета движения МПО, по результатам натурных испытаний производится оценка адекватности полученных моделей, выполнена линеаризация моделей МСП в режимах стабилизации. На основе полученных во 2-й главе уравнений произведен расчет конфигурации СГК, КТ ММ, КТ БПА и БК в установившихся режимах в зависимости от вида и состава секций СГК, параметров КТ, БПА, ММ и буровых стояков, внешних возмущений, скорости буксировки и других условий эксплуатации. Помимо самостоятельного значения решения стационарных уравнений используются в качестве исходных при решении уравнений динамики.

Решение уравнений движения буксируемых устройств выполнено методом сеток. По результатам моделирования определены величины и сочетания шагов разбиения по времени и длине, обеспечивающие устойчивые решения уравнений динамики. Установлено, что при буксировке СГК и ММ при малых скоростях со рыскания судна-буксира, характерных для проведения морских исследований, закон изменения силы натяжения Я по длине близок к линейному. Это позволяет свести уравнения (3) — (5) к виду

„ д а 2 3 а , да R—г = в —r + b—;

di dt2 di ,g)

1-е

совпадающему структурно с уравнением одномерной затухающей волны, что в совокупности с результатами натурных испытаний подтвердило правомерность сделанных при выводе уравнений допущений.

Результаты моделирования процессов намотки и травления КТ БПА со скоростями не более 0,5 м/с свидетельствуют об апериодическом характере переходных процессов изменения координат БПА. Установлена связь длительности переходных процессов с параметрами КТ БПА и скоростью буксировки. Выявлено малое влияние параметров БПА на управляемость при глубинах погружения свыше 300 м. Определены предельные скорости буксировки с учетом используемых кабель-тросов и характеристик рельефа дна отслеживаемого БПА.

По результатам натурных испытаний произведена оценка адекватности полученных моделей СГК и КТ. В качестве критерия адекватности принято выражение вида

H=yiiih-rij Al -иЛв,-olí. (9)

L т-1

где М — общее количество временных интервалов измерений; / — общее количество идентифицируемых точек, равномерно расположенных по длине СГК и КТ; t¡u ;/,„„ 0„ 0т — координаты ¡-й точки СГК или КТ и их моделей в

подвижной, связанной с судном системе координат.

Установлено, что критерию (9) в лучшей степени отвечают модели СГК и КТ БПА в виде (3) и (6). Определены численные значения варьируемых коэффициентов из (3) — (7), связь шагов интегрирования со степенью адекватности моделей.

Разработаны алгоритмы и программы расчета движения БС, СБ и БПА в соответствии с уравнениями (1) и (2) в совокупности с уравнениями движения КТ, БС и СГК. Установлено, что из-за большой инерционности СГК и КТ их плановое положение в подвижной, связанной с СБ системе координат определяется в основном низкочастотными составляющими сигналов управления. В целом по результатам натурных испытаний уточнены расчетные значения параметров моделей. Результаты показали хорошую адекватность моделей реальным процессам, что позволило в последующем использовать полученные модели для имитации реальных процессов в тренажерных комплексах, а также для оценки качества алгоритмов управления.

На основании теоретических и экспериментальных исследований сделан вывод о том, что в режиме малых отклонений математические модели движения судна-буксира на траектории с малой кривизной, БПА при отслеживании плавно изменяющегося рельефа дна, буровых судов в режиме стабилизации над точкой бурения могут быть представлены в пространстве состояний в виде линейного векторно-матричного нестационарного уравнения

¿г (¡1

= А(1)Х + В(1)и +

(10)

где X — вектор переменных состояния; и — вектор переменных управления; АО), ВО) — матрицы параметров; Р— вектор возмущений.

Применительно к рассматриваемым МПО введенные векторы и матрицы имеют следующий вид.

Судно-буксир, управляемое рулем:

(П)

где Р, \¡/— углы дрейфа и курса; у — отклонение от траектории; со— угловая скорость вращения; 5 —угол перекладки пера руля; и1— сигнал управления. Буровое судно, оснащенное активными средствами управления:

р "0" ~а>, 0 0 ан а,5 0

У 0 0 0 0 1 0 0

У ;и = 0 ; А = а3! ак 0 0 0 ;В = 0

со 0 0 0 а» а45 0

5 л 0 0 0 0 «15. Л.

Х =

X" 'и, аи °12

Уу и2 а21 °22

со ;и = "1 ;А = а31 а32

X 0 а42

У 0 а52

.V. 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 О 0

0

В =

и1! о о о о о

о

Ъ» о о о о

(12)

где Ух, Уу — проекции скорости движения судна на продольную и боковую оси; х — перемещение вдоль продольной оси; и¡, и2, из — суммарные управляющие силы, действующие вдоль и поперек БС, и момент, вызывающий вращение относительно вертикальной оси.

Буксируемый подводный аппарат, управляемый изменением длины Ь кабель-троса:

'Ах' 0 аи а,2 0 а14 а,5 0 ' 0

Ах 0 1 0 0 0 0 0 0

Аг ; и = 0 ; А = 0 а12 ап а» 0 ; 5 = 0

Аг 0 0 0 1 0 0 0 0

А1 0 0 0 0 0 0 0

Аср Л"«. 0 0 0 0 0 ам_ А

(13)

где Ах ,Аг,Ах ,Лг —скорости и перемещения БПА в соответствующих направлениях; А[, — изменение длины КТ; А<р — приращение скорости вращения исполнительного двигателя лебедки; А иа — изменение напряжения на входе электропривода лебедки.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию алгоритмов фильтрации навигационной информации и оперативной идентификации МСП рассматриваемого класса МПО.

Зашумленность поступающей из автоматизированного навигационного комплекса информации о векторе состояния X, обусловленная как шумами, являющимися результатом сложения разнородных ошибок датчиков, участвующих в измерении, и ошибок вычислений, так и шумами аналого-цифровых преобразователей, требует производить фильтрацию поступающего на вход системы управления вектора выходных величин измерителя 2.

Сложности определения ковариационной матрицы ошибок оценивания затрудняют использование для этой цели оптимальных фильтров Калмана— Бьюси. Применение для координатного оценивания фильтра, в котором ковариационная матрица ошибок получается как результат статистической обработки выходного сигнала самого фильтра, позволило преодолеть эти трудности. В качестве критерия оптимальности фильтрации вектора 2 использован минимум среднеквадратичной ошибки оценивания, определяющий оценку вектора состояния в виде условного математического ожидания X = М[X /2(7;, (вектор 2 наблюдается на интервале от до /). Выбор такого критерия совпадает с принятой в практике судовождения оценкой точности произведенных навигационных измерений.

Анализируются особенности фильтрации и восстановления полных векторов состояния применительно к каждому из рассматриваемых МПО.

Непосредственное измерение полного вектора состояния БПА, которое, в частности, может быть реализовано с использованием гидроакустических навигационных систем (ГАНС) с донными маяками, сопряжено со значительными трудностями и имеет ограниченный радиус действия. В большинстве конструкций современных БПА используются упрощенные ГАНС, состоящие их эхолота и допплеровского лага, позволяющие измерить расстояние от БПА до дна и поверхности моря, а также горизонтальную составляющую скорости БПА. Кроме того, достаточно точно измеряются ЛЬ и Лср. Показано, что для восстановления полного вектора состояния БПА целесообразно применять наблюдающее устройство (НУ), выполненное на основе детерминированного наблюдателя Люенбергера и представляющее собой модель БПА с обратной связью по оценкам наблюдения X:

X = АХ + Кн (2- СХ ) + Ви, (14)

где С и К„ — матрицы коэффициентов усиления измерительного и наблюдающего устройств соответственно.

Получен алгоритм расчета матрицы Кн, которая определяется путем решения матричных алгебраических уравнений ¡КН=РСТЕ-';

1 г г , 05>

[РАг + АР - 2РСТЕ~'СР + РР = О,

где Р п Е— неотрицательно и положительно-определенные симметричные матрицы; /? = —--положительный скаляр, зависящий от времени переходного

процесса НУ Тн. При возрастании уровня внешних возмущений качество работы НУ ухудшается, поэтому для восстановления вектора состояния целесообразно использовать упомянутый выше фильтр.

Для обеспечения качественного управления движением МПО в процессе выполнения всей программы геолого-геофизических исследований и буровых работ при изменении характеристик объекта необходимо производить настройку моделей в процессе функционирования системы управления. Обосновывается целесообразность применения для этой цели, с учетом достаточно высокой точности при незначительных требованиях к объему оперативной памяти и быстродействию бортовой ЦВМ, метода параметрической идентификации по настраиваемой модели в соответствии с выражением

Си1=Ск-Н^сЕк. (16)

где Сь Нь — вектор параметров модели, вектор коэффициентов усиления и минимизируемый функционал ошибок идентификации после к-й настройки параметров соответственно.

Используемая в контуре управления модель принята в виде, структурно совпадающем с выражением (10):

^ = АмО)Хм+ВиО)и. (17)

Показано, что сравнительно высокочастотный характер действующих на МПО управляющих и возмущающих воздействий при малой скорости изменения параметров А и В в процессе движения дает возможность предположить малость величины уДи воспользоваться для ее определения беспоисковой процедурой, предложенной А. А. Красовским. При этом алгоритм адаптации принимает вид:

М М Л Я1

д сЕ

Показано, что характерные изменения параметров МПО позволяют использовать при синтезе алгоритмов адаптации критерии мгновенных ошибок. При этом точность адаптации моделей целесообразно оценивать по величине рассогласования векторов состояния моделей и МПО по методу наименьших квадратов:

Я* Хг„т(хм„к-х„к)2, (19)

п,т= }

где у„т — нормирующие коэффициенты; М=М— порядок модели.

Получены уравнения адаптации МСП, определяющие приращения соответствующих параметров моделей при новой подстройке. Для модели судов-буксиров:

Aaun(k + l) = qnx (к)[х

MI

Аа, li4(k + I) = qnXM4(k)[xu,(k)-xl(k)J;

ЛаШ5(к + 1) = qlsxus(k)[xul(k) - х,(к)]; Аам4\(к + 1)= ЯнХш(к)[хи4(к) - х4(к)];

¿aM44<k +1) = q44XU4(k)[XH4(k) - х4(к)];

Аашз(к + l) = 4i^ui(k)[xM4(k)~ х4(к)];

Aaui ¡(к + 1) = 4цхт(к)[хи,(к)-х;(к)];

АЬ(к +1) = -q%u5(k)[ хм (к) - х, (к)]. (20)

Для модели буксируемого подводного аппарата:

Aami(k + l) = q,,xK11(k)[xMl(k)-x1(k)]; AaW2(k + l) = q,2xM2(k)[xKi,(k)-x,(k)]; ЛаШ4 (k + l) = qNxM4(k)[xM,(k)-x,(k)];

М15 (k + l) = qisxu5(k)[xw(k)-x,(k)]; Ааиз2 (к + 1) = Яз2хм2 (к)[ хмз (к)-х-.,(к)]; AaM33(k + l) = q33xM3(k)[xU3(k)-xl(k)]; Лат4 (к + 1) = q34xM4 (к)[хш (к) - х3 (к)]; AaM35(k + l) = q35xMS( к)[хмз( к)-х3( к)]; Ааш6 (к + 1) = qS6xU6 (к)[хМ5 (к)-х5( к)]; Аат6 (к + 1) = д6бхш (к)[хм(к)-х6( к)]; АЪ(к + 1) = -чь6и6(к)[хш(к)-х6(к)]. (21)

Для модели бурового судна:

Аамп(к + 1) = чпхш(к)[хм,(к) - Xj(k)J; АаШ2(к + 1) = q,2xU2(k)[xM1(k)-x,(k)]; AahlI3(k + l) = q,3xM3(k)[xM1(k)-x,(k)]; AaU2l(k + l) = q2iXKS,(k)[xM2(k)~x2(k)]; Aahi22(k + l) = q22xM2(k)[x ш (к) - х2 (к)]; АаИ23(к+1) = Ч2зХш(к)[хш(к)-х2(к)]; Аа Ш! (к + 1) = q3l хт (к)[хш (к) - х3 (к)]; AaU32(k + l) = q32xM2(k)[xM3(k)-x3(k)]; AaM33(k+l) = q33xM3(k)[xM3(k)-x3(k)]; Ааш,(к + 1) = q4iXM,(k)[xM4(k)-x4(k)]. Аа Ш2 (k + l) = q42xM2 (к)[х ш (к)-х4 (к)]; Аа шб (к+ 1) = q46xM6 (к)[хш (к) - х4 (к)];

Ла (к + 1) = д51хш (к)[х ю (к) - х, (к)];

Л°м52(к + 1) = я52хм2( к)1хмз (к) - х5 (к)];

Да М56 (к + 1) = Я56хМб (к)[хш (к) - х6 (к)];

Да и63 (к +') = Я63х из (к)[х м6 (к) ~ хб (к)1:

ЛЬ чп(к+1) = Чьпи, [хм(к)- х,(к)];

¿Ьтг (к + >) = щ [х М2 (к) - х2 (VI:

ЛЪт1(к +1) = цьзп3[хш(к) - х3(к)] . (22)

Коэффициенты, регулирующие скорость сходимости алгоритмов адаптации, определяются из выражений

ч1=г1К„Д', (23)

где — временной интервал параметрической настройки моделей; Ъ„„ — компоненты матрицы Н.

Алгоритмы адаптации должны со временем компенсировать ошибки, связанные с неверным заданием оператором начальных значений параметров, а также отслеживать дальнейшее изменение характеристик МПО. С этой целью исследована устойчивость алгоритмов адаптации и сходимость параметров моделей к параметрам МПО, то есть выполнение условий

ИтАм(к) = А(к); Г,тВм(к) = В(к). (24)

Определены условия асимптотической устойчивости алгоритмов адаптации применительно к каждому виду моделей.

Пятая глава посвящена разработке методов и алгоритмов управления движением МПО для бортовых систем управления и тренажерных комплексов.

Задачи оптимизации движения МПО решаются в предположении, что из-за влияния внешних возмущений в системе имеет место стационарный случайный процесс и фазовые координаты представляют собой случайные стационарные функции времени, удовлетворяющие условиям эргодичности.

Показано, что для рассматриваемых задач стабилизации в точке и на траектории применительно к МПО критерий качества управления может быть сведен к векторному виду

со

2 = \{ХтКхХ + итЯуи М, (25)

о

где Лу , /<",. — матрицы весовых коэффициентов.

Ограничения на изменение фазовых координат и управлений учитываются в виде

ХеПх; иеПц, (26)

где Пх и Оц — множества допустимых значений фазовых координат и управляющих воздействий.

С учетом специфических особенностей эксплуатации определены значения /?.у, Л у, Пх, С2и для конкретных МПО.

Показано, что решить задачи управления МПО можно только на базе ЭВМ, причем эффективным методом управления объектами рассматриваемого класса в условиях нестационарности динамических характеристик МПО, недостаточной контролируемости внешних возмущений, специфических условий эксплуатации является адаптивное управление с прогнозированием.

Традиционная организация управления с прогнозированием предполагает многократное моделирование возмущенного движения объекта для множества возможных вариантов управления. При этом значения управлений на всем интервале прогнозирования обычно предполагаются постоянными. Качество управления оказывается тем лучше, чем быстрее моделируются возмущенные движения и чем соответственно меньшим оказывается интервал коррекции управления Ах. Применение такой организации управления к рассматриваемому классу объектов малоэффективно. Это связано со следующими обстоятельствами:

— для определения безопасности выбранной стратегии управления необходимо многократно моделировать возмущенное движение МПО на моделях, отличающихся большой сложностью. Такое прогнозирование требует чрезвычайно большого времени расчета 7„;

— допущение о постоянстве сигналов управления на всем интервале прогнозирования к рассматриваемому классу МПО неприемлемо и потому приводит к неудовлетворительному качеству управления;

— если интервал А / велик, то во многом теряются достоинства управления с обратной связью и найденное на момент /¡>+¿1 / ( [о — текущий момент времени) оптимальное управление для состояния Х(1о) может оказаться неудовлетворительным для состояния Х( и+А I) .

Применение ЦВМ повышенного быстродействия в перспективе позволяет существенно уменьшить интервал А однако для рассматриваемого класса объектов достоинства традиционной системы управления с прогнозированием нельзя реализовать в полной мере из-за ограничений на частоту коррекции органов управления МПО.

Показано, что эффективное решение задач управления рассматриваемыми МПО обеспечивает метод управления, разработанный автором. В основе этого метода управления с прогнозированием лежит сочетание многократного прогнозирования по выходу на модели элемента управляемой системы (на модели МСП) с однократным прогнозированием по входу на полной модели МПО, включающей модели МСП и МРП.

Реализация указанного метода требует решения трех задач :

— прогнозирование областей изменения переменных состояния на интервале экстраполяции Хп(I)(1 е + А1, + Тп])\

— определение оптимального управления V0 МПО на интервале времени / е /"/„ + А1, +■ 2 Ах ];

— ускоренное прогнозирование движения МПО на интервале ¡е[10+Аи6+Т„],

Рассматриваются различные способы определения областей изменения Хп(1) на интервале прогнозирования.

В случае, когда опыт управления конкретным МПО недостаточен, а количество экспериментов по управлению невелико, целесообразно намечать вероятные законы изменения переменных состояния во времени на интервале прогнозирования — оси прогнозируемого движения (ОПД) с помощью синтезированного методом аналитического конструирования регулятора. С учетом (10) и (25) ОПД определяются в результате решения уравнения

,Щ- = (А- ВЯ;'ВТР)Х + g, (27)

ш

где g=g(0 — заданная траектория движения судна-буксира или профиль отслеживаемого дна при управлении БПА (в задачах управления БС обычно g=0); Р— положительно-определенное решение векторного уравнения Риккати

АтР+РА-РВГу'Вт Р + Ях=0. (28)

Уравнение (27) решается в ускоренном масштабе времени для дискретных интервалов времени последовательно для моментов времени -Тя~ А г; 1п-2 = Т„ ~ 2А /;. . . ; /„_„, = Тп-тА1 вплоть до (= /0 + А (, а уравнение (28) решается предварительно. Для всех переменных относительно ОПД для указанных дискретных интервалов времени формируются области возможного изменения Н(1)(1 е/г„ +А1, Т„ - ¿Л]) переменных с учетом действующих возмущений, максимально возможных скоростей изменения и точности измерения переменных состояния, объема оперативной памяти и быстродействия компьютера. Из них исключаются значения, лежащие за пределами ограничений, накладываемых на соответствующие переменные. Диапазон изменения каждой переменной разбивается на интервалы. Другим способом определения ОПД, особенно при значительной нестационарности характеристик МПО и работе с управлениями, близкими к предельным, является способ, основанный на использовании апериодических регуляторов.

В работе рассматривается также способ сведения бесконечного множества значений элементов вектора Х„ к ограниченному набору возможных сочетаний, основанный на.использовании теории нечетких множеств. При реализации данного способа последовательно решаются задачи преобразования переменных состояния Х(и) в нечеткие подмножества, оценки текущей ситуации с использованием составного правила вывода, определения областей Н(1) на основании результатов моделирования и опыта управления МПО в аналогичных ситуациях. Данный способ отличается повышенной производительностью, использует предшествующий опыт управления, однако требует значительной предварительной обработки априорной информации. Определены рекомендуемые области применения рассмотренных способов.

Показано, что специфические условия управления МПО делают целесообразным использование для решения оптимизационной задачи на интервале времени Г„ процедуры динамического программирования в обратном времени. При

этом сначала определяется множество оптимальных управлений и'(Т„-А1) по переводу объекта из состояний Н'(Тп -Л1) в состояния Н(Та). Множество критериев качества ()'(Тп-А1), соответствующее и'(Тп-Л1), запоминается. Затем определяются лучшие управляющие воздействия на интервале I е [Тп- 2Л1; Г - Л!], обеспечивающие в совокупности с С/' (Т„ - Лг), с учетом экстремальные значения В указанном порядке определяются массивы оптимальных управлений на всем интервале прогнозирования. В итоге устанавливается массив управлений 11 (¡о+Л(), из которого в момент ¡о+Л1 выбирается один вектор, соответствующий переменным состояния МПО в данный момент. Это управление поступает на исполнительный механизм в течение интервала А1, за который вычисляется управление для следующего интервала коррекции.

К критерию качеств^ управления Q в решаемой задаче предъявляется требование аддитивности, чему отвечает принятый критерий (25). Сужение областей Ои, Ох упрощает в рассматриваемом случае решение оптимизационной задачи.

Проверку безопасности выбранной стратегии управления на интервале прогнозирования Г. теоретически можно осуществить, подавая на вход полной модели МПО оптимальный закон управления, первым членом которого является управление, под действием которого МПО движется на интервале ' е [(о> {о + &] ■ Однако запоминание множеств законов управления требует чрезмерно большой памяти бортовой ЦВМ. В работе показано, что плавность движения и большая инерционность рассматриваемых МПО позволяют реализовать проверку безопасности движения, незначительно увеличивая объем оперативной памяти ЦВМ.

С этой целью одновременно с определением и ((о+А() вычисляются суммы управлений, соответствующие оптимальным законам. При доведении процесса оптимизации до момента времени 1о+А1 каждая из этих сумм делится на

Т-М

число интервалов коррекции управления л = —-.

&

В результате на момент реального времени /<, +Л/ будет определен массив эквивалентов оптимальных стратегий управления и'(¡0 +Л1). Таким образом, одновременно с решением задачи точного управления МПО оказывается возможным, подавая на вход полной модели соответствующее управление из множества и (¡ц+Л!), ъ ускоренном масштабе времени прогнозировать движение МПО на интервале времени от + А1 до /„ + Тя.

Проанализированы теоретические аспекты замены решения оптимизационной задачи на бесконечном интервале времени множеством задач на скользящих интервалах времени Тп . Определены условия качественного функционирования метода управления, накладывающего ограничения в части величины шагов разбиения переменных, точности и полноты измерения вектора Х(0), интер-

24

вала коррекции управления Aí, времени экстраполяции Т„, интервала вариации переменных управления Л11, интервалов разбиения переменных состояния АХ.

Особенности задачи управления БС требуют до решения задачи оптимизации по критерию (25) обеспечить минимизацию действия на судно внешних возмущений в виде ветра и течения. Для решения задачи оптимальной ориентации используется критерий

=2>/->тт, " (29)

1=1

где Р1 — упоры, необходимые для компенсации внешних возмущений; п —число управляемых координат.

В результате оптимизации рассчитываются упоры исполнительных устройств, необходимые для компенсации заданных при моделировании внешних возмущений. При изменении направления действия возмущений расчеты по оптимизации в соответствии с критерием (29) повторяются. При заданном диапазоне изменения интенсивности внешних возмущений определяется суммарная установочная мощность подруливающих устройств БС, которая рассчитывается по упорам, полученным из работы модели ориентации. При пересчете упоров в установочную мощность предполагается, что для управления каждой фазовой координатой при максимальных дестабилизирующих возмущениях следует воздействовать на БС с помощью кратного числа однотипных исполнительных устройств к, = Р1/РЯ, где Ры — упор, создаваемый одним устройством.

Для всех управляемых фазовых координат Число исполнительных устройств равно сумме всех к. В результате объединения упоров можно рассчитать общую установочную мощность:

Щ. (30)

1=1

где I — общее число подруливающих устройств; со, — номинальная частота вращения винта двигателя;/м — функциональная зависимость момента вращения вала привода винта от конструктивных параметров двигателя. В результате расчетов решается задача распределения мощности по подруливающим устройствам.

Разработка блока оптимизации и прогнозирования наряду с рассмотренными выше блоками фильтрации и идентификации приводит в итоге к созданию необходимой базы для решения задач управления и моделирования движения МПО.

В шестой главе произведены исследования синтезированных алгоритмов управления в условиях изменения динамических характеристик МПО при разнообразных внешних возмущениях и информационных помехах на цифровом -моделирующем комплексе. Такой комплекс включает: блок ввода начальных условий, констант, критериев качества, ограничений на переменные управления и состояния; блок математических моделей МПО; блок формирования внешних возмущений; блок формирования шумов измерения; блок идентификации моде-

лей МПО; блок координатного оценивания; блок оптимизации и прогнозирования; блок формирования заданной траектории движения или рельефа дна.

Произведено исследование алгоритмов адаптации. Точность настройки параметров моделей оценивалась относительной величиной невязки параметров настраиваемой модели ( аШт ЬШт1) и модели, имитирующей МПО (аИпгги ЬИт):

_ _ _ А А

¿ап„=—-—100%;dbm=-^-^100%. (31)

аМп т ^Мпт

Частотные спектры идентифицируемых параметров задавались в виде

(0= аИпт(0) + Л аИтsinП t ;

К,JO = ЬИпт(0)+А ЪИтп sin П t, (32)

где Q — частота, диапазон изменения которой зависит от идентифицируемого параметра и вида МПО.

Модели возбуждались сигналами управления ступенчатого или гармонического вида.

Найдена область определения оптимальных в смысле минимума функционала

K = {-'Yf(dL+dL)dt (33)

' о п т

коэффициентов qnm {tM— время идентификации, N=M— порядок модели). Первые приближения ды(0) отыскивались с учетом априорной информации о максимальных скоростях изменения соответствующих параметров реальных процессов и с использованием «принципа равных вкладов». Дальнейшее уточнение коэффициентов достигалось с использованием метода планирования эксперимента.

Показано, что оптимальное сочетание коэффициентов позволяет за время в пределах t„ = (2...3) Тмсп(Т^сп — постоянная времени МСП) уменьшить начальные рассогласования da„m(0), dbnn,(0) = 50% в 10 и более раз.

Проведенный комплекс модельных и натурных экспериментов показал целесообразность применения разработанных алгоритмов для адаптации моделей МПО, используемых в контуре управления.

Оценена работоспособность детерминированного наблюдателя Люенбер-гера и квазиоптимального фильтра в условиях внешних возмущений и шумов измерений. Результаты исследований показали целесообразность использования наблюдателя Люенбергера, который обеспечивает достаточное качество восстановления вектора состояния и не требует подстройки при изменении уровня внешних возмущений. Определена область допустимых значений настраиваемых параметров и даны рекомендации к их выбору.

Выявлено влияние шага А1 на качество управления МПО в соответствии с принятыми критериями качества. Установлены рациональные области определения интервалов коррекции управления для каждого МПО. Исследовано влияние интервала прогнозирования Т„ на качество управления. Установлено, что для рассматриваемого класса МПО выигрыш в качестве управления при Тп > (2,5. ..3) Тмсп незначителен и не оправдывает роста требований к быстродействию ЦВМ.

Определена связь степени неадекватности МСП с качеством управления. Установлено, что при движении судов-буксиров и БПА по траекториям с малыми радиусами кривизны и над дном со сложным рельефом целесообразно использовать вместо линейных моделей более сложные по структуре. При движении по прямолинейным участкам высокое качество управления БС и БПА обеспечивается и при использовании в контуре управления МСП пониженного порядка по сравнению с исходными.

При управлении МПО в условиях внешних возмущений, содержащих значительные постоянные составляющие, отмечено снижение точности управления из-за отсутствия в принятых моделях МСП вектора возмущений Р. Показано, что для улучшения качества управления в условиях действия неизмеряе-мых возмущений со значительными постоянными составляющими целесообразно учитывать такое возмущение, предварительно выделяя его с помощью модели канала управления. С этой целью после определения оптимального управления и подачи его для реализации на объекте на интервале от 10 + Л/ до ¡0 + 2А! осуществляется расчет ожидаемого на момент времени + 2А! отклонения координаты АХр . Оценка реального отклонения АХ сравнивается с расчетной и учитывается при определении оптимального управления на интервале от /„ + 2А1 до + ЗА!. Проанализированы возможные предаварийные ситуации при управлении МПО. По результатам моделирования разработаны рекомендации операторам по действию в указанных ситуациях. Получены алгоритмы расчета коррекции заданной траектории движения СБ и БПА при прогнозировании аварийной ситуации. Аналогичные алгоритмы для БС позволяют корректировать стратегию управления в экстремальных условиях.

Установлена зависимость между параметрами внешних возмущений и качеством управления. Разработаны рекомендации по выбору параметров алгоритмов управления при контролируемых внешних возмущениях Исследовано влияние весовых коэффициентов в критериальных функционалах на характер переходных процессов.

Приведены результаты натурных испытаний управления движением судов-буксиров в режимах выхода на новую линию профиля и стабилизации на заданной траектории с помощью разработанной системы управления.

Седьмая глава посвящена описанию структуры тренажерного комплекса, реализации функций советчика оператора, подготовке и переподготовке плавсостава, разработке требований к вычислительным средствам.

Тренажерный комплекс МПО реализован с соблюдением максимального функционального подобия известным бортовым и береговым тренажерным системам АДР, АРМ фирмы «Simrad Albatross» и GEM80 фирмы GEC.

Решена задача рационального сочетания в ТК аппаратных и программных средств. Аппаратно он состоит из двух консолей — рабочего места оператора и рабочего места инструктора, реализованных с использованием двух компьютеров, объединенных в локальную сеть. Работа консолей ТК поддерживается комплексом программного обеспечения, включающего кроме описанных выше блоков цифрового моделирующего комплекса модель инструктора и комплекс программ поддержки аппаратных средств.

Рассмотрены особенности функционирования и взаимодействия составных устройств ТК. В качестве базовой операционной системы компьютеров ТК использована ОС WINDOWS 95 с соответствующими приложениями объектно-ориентированного программирования DELPHI, VISUAL C+f и др.

Конфигурация конкретного типа системы управления с набором штатного навигационного оборудования и исполнительных механизмов задается программными средствами и сменой мнемопанелей.

Тренажер содержит рабочие места оператора и инструктора и обеспечивает работу оператора под управлением инструктора и самостоятельно.

Структура тренажера ориентирована на имитацию сложных морских подвижных систем с учетом их многосвязного характера. Внешний вид и мнемоническое отображение органов управления представляет собой функционально подобранный набор устройств, имитирующих обобщенную структуру современных бортовых систем управления. Рабочее место оператора состоит из двух сочлененных секций: секции управления движителями и секции управления движением по траектории, или динамического позиционирования.

Интерфейсные устройства связи служат для соединения компьютеров секций и компьютера инструктора в общую вычислительную сеть.

Использование трех компьютеров позволяет придать тренажеру максимальную гибкость, относительную независимость функционирования составляющих частей, высокую надежность и ремонтопригодность. При такой схеме построения тренажера.возможна имитация значительного количества известных систем управления плавсредствами флота России путем смены мнемопанелей секций и загрузку соответствующего программного обеспечения.

Рассмотрены особенности реализации консолей движителей и гидроакустической системы.

Для разработанного тренажера применена математическая модель метода контроля знаний, что позволило реализовать ряд положительных свойств:

— стандартизированность проведения проверки и анализа результатов;

— возможность предоставления результатов проверки в числовой форме;

— возможность математической обработки результатов проверки.

Получены основные соотношения для контроля знаний, когда оценка ставится по числу правильно и неправильно выполненных заданий.

Сформированы требования к производительности и ресурсам вычислительных средств для реализации тренажерных комплексов и систем управления. Предлагаются способы сокращения вычислительных затрат применительно к конкретным задачам управления.

В приложении приведены акты об использовании результатов диссертационной работы, алгоритмы расчета, тексты программ моделирования, результаты расчетов конфигурации протяженных элементов, динамики МПО, адаптации моделей, определения оптимальных управлений, фильтрации навигационной информации, программа проведения морских испытаний, результаты управления МПО с помощью разработанных алгоритмов, техническая документация и фотографии тренажерного комплекса и дисплейных страниц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны универсальные для целого класса морских подвижных объектов принципы и методы управления, основанные на прогнозировании процессов в ускоренном масштабе времени.

2. Получены математические модели динамики сейсмографной косы, кабель-тросов магнитометра и буксируемого подводного аппарата, буровой колонны. Доказана однозначная разрешимость уравнений моделей. Разработаны и реализованы на ЦВМ алгоритмы решения полученных уравнений. По результатам натурных испытаний произведена структурная и параметрическая идентификация моделей.

3. Определены математические модели судов-буксиров, буровых судов и буксируемых подводных аппаратов, позволяющие учесть влияние буксирующих и буксируемых элементов МПО. Получены методики расчета параметров в зависимости от характеристик сейсмографной косы, кабель-тросов, буровой колонны и условий эксплуатации. Произведена линеаризация моделей для режимов стабилизации на траектории и в точке.

4. Разработаны и реализованы на ЦВМ алгоритмы координатного оценивания векторов состояния МПО, произведено исследование качества его функционирования в зависимости от настраиваемых параметров. Для восстановления вектора состояния буксируемого подводного аппарата использован наблюдатель Люенбергера. Проведен анализ качества восстановления вектора состояния в условиях изменяющихся внешних воздействий.

5. Получены выражения для алгоритмов оперативной идентификации моделей судна-буксира, бурового судна и буксируемого подводного аппарата. Алгоритмы параметрической идентификации реализованы на ЦВМ. Доказана работоспособность полученных алгоритмов в широком диапазоне изменения динамических характеристик МПО. Определены оптимальные значения коэффициентов, регулирующих скорость сходимости алгоритмов.

6. Доказано, что эффективным способом решения задач управления МПО в соответствии с программой исследовательских и добычных работ на море при неконтролируемых возмущениях и нестационарных характеристиках МПО яв-

аг

ляется метод управления с прогнозированием на самонастраивающейся модели объекта. Разработаны теоретические аспекты метода.

7. Произведена формализация задач управления МПО. Введены критерии качества, обеспечивающие точное и достаточное для качественной работы научно-исследовательского и бурового оборудования управление. На основании использования метода динамического прогнозирования получены алгоритмы отыскания оптимальных управлений на интервале прогнозирования.

8. Показана возможность предоставления судоводителю оперативной информации о будущем положении МПО и обеспечения тем самым безопасности выполнения морских работ за счет прогнозирования движения МПО на модели при условии воздействия на нее в течение интервала прогноза эквивалента оптимальной последовательности управлений.

9. Разработаны программы расчета динамических характеристик, фильтрации навигационной информации, оперативной идентификации, оптимизации и прогнозирования на ЦВМ. Определены требования к вычислительным средствам систем управления и тренажерных комплексов для реализации разработанных программ. Доказана возможность непосредственного использования разработанных алгоритмов на МПО и в составе тренажерного комплекса.

10. Разработан и реализован алгоритм, получены расчетные соотношения для оптимальной ориентации бурового судна с учетом характера и особенностей внешних возмущений, позволяющий обеспечить снижение влияния внешних возмущений и экономии ресурса подруливающих устройств. Определена потребная установочная мощность активных средств управления.

11. Произведено исследование функционирования синтезированных систем управления МПО на цифровом моделирующем комплексе в условиях разнообразных внешних возмущений. Результаты моделирования и натурные испытания подтвердили целесообразность их применения для решения задач управления МПО,

12. Разработана и реализована структурная схема тренажерного комплекса подготовки операторов МПО, использующая разработанные математические модели, алгоритмы координатного и параметрического оценивания, оптимизации и прогнозирования.

13. Разработаны алгоритмы реализации модели обучающей системы тренажера, позволяющие производить отработку навыков управления движением МПО и автоматизировать процесс целенаправленного обучения.

14. Разработаны и изготовлены действующие образцы систем управления и тренажерных комплексов. Произведен комплекс лабораторных и морских испытаний, подтверждающий правильность полученных в процессе теоретических и экспериментальных исследований результатов.

Основные публикации по теме диссертации

1. Нечаев В.А. Идентификация динамических характеристик морского сейсморазведочного комплекса // Тез. докл. II Всесоюз. науч.-техн. конф. "Технические средства изучения и освоения Океана". — Л.: Судостроение, 1978. Вып.З. — С. 106—107.

2. Кудряшов В.Е., Магомедов И.А., Нечаев В.А. Математическая модель сейсморазведочного судна с буксируемой сейсмографной косой //БСИ. — 1978. — Вып.12, —С. 14—26.

3. Нечаев В.А., Кудряшов В.Е., Фрейдзон И.Р., Шлейер Г.Е. Вопросы автоматизации процессов управления морскими геофизическими исследованиями // Тез. докл. III Всесоюз. конф. по проблемам управления. —■ Таллин, 1980. — С. 63—67.

4. Кудряшов В.Е., Нечаев В.А. Об одном алгоритме управления морским сейсморазведочным комплексом //Изв. ЛЭТИ.—1979. — Вып. 257. — С. 34—38.

5. Фрейдзон И.Р. Судовые автоматизированные электроприводы и системы. — Л.: Судостроение, 1980.— §§ 21, 27.

6. Нечаев В.А. Физико-математическая модель движения буксируемой сейсмографической косы//Изв. ЛЭТИ.— 1977.— Вып. 227.— С. 103—107.

7. Нечаев В.А. Особенности построения автоматической системы управления движением сейсморазведочного комплекса по исследуемым профилям //Изв. ЛЭТИ.— 1978 — Вып. 242 — с. 30 —33.

8. Кудряшов В.Е., Нечаев В.А., Фрейдзон И.Р. Основные принципы и алгоритмы управления морскими сейсморазведочными комплексами // Техническая кибернетика. — 1981.— № 44. — С. 41—52.

9. Нечаев В.А. К вопросу построения адаптивной модели сейсморазведочного судна // БСИ. — 1978.— Вып.12.— С. 16—22.

10. Кудряшов В.Е., Магомедов И.А., Нечаев В.А., Рождественский Ю.В. Автоматизация движения сейсморазведочных судов с помощью адаптивных систем управления с прогнозированием II Тез. Докл. II Всесоюз. науч.-техн. конф. "Технические средства изучения и освоения Океана".— Л.: Судостроение, 1978,— Вып. 2,— С. 22—23.

11. Магомедов И.А., Нечаев В.А. Вопросы оценивания навигационной информации в задаче стабилизации сейсморазведочного судна на траектории //БСИ. — 1978 —Вып.12 —С. 72—84.

12. A.c. 701232 СССР, МКИ3 B25J15/00. Автоматическая система для управления движением судна IIB. А. Нечаев, И. Р. Фрейдзон, В. Е. Кудряшов (СССР).

13. Нечаев В.А. Исследование и разработка автоматической системы управления движением плавучего сейсморазведочного комплекса: Дис. ... канд. техн. наук. — Л., 1978. — 289 с.

14. Карпович И.А., Нечаев В.А. Вопросы повышения эффективности морских геофизических исследований // Тр. ПО "Аврора".— 1980.— Вып. 3.— С. 18—22.

15. Карпович И.А., Иванов В.А., Нечаев В.А. Оптимальная система управления судном на траектории ИТр. ПО "Аврора".— 1980.— Вып. 3.—

С. 12—18.

16.Нечаев В.А., .Кудряшов В.Е. Математическая модель буксируемого подводного устройства морской геологоразведки // Изв. ЛЭТИ. — 1980.— Вып. 212.— С. 42^-48.

17. Нечаев В.А., Карпович И.А. Модель движения приемных устройств морской сейсморазведки. — Л.: Недра. Сер. Прикладная геофизика.— 1980.— № 4,— С. 22—27.

18. A.c. 842724 СССР, МКИ3 B25J15/00. Устройство для управления движением плавучего сейсморазведочного комплекса //Н. Н. Бондаренко, В. П. Майко, Ю. Ф. Матусевич, В. Е. Кудряшов, В. А. Нечаев, И. Р. Фрейдзон, И. Ф. Глумов (СССР).

19. A.c. 741689 СССР, МКИ3 B25J15/00. Устройство для стабилизации судна на заданной траектории // В. А. Нечаев, В. Е. Кудряшов, И. Б. Никифоров (СССР).

20. A.c. 717730 СССР, МКИ3 B25J15/00. Система управления движением судна// В. А. Нечаев, И. Р. Фрейдзон (СССР).

21. A.c. 744484 СССР, МКИ3 B25J15/00. Устройство для автоматической стабилизации судна с буксируемой сейсмопьезокосой на заданной траектории //В. А. Нечаев (СССР).

22. Антонов A.B., Нечаев В.А., Кудряшов В.Е. Синтез цифровой адаптивной системы управления сейсморазведочным судном // Изв. ЛЭТИ.—1980.— Вып. 269, —С. 16—20.

23. Беляев Н.В., Нечаев В.А. К вопросу оптимизации маневров геологоразведочного судна//Изв. ЛЭТИ.— 1981,—Вып. 295 —С. 91—94.

24. Нечаев В.А., Савкина A.B. Оперативная идентификация параметров бурового судна в процессе удержания над устьем бурения // Тр. III Междунар. науч. конф. "Дифференциальные уравнения и их приложения".— Саранск, 1998,—С. 83—87.

25. A.c. 1021031 СССР, МКИ3 B25J15/00. Устройство управления движением морского подвижного объекта // В. А. Нечаев, И. Ф. Глумов, В. Е. Кудряшов, (СССР).

26. A.c. 1152163 СССР, МКИ3 B25J15/00. Система управления движением морского подвижного объекта //В. Л. Акимов, В. А. Нечаев, В. Е. Кудряшов, (СССР).

27. Кудряшов В.Е., Глумов И.Ф., Нечаев В.А. Исследование процессов движения буксируемой аппаратуры при проведении морских геолого-геофизических работ.—Л.: Недра. Сер. Геофизическая аппаратура.— 1982.— №2,—С. 18—30.

28. Акимов В.Л., Нечаев В.А. Математическая модель буксируемого глубоководного аппарата //БСИ.— 1982.— Вып. 2.— С. 26—38.

29. Акимов В.Л., Нечаев В.А. Синтез системы управления положением буксируемого аппарата относительно дна //БСИ. —1982.— Вып. 2.— С. 39—47.

30. Нечаев В.А., Магомедов И.А. Цифровая прогнозирующая система управления движением морского геолого-геофизического комплекса //Тр. ученых Дагестана.— Махачкала, 1981.— С. 112—118.

31. Нечаев В.А., Магомедов H.A. Алгоритм параметрической идентификации морского подвижного объекта// Тр. ученых Дагестана.— Махачкала, 1981.—С. 119—132.

32. Нечаев В.А., Магомедов И.А. Об одном алгоритме оценивания навигационной информации//Тр. ученых Дагестана.—Махачкала, 1981.—

С. 132—144.

33. Нечаев В.А., Глумов И.Ф., Кудряшов В.Е. Основные принципы и алгоритмы управления морскими геологоразведочными комплексами // Морская геология и геофизика// ВИЭМС .— М„ 1983 — Вып. 5.— С. 6—22.

34. Нечаев В.А., Глумов И.Ф. Исследование процессов движения буксируемой аппаратуры при проведении морских геолого-геофизических работ //Морская геология и геофизика// ВИЭМС .— М., 1983.— Вып. 5.— С. 23—39.

35. Нечаев В.А. Цифровая адаптивная система управления движением морских геолого-геофизических комплексов //Тез. докл. IV Всесоюз. науч.-техн. конф."Проблемы научных исследований в области изучения Мирового океана".— Владивосток, 1983.— С. 171—174.

36. A.c. 1023918 СССР, МКИ3 B25J15/00. Устройство для управления движением судна на заданной линии профиля // И. Ф. Глумов, В. П. Манко, В. А. .Нечаев, И. Б. Никифоров, 10. В. Рождественский (СССР).

37. Нечаев В.А., Афонин В.В., Акимов B.JI. О синтезе системы управления движением буксируемых подводных аппаратов //Управление, надежность, навигация.— Саранск, 1984.— С. 145—150.

38. Нечаев В.А. Применение теории нечетких множеств в системах управления техническими средствами изучения и освоения Мирового океана // Тез. докл. межресп. науч. конф. "Модели выбора альтернатив в нечеткой среде". — Рига, 1984.—С. 137—138.

39. Нечаев В.А., Кокаев О.Г., Магомедов И.А. Ассоциативный параллельный процессор для оброботки нечеткой информации //Тез. докл. II Всесоюз. совет. "Высокопроизводительные вычислительные системы".— М., 1984.—

С. 48—50.

40. Исследование особенностей работы вентильных преобразователей в зависимости от режима параметров нагрузки и сигнала управления: Отчет о НИР/Морд. гос. ун-т им. Н. П. Огарева: Руководитель работы В. А. Нечаев;

№ ГР 1830077901; Инв. № 02850031251, Саранск, 1984. 117 с.

41. Нечаев В.А., Афонин В.В., Акимов B.JI., Фрейдзон И.Р. Вопросы разработки системы управления вентильным электроприводом буксируемых подводных аппаратов //Силовые полупроводниковые приборы и преобразовательные устройства: Системы управления и контроля.— Саранск, 1985.—

С. 73—82.

42. Нечаев В.А. Универсальный метод управления одним классом технических средств изучения и освоения Мирового океана //Тез. докл. V

Всесоюх науч.-техн. конф. "Технические средства изучения и освоения Мирового океана". — Л., 1985 — Вып. 2,— С. 100.

43. Нечаев В.А. Управление с прогнозированием как метод снижения аварийности технических средств исследования и освоения Мирового океана //Тез. докл. V Всесоюз. совещ. "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана".— Л., 1985.—С. 112.

44. Нечаев В.А., Бальзамов Ю.А., Федосин С.А. Вторичная обработка навигационной информации в процессе стабилизации судна на траектории//Тез. докл. школы—семинара "Повышение эффективности средств восприятия и обработки информации".— Пенза, 1985.— С. 39.

45. Магомедов И.А., Нечаев В.А. Микропроцессорная система управления движением морского геофизического комплекса на заданной траектории //Тез. докл. VIII Респ. науч.-практ. конф. "Автоматизация производства и использование средств вычислительной техники в народном хозяйстве". — Махачкала, 1985 — С. 42.

46. Нечаев В.А. Дополнительная фильтрация навигационной информации при управлении научно-исследовательскими судами //Тез. докл. науч.-техн. конф."Теория и практика проектирования РЭА".— Махачкала, 1985.— С. 43, 44.

47. Нечаев В.А., Акимов В.Л., Бакаев О.В., Карасев A.B., Федосин С.А., Героева Е.В. Система управления режимов нагрева кварцевых блоков IIТез. докл. науч.-техн. конф. "Эффективность внедрения научно-технических разработок ученых МГУ им. Н.П.Огарева в производство".—Саранск, 1986.— С. 44.

48. Нечаев В.А. Алгоритм вторичной фильтрации навигационной информации//Динамика систем и управление.— Саранск, 1988.— С. 116—124.

49. Нечаев В.А. Универсальная система управления одним классом морских подвижных объектов //Динамика систем и управление.— Саранск, 1986.—

С, 46—55.

50. Магомедов И.А., Нечаев В.А. Алгоритм параметрической идентификации морского подвижного объекта //Известия Северокавказ. науч. центра высшей школы [Новочеркасск].— 1985.— К» 2.— С. 14—26.

51. Система управления процессом вытяжки кварцевых труб на индукционных печах как элемент подсистемы АСУЭ: Отчет о НИР /Морд. гос. ун-т им. Н. П. Огарева: Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 01850073140; Инв. № 02860100750, Саранск, 1986. 124 с.

52. Акимов В.Л., Нечаев В.А., Фрейдзон И.Р. Система управления положением буксируемых подводных аппаратов с прогнозированием на модели объекта //Тез. докл. Всесоюз. школы "Технические средства и методы исследования Мирового океана".— М., 1987.— С. 17—18.

53. Нечаев В.А. Использование принципов прогнозирования для автоматизации технологического процесса изготовления кварцевых труб //Тез. докл. Междунар. конф. "Автоматизация электроприводов и технологических процессов АЭЗТП".— Пловдив, 1987 — С. 32,33.

54. Нечаев В.А., Бакаев О.В., Губанов А.Д., Карасев А.В., Степунин Е.Ф. Технические средства автоматизации технологического процесса изготовления сварцевых труб //Тез. докл. IX Всесоюз. науч.-техн. конф. по светотехнике.— эига, 1987,—С. 88.

55. Нечаев В.А., Карпович И.А., Кудряшов В.Е. Системный подход к 1втоматизации управления плавучим геофизическим комплексом //Изв. ПЭТИ,—1982,—Вып. 309,—С. 6—12.

56. Нечаев В.А., Завьялов В.И. Динамика вентильных преобразователей: Учеб. пособие.— Саранск, 1987.— 92 с.

57. Нечаев В.А. Алгоритмы функционирования бортовых тренажеров одного класса морских подвижных объектов //Тез. докл.VI Всесоюз. совещ. "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана".— Одесса, 1987.— С. 53.

58. Электронизация и автоматизация технологических процессов и оборудования в электротехнической промышленности: Отчет о НИР /Морд. гос. университет им. Н. П. Огарева: Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 01870063340; Инв. № 02850031251, Саранск, 1987. 206 с.

59. Нечаев В.А., Русинов Ю.Р. Основные принципы построения тренажеров для обучения специалистов по системам динамического позиционирования //Тез. докл. межресп. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1991.— С. 45— 46.

60. Разработка комплексной системы подготовки " операторов динамического позиционирования, якорного позиционирования бурового оборудования при работе на континентальном шельфе: Отчет о НИР /Морд. гос. ун-т им. Н. П. Огарева: Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 1830077901; Инв. № 02850031251, Саранск, 1992. 302 с.

61. Обоснование научного подхода и принципов построения тренажеров для обучения операторов управления положением бурового судна, ППБУ, судна-буксира, работающих на континентальном шельфе: Отчет о НИР /Морд, гос. ун-т им. Н. П. Огарева: Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 1830077982; Инв. № 02850035258, Саранск, 1993. 146 с.

62. Нечаев В.А. Основные принципы управления одним классом морских подвижных объектов //Тез. докл. межресп. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1989.— С. 58.

63. Нечаев В.А. Методы и алгоритмы управления движением морских подвижных объектов в процессе изучения и освоения Мирового океана //Тр. I междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1995.— С. 106— 107.

64. Нечаев В.А., Русинов Ю.Р. Тренажерные комплексы для подготовки операторов морских подвижных объектов //Тр. I междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1995,—С. 108— 109.

65. Нечаев В.А., Помыткин С.А. Особенности реализации метода управления с прогнозированием в задачах управления морскими подвижными

объектами //Тр. II междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997.—-С. 172—175.

66. Нечаев В.А. Прогнозирование на "быстрых" моделях как эффективный метод управления инерционными морскими объектами // Тр. II междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997,—С. 167—171.

67. Луценко В.В., Мальков О.В., Нечаев В.А. Вопросы оперативной идентификации при управлении буровым комплексом // Тр. II междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997,—С. 138—140.

68. Нечаев В.А., Савкина A.B. Модель буровой колонны как элемент в программном обеспечении тренажера //Тр. II междунар. науч. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами".— Саранск, 1997.—

С. 176—183.

69. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования: Отчет о НИР (П этап)/ Морд. гос. ун-т; Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 01900055145;

Инв. № 029200044215. Саранск, 1989. 180 с.

70. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования: Отчет о НИР (III этап)/ Морд. гос. ун-т; Руководитель работы В. А. Нечаев; № ГР 01900055145;

Инв. № 02920007228. Саранск, 1990. 256 с.

71. Нечаев В. А., Лемайкин В.Ф., Масляев С.И. Математическое моделирование на базе ЦВМ систем управления подвижными объектами // Полупроводниковые системы преобразования, управления и автоматизации технологическими процессами.— Саранск, 1990.— С. 4—13.

72. Акимов В.Л., Нечаев В.А. Использование принципа прогнозирования для управления морским подвижным объектом // Исследования по прикладной математике.— Саранск, 1982.— С. 134—136.

73. Нечаев В. А., Афонин В. В. Об одной экспериментальной оценке управления инерционным объектом //Тр. 2-го Междунар. симпоз. "Интеллектуальные системы". — СПб., 1996. — Т. 2. С. 23—25.

А-Л. Л

■ о схаен'', Д1.

"Ж

МОРДОВСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н. П. ОГАРЕВА

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ТРЕНАЖЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ МОРСКИХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ИЗУЧЕНИЯ И ОСВОЕНИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА

Специальность 05.13.01 — Управление в технических

системах

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

НЕЧАЕВ ВИКТОР АНАТОЛЬЕВИЧ

Пенза 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение............................................... 5

I. Анализ современного состояния проблемы управления морскими подвижными объектами изучения и освоения Мирового океана...... 21

1.1. Основные тенденции развития и задачи автоматизации процессов управления морскими подвижными объектами для изучения и освоения ресурсов Мирового океана.............................. 21

1.2. Основные технические характеристики управляемых

объектов...................................................... 44

1.3. Обзор современных методов и систем управления морскими подвижными объектами......................................... 59

1.4. Разработка требований к математическим моделям, методам

и алгоритмам управления........................................ 83

Выводы по главе 1......................................... 92

И. Разработка математических моделей морских подвижных объектов....................................................... 94

2.1. Модель бурового судна ..................................94

2.2. Модель судна-буксира.................................. 106

2.3. Модель буксируемого подводного аппарата................ 113

2.4. Модели внешних возмущений............................117

2.5. Математическая модель сейсмографной косы и кабель-троса магнитометра................................................... 128

2.6. Модель кабель-троса буксируемого подводного аппарата .... 139

2.7. Модель буровой колонны................................149

Выводы по главе II......................................... 161

III. Разработка алгоритмов решения уравнений моделей......

3.1. Анализ уравнений моделей сейсмографной косы и кабель-троса магнитометра..........................................

162 162

3.2. Анализ результатов моделирования движения кабель-троса буксируемого подводного аппарата............. ................... 181

3.3. Оценка адекватности моделей............................ 198

3.4. Линеаризация моделей динамики судов и буксируемого подводного аппарата.................... ............................215

Выводы по главе III.........................................224

IV. Разработка алгоритмов оценивания навигационной информации

и идентификации характеристик управляемых объектов...............227

4.1. Общие принципы построения систем управления МПО.......227

4.2. Особенности навигационной информации о координатах управляемых объектов..............................................230

4.3. Координатное оценивание навигационной информации в задаче стабилизации судна на траектории.................................235

4.4. Фильтрация и восстановление вектора состояния буксируемого подводного аппарата.............................................245

4.5. Подсистема идентификации характеристик МПО............255

4.6. Алгоритм идентификации модели судна-буксира............259

4.7. Оперативная настройка параметров модели буксируемого подводного аппарата и бурового судна.............................265

Выводы по главе IV.........................................267

V. Оптимизация и прогнозирование движения морских подвижных объектов........................................................268

5.1. Критерии качества управления............................268

5.2. Оптимизация управления на интервале экстраполяции.......274

5.3. Структурная схема системы управления с прогнозированием . .284

5.4. Оптимизация упоров бурового судна.......................286

Выводы по главе V..........................................294

VI. Исследование алгоритмов управления на моделирующем комплексе.......................................................295

6.1. Структурная схема моделирующего комплекса..............295

6.2. Исследование алгоритмов координатного оценивания........297

6.3. Исследование алгоритмов идентификации..................308

6.4. Анализ влияния параметров алгоритмов оптимизации на качество управления............:...................................315

6.5. Результаты морских испытаний систем управления...........335

Выводы по главе VI.........................................339

VII. Программно-аппаратная реализация тренажерного комплекса . 341

7.1. Структурная схема тренажера.............................341

7.2. Обучающая система тренажера............................353

7.3. Разработка требований к вычислительным средствам бортовых систем управления и тренажерных комплексов........................369

Выводы по главе VII.........................................375

Основные результаты и выводы ...............................376

Литература.................................................379

Приложения................................................414

Приложение А. Акты о внедрении результатов диссертационной

работы......................................................415

Приложение Б. Программа проведения натурных испытаний

объектов.....................................................420

Приложение В. Программы расчетов............................422

Приложение Г. Результаты расчетов............................442

Приложение Д. Пример отображения расчетов на дисплее тренажера.......................................................471

Приложение Е. Результаты натурных испытаний................472

Приложение Ж. Внешний вид тренажерного комплекса и его элементов, структурные схемы и управляющие страницы тренажерного комплекса.....................................476

ВВЕДЕНИЕ

Постоянный рост энергомощностей производства, развитие нефтехимической и газовой отраслей промышленности, большие энергомощности морского и речного флота, авиационный, автомобильный и железнодорожный транспорт требуют все большего количества нефти и газопродуктов. Добыча нефти и газа, разведка новых нефтяных и газовых месторождений стали актуальной проблемой современности. Богатейшим источником нефти, газа и других сырьевых ресурсов является Мировой океан. Поэтому в настоящее время интенсивно развивается геология шельфовых зон океанов и морей, что объясняется их перспективностью на нефть и газ.

Почти 90% разрабатываемых ресурсов Мирового океана составляют нефть и газ, однако в последнее время наблюдается устойчивая тенденция к расширению добычи твердых полезных ископаемых. До настоящего времени разведка и добыча твердых полезных ископаемых была сосредоточена в зоне шельфа на глубине до 200 метров, т.е. тяготела к суше и практически развивалась теми же путями, что и на суше. В пляжевой и шельфовой зонах уже сейчас разрабатывают россыпные месторождения олова, золота, платины, редкоземельных элементов, железистых песков. Так за рубежом из подводных россыпных месторождений получают около 100% циркония и рутила, 80% ильменита, более 50% касситерита.

Велики и сравнительно мало изучены минеральные богатства открытого океана, в частности железномарганцевые конкреции, распространенные главным образом на глубинах океана 4-6 км; они содержат около 35 различных элементов. Иногда масса железномарганцевых конкреций на одном квадратном метре дна содержит 50-70 кг.

По зарубежным данным только в одной из впадин Красного моря в слое осадков содержатся цветные металлы на несколько миллиардов долларов.

Освоение морских месторождений требует значительных и все более возрастающих капитальных и эксплуатационных расходов соизмеримых с расходами на освоение космоса. Однако, даже с учетом этого, в ближайшие годы по прогнозам специалистов почти половина всего объема нефти и газа будет добываться со дна Мирового океана. В этой связи, несмотря на существующие экономические трудности в России последовательно проводится курс на широкое развертывание комплексных исследований глубоководных районов и континентального шельфа Мирового океана, что невозможно без создания надежного, высокопроизводительного оборудования. Следствием этого явилось появление новых технических средств, в том числе морских подвижных объектов (МПО), таких как буровые суда и плавучие буровые установки, научно-исследовательские суда, буксирующие за кормой аппаратуру на кабель-тросах большой протяженности, необитаемые буксируемые глубоководные аппараты, суда - трубоукладчики.

Одним из наиболее эффективных технических средств для проведения обширного комплекса исследований, включая разведочное бурение на глубинах до 5000 м, являются буровые суда (БС). Буровое судно представляет собой построенный или переоборудованный корабль для разведочного бурения на нефть, газ или другие полезные ископаемые. С помощью БС могут быть обследованы обширные районы океана с глубинами больше 30 м. Широкий диапазон использования БС в исследовании и разведочном бурении в открытых акваториях океана требует продолжительной стабилизации его в заданном местоположении. Продолжительность стабилизации в зависимости от целевого назначения может длиться более трех месяцев при активном воздействии окружающей среды. На таких больших интервалах времени может проявляться нестационарность как внешних воздействий, так и параметров и характеристик самого объекта управления. Нестационарность воздействия среды проявляется

в изменении течения, волнения и ветра, которая определяется в общем состоянии погоды. Погода является непрерывной энергетической связью между атмосферой и океаном, о которой практически невозможно составить длительные и достоверные прогнозы.

Таким образом, проблема тренажерного моделирования системы управления БС заключается во взаимодействии сложных нелинейных закономерностей окружающей среды на всем интервале работы с объектом управления. Особенность управляемого БС состоит в многорежимности его функционирования, при этом основной режим динамического позиционирования осуществляется без "хода", когда на БС начинают оказывать существенное влияние ветер, волнение, течение, приливы и отливы.

С другой стороны, исполнительные органы БС в режиме динамического позиционирования являются низкоэффективными, что требует значительного увеличения их числа с целью обеспечения заданных качественных показателей и надежности динамического позиционирования. С увеличением числа исполнительных органов проявляется тенденция значительного почти соизмеримого энергопотребления с бортовой энергетической установкой при ограниченной мощности последней, вследствие чего возникает проблема создания системы управления с минимизацией затрат энергии на позиционирование при выполнении технических требований точности стабилизации. Увеличение числа подруливающих устройств вызывает дополнительную трудность в построении системы управления. Поэтому одной из актуальных задач современного судостроения является создание высококачественных систем динамического позиционирования БС в заданной точке. Решение указанной задачи осложняется тем, что в процессе функционирования БС его характеристики могут изменяться в довольно широком диапазоне вследствие нестационарности его параметров. Нестационарность параметров БС может быть вызвана длительностью технологических режимов, когда в процессе функционирования расходуется

топливо, буровые трубы и другие компоненты, масса которых, в общем, составляет тысячи тонн.

По экономическим соображениям, с учетом погодных ограничений, при тренажерном моделировании системы управления для режима динамической стабилизации возникает проблема максимального расширения возможности функционирования БС в условиях изменения состояния моря. Наиболее сильное воздействие на БС оказывает волнение моря, вызывающее бортовую, килевую, вертикальную качки и другие периодические движения, которые ограничивают режим бурения и эти колебания невозможно компенсировать. В этом случае возникает задача ориентации БС, чтобы максимально снизить действие такого рода возмущений. Кроме того, процесс динамической стабилизации БС на основе измерения фазовых координат системой акустических датчиков усложнен наличием большого количества совершенно разнородных помех, включая акустические шумы движителей подруливающих устройств БС, и изменение акустических свойств водной среды при выбросах минеральных пород в процессе бурения. Помехи в измерении фазовых координат вносятся и качкой БС на волнении. Проблема устранения влияния такого рода помех на процесс стабилизации приобретает в данном случае важное значение. Эффективным способом решения задачи управления при наличии помех и возмущений является применение адаптивных моделей, которые дают возможность получать истинные текущие характеристики управляемого процесса.

Проблема моделирования замкнутой системы управления БС сопряжена с трудностями, вызванными нелинейностью и многосвязностью математической модели БС. Такая модель должна отражать многорежимность БС как объекта управления, а также большой диапазон изменения фазовых координат.

При проведении операций морского бурения, особенно на больших глубинах, остро встает вопрос обеспечения безопасности бурового комплекса. Это связано с большой протяженностью буровой колонны, сложностью прогнозирования будущего положения бурового комплекса, что может привести к ава-

рийной ситуации. Автоматизация процесса управления положением БС позволяет исключить субъективные ошибки оператора при управлении, уменьшить вероятность аварии за счет прогнозирования будущего положения бурового комплекса на модели процесса.

Остро стоит также вопрос подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров для проведения морского бурения. Поскольку тренировки в процессе эксплуатации бурового комплекса трудноосуществимы, для решения указанной проблемы необходимо использовать тренажеры и тренажеры-советчики оператора. Построение тренажерных комплексов для подготовки операторов усложняется нелинейностью и многосвязанностью математических моделей БС и бурового оборудования, наличием неконтролируемых внешних возмущений.

Отечественные и зарубежные буровые суда оснащены системами динамической стабилизации (СДС) построенными на основе фирменных вычислительных комплексов. Сведения об аппаратной и программной реализации СДС и тренажеров носят в основном ознакомительный, рекламный характер и являются сектором фирм-изготовителей.

В последнее время в нашей стране и за рубежом придают особое значение освоению глубоководных рудных залежей, обнаруженных в центральных районах океана и в некоторых разломах земной коры на дне морей и океанов. Выявление и разведка месторождений твердых полезных ископаемых, особенно в открытых частях Мирового океана, осуществляется комплексными методами с использованием новейших средств геофизических исследований. Создан ряд новых высокочувствительных геофизических приборов для подводных геологических исследований в придонном слое. Для транспортировки таких приборов используются подводные аппараты различных типов, как обитаемые, так и необитаемые. Весьма перспективным видом носителей геолого-геофизической аппаратуры являются необитаемые подводные аппараты, буксируемые за судном в придонном слое с помощью специального грузонесущего

кабель-троса (КТ). Использование таких аппаратов позволяет осуществлять поиск и разведку месторождений твердых полезных ископаемых на больших площадях океанского дна на ходу судна. Информация от геофизических приборов поступает на судно по кабель-тросу.

Применение буксируемых подводных аппаратов (БПА) позволяет существенно улучшить качество многих видов геолого-геофизических измерений за счет приближения измерительной аппаратуры непосредственно к дну Мирового океана. Однако качество большинства видов геолого-геофизических измерений существенно зависит от характера движения БПА.

Изменение высоты буксировки подводного аппарата над дном, резкие рывки и качка БПА ухудшают качество фототелевизионного изображения, создают большие помехи при работе гравиметров, магнитометров и других приборов.

Эффективным средством повышения качества геолого-геофизических измерений является использование автоматических систем стабилизации БПА на заданном расстоянии от дна, обеспечивающих необходимую плавность буксировки. Применение таких систем позволяет резко повысить качество буксировки подводных аппаратов и производительность их работы, а также облегчает труд оператора.

Однако при построении автоматизированной системы управления движением БПА нельзя ограничиться только задачами стабилизации аппарата на заданном расстоянии от дна и обеспечения плавности буксировки, так как из-за большой глубины погружения (до 6000 м) резко возрастает опасность повреждения БПА при маневрировании вблизи дна. Большая протяженность и инерционность буксируемой системы, сложность прогнозирования будущего положения БПА относительно дна или других навигационных препятствий может привести к аварии. Автоматизация процесса управления БПА позволит исключить субъективные ошибки оператора при управлении и уменьшить вероятность аварии за счет прогнозирования будущего положения БПА на модели

процесса. Важным фактором снижения аварийности, повышения эффективности использования научно-исследовательской ап�