Идентификация показателей качества судовых автоматизированных систем на основе оптимальных планов вычислительного эксперимента

Сложность современных судовых автоматизированных систем (АС) настолько высока, что их проектирование, осуществляемое традиционными методами, может привести к значительным затратам времени и средств, не обеспечивая при этом оптимальности принимаемых проектных решений. Поэтому во многих случаях оказываются оправданными широкие исследования, которые проводятся на различных этапах проектирования судовых АС.

Одной из важнейших проблем возникающих при проведении подобных исследований является проблема повышения качества процессов в судовых АС и формирования оптимальных решений. Решение указанной проблемы сталкивается с рядом трудностей, связанных с особенностями судовых. АС, среди которых необходимо отметить следующие:

— сложность математического описания большинства судовых АС. Поведение этих систем описывается нелинейными дифференциальными уравнениями достаточно высокого порядка;

— большое число противоречивых требований, предъявляемых к АС и необходимость учета ограничений на значения отдельных показателей качества;

— многорежимность и многовариантность АС;

— широкий диапазон разброса значений параметров элементов систем и приложенных к ним внешних воздействий, что связано с необходимостью учета стохастической природы этих параметров.

Классические методы синтеза оптимальных автоматических систем во многих случаях не применимы для решения проблемы повышения качества АС и формирования оптимальных решений. Действительно, синтез АС с учетом вышеприведенных особенностей, как правило, не представляется возможным. В то же время упрощение математической формулировки задачи, в частности, линеаризация исходных дифференциальных уравнений судовых АС, понижение их порядка, не учет ограничений на значения отдельных показателей или отказ от учета многокритериальное&tradeАС может привести к качественно неверным результатам.

Одними из наиболее сложных судовых АС являются автоматизированные электроэнергетические системы (ЭЭС), представляющие собой комплексы электротехнических устройств и автоматических систем предназначенные для обеспечения судовых потребителей электроэнергией заданного качества и в нужном количестве.

Судовым автоматизированным ЭЭС в полной мере присущи вышеописанные свойства судовых АС, что существенно усложняет решение проблемы обеспечения требуемых значений показателей качества процессов в ЭЭС, в частности электромагнитных и электромеханических процессов, характеризующих поведение ЭЭС в стационарных, квазистационарных и переходных режимах.

В настоящее время разработаны методы моделирования электромагнитных и электромеханических процессов в автоматизированных ЭЭС, а также аналитические методы расчета показателей качества этих процессов.

Однако применение указанных методов для исследования, оценки и повышения качества автоматизированных ЭЭС перспективных кораблей и судов, в частности судов для освоения мирового океана встречает ряд существенных затруднений. Следует учитывать, что совершенствование судовых ЭЭС связано как с появлением новых задач, которые должны решать эти системы, так и с развитием элементной базы. Поэтому при проектировании автоматизированных ЭЭС перспективных судов возникает ряд принципиально новых проблем обеспечения качества, определяемых существенным отличием указанных ЭЭС от традиционных ЭЭС. Необходимо отметить следующие особенности ЭЭС перспективных кораблей и судов, которые оказывают значительное влияние на процессы исследования и проектирования этих систем:

— увеличение числа и суммарной мощности статических преобразователей существенно влияет на качество электрической энергии ЭЭС и электромагнитную обстановку на кораблях и судах;

— исключение электромашинных преобразователей частоты из систем вторичного электропитания и обеспечение электроэнергией судовых радиоэлектронных средств (РЭС) и АС непосредственно от общесудовой сети с частотой 50 Гц требует более тщательного рассмотрения вопросов обеспечения заданного качества электрической энергии;

— увеличение насыщенности кораблей и судов АС и РЭС и рост чувствительности этих систем к электромагнитным помехам обостряет проблему электромагнитной совместимости электрооборудования, АС и РЭС в условиях электромагнитных полей, в частности полей, излучаемых силовыми кабельными линиями;

— ужесточение требований к виброакустическим характеристикам (ВАХ) судовых автоматизированных систем вызывает необходимость оценки влияния статических выпрямителей на дискретные составляющие ВАХ синхронных генераторов и асинхронных двигателей.

Особенно остро указанные проблемы возникают при проектировании автоматизированных ЭЭС перспективных судов, предназначенных для освоения мирового океана, где использование мощных статических преобразователей для питания систем, автоматизированных электроприводов технологических комплексов, автоматизированных систем электродвижения и позиционирования требует принятия специальных мер для обеспечения заданного качества электрической энергии.

При решении указанных проблем особую роль играют показатели качества электромагнитных процессов (ЭМП). Действительно, показателями качества электромагнитных процессов является большинство показателей качества электрической энергии, несоответствие которых нормируемым значениям может привести к нарушению работы автоматизированных систем, электронных систем и других потребителей электроэнергии.

Из вышеизложенного видно, что задача обеспечения заданного качества электромагнитных процессов в ЭЭС является одной из основных задач, возникающих при проектировании автоматизированных ЭЭС перспективных кораблей и судов.

Сокращение сроков проектирования судовых АС вступает в противоречие с необходимостью разработки новых технических решений, обеспечивающих заданное качество процессов. Поэтому при предпроектных исследованиях и на ранних стадиях проектирования необходимо осуществлять большой объем расчетов для комплексной оценки качества процессов различных режимов работы отдельных вариантов АС. Применение для этой цели традиционных методов оценки качества процессов судовых АС во многих случаях не представляется целесообразны по следующим причинам:

Известные в настоящее время методы моделирования процессов АС основаны на несвязанных между собой специализированных вычислительных моделях. Применение таких моделей значительно усложняет комплексную оценку влияния параметров отдельных элементов АС на различные показатели качества процессов. Использование этих моделей при исследовании и проектировании АС приводит к большим затратам времени расчета на ПК особенно в условиях оперативного изменения исходных данных в связи с выбором того или иного варианта АС. Указанные свойства вычислительных моделей АС существенно затрудняют разработку современных методов автоматизированного проектирования АС в диалоговом режиме.

Из вышеизложенного видно, что для повышения эффективности исследования и проектирования АС перспективных кораблей и судов необходимо создание комплекса согласованных и информационно совместимых математических моделей, которые могут быть положены в основу как автоматизированных (аналитических), методов повышения качества процессов в АС и формирования оптимальных решений. Указанные методы должны сочетать высокую точность и оперативность расчетов с простотой их реализации.

При создании комплекса моделей АС целесообразно использовать концепцию активной идентификации сложных систем, основанную на планировании вычислительного эксперимента. Планирование вычислительного эксперимента, осуществляемого с помощью ПК на основе специализированных вычислительных моделей 5 и обработка полученных результатов, в соответствии с принятым критерием оптимальности (позволяет осуществить активную идентификацию процессов в АС, т. е. получить комплекс согласованных моделей судовых АС, представляющих собой полиномиальные зависимости различных показателей качества процессов от исследуемых АС и приложенных к ним внешних воздействий.

Указанный комплекс информационно совместимых полиномиальных моделей дает возможность осуществлять разработку диалоговых систем для автоматизаций процессов оценки и повышения качества процессов в АС в процессе проектирования. Такие диалоговые системы, реализованные на персональных компьютерах могут быть положены в основу автоматизированных рабочих мест исследователей и проектантов судовых АС.

Вопросом планирования эксперимента посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов. Большой вклад в развитие этой теории внесли отечественные ученые В. В. Налимов [52,53], В. В. Фёдоров [87], Т. К. Круг [41], С.М. Ермаков[45].

Однако большинство указанных работ посвящено планированию регрессионного эксперимента, ориентированного на экспериментальные исследования реальных объектов, а не вычислительных моделей. Применение планов регрессионного эксперимента, разработка которых осуществлялась на основе статистических критериев оптимальности без учета ошибки аппроксимации, не позволяет получить полиномиальные модели АС, обеспечивающие необходимую точность для широкого диапазона изменения исследуемых параметров. Встречающиеся в отдельных работах планы, минимизирующие ошибки аппроксимации (смещение), предназначены для получения, полиномиальных моделей третьего порядка, которые не обеспечивают достаточную точность расчётов в широком диапазоне изменения исследуемых параметров для сложных судовых АС.

Указанная проблематика определила актуальность основного направления настоящей работы.

Цель диссертационного исследования состоит в совершенствовании процесса проектирования судовых АС путём решения задачи оптимальной идентификации в классе полиномиальных моделей (ПМ) четвёртого порядка, положенных в основу оперативных методов расчета показателей качества АС.

В соответствии с указанной целыо (в диссертации сформулированы, ' обоснованы и решены следующие задачи:

1. Анализ существующих полиномиальных моделей показателей качества сложных автоматизированных систем и определение моделей обеспечивающих высокую точность аппроксимации в широком диапазоне изменения параметров.

2. Определение условий оптимальности и синтез планов вычислительного эксперимента обеспечивающих достаточно высокую точность аппроксимации.

3. Разработка алгоритма параметрического синтеза оптимальных планов вычислительного эксперимента и его программная реализация.

4. Определение полиномиальных моделей АЭЭС с трёх^ фазными и У двенадцатифазными выпрямителями.

Объектом исследования в диссертационной работе являются судовые автоматизированные системы, характеризуемые сложным математическим описанием, многорежимностью и многовариантностью.

Предметом диссертационной работы являются аппроксимирующие полиномиальные модели процессов судовых АС.

Научная новизна диссертации состоит в:

1. Определение в явном виде условий оптимальной идентификации полиномиальной модели четвёртого порядка показателей качества С АС.

2. Синтез планов четвёртого порядка для определения ПМ показателей качества С АС.

3. Разработка комплекса программ для параметрического синтеза планов и обработки результатов вычислительного эксперимента.

4. Определение ПМ четвёртого порядка показателей качества процессов в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) со статическими преобразователями.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований доказана целесообразность и эффективность использования полиномиальных и моделей для решения конкретных задач, возникающих при проектировании автоматизированных судовых АС. Разработанные модели и программные средства легли в основу методики, позволяющей повысить эффективность расчета показателей качества процессов судовых АС.

Реализация работы. Разработанные в диссертации полиномиальные модели показателей качества процессов в судовых АС, внедрены в учебном процессе и в ОАО «Научно-производственная фирма Меридиан» .

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XI Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика 2008 (РИ-2008)», международная конференция в Вологде «Информатизация процессов формирования открытых систем».

Публикации. Основные положения о работерассмотрены в семи публикациях, в том числе одна из статей опубликована в издании, имеющимся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования и науки РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Совершенствование процесса проектирования судовых АС обусловило необходимость решения задачи оптимальной идентификации в классе полиномиальных моделей четвёртого порядка, положенных в основу оперативных методов расчета показателей качества АС.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Сформулирована и теоретически обоснована задача идентификации процессов в судовых АС на основе оптимальных планов вычислительного эксперимента.

2. Определены в явном виде условия для оптимальной идентификации полиномиальных моделей показателей качества судовых АС.

3. Произведён синтез планов четвёртого порядка для определения полиномиальных моделей показателей качество судовых АС.

4. Разработан комплекс программ: a. параметрического синтеза оптимальных планов вычислительного эксперимента, на основе модифицированного метода деформированных многогранников. b. обработки непрерывных планов вычислительного эксперимента на основе обобщенного метода наименьших квадратов.

5. Получены полиномиальные модели четвёртого порядка для ЭЭС с трех фазными и двенадцатифазными выпрямителями.

6. Проведена сравнительная оценка точности вычислительных и полиномиальных моделей на основе метода статистических испытаний.

7. Произведен сравнительный анализ значений коэффициента искажения ЭЭС буровой установки в различных режимах с учётом и без учёта фильтро-компенсирующих устройств.