Моделирование процессов автоматизированного управления движением судов на внутренних водных путях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Кулибанов, Михаил Юрьевич

• Кулибанов, Михаил Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кулибанов, Михаил Юрьевич

Введение.

Глава 1. Движение судов как сложный процесс управления.

1.1 Качественные характеристики водного транспорта.

1.2 Характеристики движения и взаимодействия судов.

1.3 Энергетические характеристики и критерии движения судна.

1.4 Судовые комплексы как человеко-машинные системы.

Глава 2. Математические модели основных видов движения судов.

2.1 Общие концепции разработки математических моделей.

2.2 Исходные математические модели.

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

Глава 3. Линейные модели динамики судовых комплексов.

3.1 Основы линеаризации.

3.2 Линейные модели.

3.3 Исследование линейных моделей судовых комплексов.

3.4 Исследование взаимосвязанности энергетических установок в судовом комплексе.

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

4.1 Определение минимального расхода топлива.

4.2 Минимизация расхода топлива при движении по речному фарватеру.

4.3 Минимизация расхода топлива при движении по каналу.

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

Глава 5. Алгоритмы автоматизированного управления судами.

5.1 Задачи экстраполяции движения.

5.2 Пассивная экстраполяция.

5.3 Активная экстраполяция.

5.4 Управление строем судов.

5.5 Управление боковым движением судна при обгоне и расхождении.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процессов автоматизированного управления движением судов на внутренних водных путях»

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

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

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

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

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

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

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

Взаимодействия судна со средой могут быть случайными или детерминированными.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Кулибанов, Михаил Юрьевич

Заключение

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

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

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

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

210

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

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

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

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