Модели и алгоритмы оптимизации технологических процессов на судах и управления судовыми техническими средствами

Создание судовых моделей и алгоритмов автоматизации судовых технических средств — процесс эволюционный. Он должен основываться на современной прикладной теории управления и, естественно, на классических положениях точной науки об управлении, которая в современный период является наиболее актуальной и наиболее важной из всех наук [1], [75], [78]. Это обусловлено не только существенными изменениями в технической сфере, но и экологическим и общественным экономическим кризисом, выходы из которого лежат в новых структурах и методах управления [30], [63], [82]. Для прикладной теории управления характерно использование новых принципов, позволяющих синтезировать законы" управления, учитывающие внутренние кооперативные взаимодействия конкретных физических явлений и процессов, их физическое содержание. Фундаментальная проблема поиска законов управления примаксимальном учете свойств объекта соответствующей физической природы порождает крупные самостоятельные задачи в тех предметных областях, к которым принадлежит соответствующий объект управления [4], [61].

Совершенствование моделей судовых технических средств с целью обеспечения высокой степени их адекватности реальному, процессу позволяет вскрыть ранее не использованные резервы и возможности для повышения качества работы в условиях изменяющейся внешней среды [64]. По-прежнему актуальными являются вопросы создания и совершенствования моделей судов как управляемых подвижных объектов: В последнее время появились работы по созданию универсальных моделей морских подвижных объектов (МПО), пригодные для аналитического описания и моделирования водоизмещающих судов, судов с динамическими принципами поддержания, подводных лодок и аппаратов, предназначенных для освоения океана, поиска и освоения углеводородных ресурсов на шельфе и др. [8], [9]. На основе универсальных моделей возможно ведение исследовательского проектированиями разработка концептуальных, проектов морской техники. К концептуальным проектам относятся новые технологии развития и обеспечений интеграции систем навигации и управления? техническими1 средствами и судами в целом, создание средств гидроакустики w связи для выполнения* работ под водой, радиолокационных средств, предназначенных для обеспечения морской деятельности на новой электронной компонентной базе.

Актуальным, является процесс созданиямоделей и алгоритмов автоматизации судовых технических, средств-. предназначенных для повышения эффективности использования морской техникисоздаваемой на основе современных: технологий судового' машиностроения.-, судовых энергетических. установок и систем. Среди технических средств-, подлежащих автоматизацииследует выделить судовые энергетические системыи их элементы, ¦ системы и устройства судовых электроэнергетических комплексовсредства управления! движением— грузовыми, операциями, обеспечения жизнедеятельности, средства механизации и автоматизации? производственных процессов, технологий и морской техники длядобычи, и переработкшбйоресурсов;

Актуальность. В отмеченной концептуальной постановке создание И' совершенствование судовых автоматизированных систем путем моделирования и алгоритмизации технологических процессовна. основе численных методов оптимизации с использованием современной* прикладнойтеории управленияявляетсяисключительно ' важной научно-исследовательской задачей,. имеющей большое народно-хозяйственное: значение:. Актуальность диссертационных исследований, состоит в том, что в результате их выполнения разрабатываются модели и алгоритмы, синтезируются системы автоматизации и управлениясудовыми динамическими объектами и судном в целом, реализующие эффективные законыуправления путем оптимизации технологических процессов. Представляябольшую сложность исследуемой проблемы, автор определил класс первоочередных задач, подлежащих решению в исследуемой предметной области.

Прежде всего, это задача совершенствованиямодели судна как нелинейного объекта и па базе обобщенной модели МПО создание алгоритмов и программных средств, предназначенных для совершенствования судовых рулевых комплексов. Требования к комплексам таковы, что вслучае необходимости, вызванной ситуацией на линии, они должны обеспечивать максимальное быстродействие, а в открытых акваториях и на крейсерских скоростях — наиболее экономичные режимы движения, с минимальным потреблением топлива и энергии. Очевидно, в первую очередь необходимо использовать энергосберегающие технологии на крупнотоннажных судах с энергетическими установками большой мощности. К таким судам следует отнести, прежде всего, супертанкеры дедвейтом-100 000−250 000 тонн, а также речные суда и составы дедвейтом от 5000 до 20 000 тонн. При скорости хода 15 узлов уменьшение среднего значения угла рыскания крупного танкера на 0.5° может обеспечить экономию топлива в рейсе, составляющую несколько десятков тонн за счет рациональных режимов перекладки рулен, повышения точности поддержания курса, учета течения и адаптации к внешним воздействиям, а также за счет автоматизации процессов маневрирования, что может быть достигнуто путем оптимизации режимов эксплуатации судовых технических средств.

Из современной нелинейной динамики и теории оптимизации известно, что именно в классе нелинейных моделей можно добиться существенного повышения эффективности и качества функционирования сложных технологических процессов и производств. Следовательно, для реализации моделей и алгоритмов оптимизации судовых систем необходимо переходить на новые концептуальные основы алгоритмизации технологических процессов, позволяющие учитывать естественные нелинейные свойства объектов и максимально пспользовать имеющиеся способы управления [36], [37].

Исследования в перечисленных выше направлениях позволяют на качественно новом уровне решать задачи синтеза законов оптимального управления с помощью нелинейных регуляторов выхода и состояния, применять модели и алгоритмы для формирования критериев качества, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к замкнутым системам, и обладающих устойчивостью при больших и малых отклонениях координат. Для достижения поставленной цели — создания моделей и алгоритмов автоматизации судовых динамических объектов и технических средств на базе численных методов оптимизации и алгоритмизации — в диссертации решаются следующие задачи:

1. Разработка компьютерной модели водоизмещающего судна на базе обобщенных уравнений динамики судна как морского подвижного объекта (МПО). Алгоритмизация и программная поддержка моделирования режимовдвижения судов с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений, средств LTI в среде MatLAB, методов моделирования в частотной области и моделей, реализуемых с помощью матричного экспоненциала.

2. Информационное обеспечение, моделирование динамики и управление неустойчивым, на курсе водоизмещающим судном. Определение областей-притяжения траекторных процессов (аттракторов), зависящих от формы диаграммы управляемости и от параметров модели конкретного судна. Алгоритм расчета нелинейной системы управления судном, неустойчивым на курсе, и обеспечение условий устойчивости способом параметрической оптимизации регулятора выхода.

3. Алгоритм оценки параметровмодели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния на эволюционном участке траектории движения. Оценка показателя эффективности параметрической идентификации по спектру матриц состояния, определяющему динамические свойства объекта при вариации шага дискретности.

4. Кластерная модель оценки влияния путевых условий на. режимы движения судна и разработка рекомендаций по ее практическому использованию в рейсе.

5. Разработка моделей и алгоритмов для экономии топлива на судах в рейсе при изменении путевых условий. Экономичное управление режимами движения судов в рейсе как проблема оптимального распределения ресурсов в условиях ограничений. Оптимизация режимов движения судов в классе генетических алгоритмов.

6. Разработка модели и алгоритма оптимального управления технологическим процессом корпоративной системы в составе: земснаряды, суда, грузовые площадки порта, заказчик продукции.

7. Создание моделей и алгоритмов для обеспечения экономичных технологических режимов судовых технических средствэкономичное распределение нагрузки при параллельной работе судовых дизельгенераторных агрегатовприменение динамических наблюдателей как технических средств восстановления, вектора переменных состояния судовых объектов и систем по вектору выходамоделирование и алгоритмизация процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по ' быстродействию.

8. Модель и алгоритм реконфигурации систем > управления динамическими объектами, получение условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. Оценка устойчивости псевдоинверсного метода, используемого для синтеза* системы управления с реконфигурацией.

9. Методика и алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования.

Методы исследований. Исследования проводятся на основе современнойприкладной теории оптимизации и управления, методов и алгоритмов автоматизации технологических процессов и производств, общей теории систем, системного анализа и исследования операций. В работе используется обобщенная математическая модель судна как морского подвижного объекта, нелинейные модели, полученные методами гидромеханики и теории корабля. Методы, используемые в работе, также основаны на технологии создания информационного обеспечения для синтеза автоматизированных систем, способах построения алгоритмов и машинных программ, организации и проведении вычислительного эксперимента, численных методах оптимизации в классе дискретных систем.

Научная новизна результатов исследований содержится в следующих основных положениях:

1. В получении компьютерной модели водоизмещающего судна на* базе обобщенных уравнений динамики судна как морского подвижного объекта (МПО) — в алгоритмическом и программном обеспечении моделирования режимов движения судов с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений, средств LTI в среде MatLAB, моделирования в частотной области и моделей, основанных на применении матричного экспоненциалав определении параметров предельных циклов и аттракторов, зависящих от формы диаграммы управляемости и от параметров нелинейной модели конкретного судна.

2. Новыми являются решения, представленные алгоритмом оценки параметров модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния на эволюционном участке траектории движения и способом оценки показателя эффективности параметрической идентификации по спектрам матриц состояния.

3. В кластерной модели оценки влияния путевых условий на режимы движения судна и ее практическом использовании для экономии топлива и энергетических ресурсов в рейсе.

4. В разработанных моделях и алгоритмах для обеспечения экономии топлива на судах в рейсе при изменении путевых условийалгоритме распределения ходового времени судна как ресурса при выборе экономичных режимовоптимизации режимов движения судов в классе генетических алгоритмов.

5. Научная новизна содержится в модели и алгоритме оптимального управления технологическим процессом корпоративной системы в составе: суда транспортного и технического флота (земснаряды), грузовые площадки порта, заказчик продукции.

6. Новыми являются модели и алгоритмы, предназначенные для реализации экономичных технологических режимов судовых технических средствалгоритм распределения нагрузки судовых дизель — генераторных агрегатовспособы построения динамических наблюдателей как судовых технических средствдискретная модель и способ алгоритмизации процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по быстродействию.

7. В модели и алгоритме реконфигурации систем управления динамическими объектами, получении условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера> в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. В методике и алгоритме расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования с использованием инструментария символьной математики.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в создании моделей и алгоритмов автоматизации судовых технических средств на' основе численных методов синтеза оптимальных систем. Практическая значимость работы заключается в новых технических решениях и алгоритмах энергосбережения и экономии топлива на судах, применении^ динамических наблюдателей для восстановления неполной информации о состоянии судовых объектов, и технических средств. Важным для практических приложений следует считать разработанное программное обеспечение для автоматизации и оптимизации технологических процессов на судах, при управлении СЭУ и судовыми ДГА в рейсе, использование которого позволяет кардинально решить вопросы оптимального распределения ресурсов и энергосбережения при изменении условий плавания каждого судна.

Важными для практических приложений являются методика и алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования.

Основные выводы и положения диссертационных исследований внедрены на объектах водного транспорта, что подтверждено актом о внедрении. Предложенные модели и алгоритмы используются в учебных курсах на судомеханическом факультете и факультете портовой техники и электромеханики в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК).

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на VI Международной конференции «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах», АН России, СЗГТУ, Морская академия (Щецин, Польша), СПГУВК, с/х академия (Щецин, Польша), С. Петербург, июнь 2005 г.- на XIV Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», IV Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложение» (см. Труды. Ростов н / Д., изд-во «ЦВВР» 2006;262-ISBN 978−5-94 153−138−7. с.133−139 и 140−145) — на Международной научно — практической конференции 23−24 июня 2007 г., Котлас, 2007; П-м Международном научно-техническом семинаре «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС», 27 сентября 2007 г.- постоянно действующих семинарах кафедр Автоматики, ТОЭ, факультетов «Информационных технологий», «Портовой техники и электромеханики» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Публикации. Основные положения диссертационных исследований опубликованы в 15 печатных работах, перечень которых приведен в библиографическом списке, помещенном в диссертации. В перечне трудов содержатся три работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК.

Выводы по четвертой главе.

В четвертой главе получены следующие результаты:

1. Рассмотрена процедура реконфигурации систем управления динамическими объектами и определены условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов.

2. Исследованы условия устойчивости псевдоинверсного метода, используемого для синтеза системы управления с реконфигурацией.

3. Предложена система управления судовым динамическим объектом по модели следования.

4. Разработан и реализован алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования с использованием аппарата символьной математики.

Заключение

.

В работе получены следующие основные результаты:

1. На базе обобщенной модели МПО, пригодной для моделирования как надводных подвижных объектов с различными способами динамического поддержания, так и водоизмещающих судов и подводных лодок, получена нелинейная математическая модель судна. Упрощение модели применительно к водоизмещающим судам основано на введении в состав матриц состояния и управления группы элементов, зависящих от скорости и квадрата скорости хода судна.

2. Для компьютерного моделирования динамики судна средствами MatLAB и исследований свойств объекта во временной и частотной областях разработан вычислительный алгоритм, состоящий из 4-х блоков: численного интегрированиярешения уравнений в среде LTIблока решения в частотной области и решения с помощью матричного экспоненциала. С помощью передаточной функции системы по углу курса построена диаграмма Боде, позволившая по расположению JIAX и ЛФХ в области низких и средних частот оценить поведение системы в статике и динамике.

3. Для модели речного судна, неустойчивого на курсе, характерно наличие устойчивых предельных циклов и образование областей притяжения траекторных процессов (аттракторов). Разработана программа, с помощью которой установлены условия устойчивости нелинейной системы, выбраны коэффициенты передачи регулятора.

4. Разработан алгоритм оценки параметров модели водоизмещающего судна по измерениям вектора состояния в дискретные моменты времени в эволюционном периоде изменения фазовых координат. Приведены оценки параметров, полученные для измерений с различными значениями шага дискретности. Показателем эффективности оценки является спектр матриц состояния, оцениваемый на различных этапах машинного эксперимента.

5. Предложена кластерная модель оценки влияния путевых условий на параметры движения судна в конкретном рейсе. Показано, что кластерную модель можно использовать для решения важных практических задач: построения расходных характеристик судна в рейсерасчета экономичных ходов при минимальном суммарном расходе топливанормирования расхода топлива в каждом рейсеоценки качества управления судном и его СЭУ во время эксплуатации.

6. Разработан численный алгоритм оптимального распределения ресурсов, базирующийся на аппроксимирующих функциях среды" MatLABалгоритм основан на технологических принципах многоцелевых программных структур, позволяющих на качественно новом уровне решать проблемы эффективного функционирования судов без существенных материальных и финансовых затрат.

7. Для экономичного управления режимами движения судов в рейсе разработаны модели и алгоритмы, позволяющие обеспечить решение задачи эффективного использования дизельного топлива и энергетических ресурсов в эксплуатационных условиях. При невысоких требованиях к вектору ошибок и большом числе участков трассы с различными путевыми условиями для расчетов экономичных режимов предложен генетический алгоритм, реализованный с помощью функции patternsearch, содержащейся в инструментарии Genetic Toolbox среды MatLAB. Показано, что функции генетического инструментария целесообразно использовать для решения плохо формализуемых задач, либо задач со сложной формой гиперповерхности целевой функции.

8. Работа судна как отдельной транспортной единицы в составе корпоративного объединения, созданного в условиях рынка, определяется организационно — технологическими решениями и критериями качества, вытекающими, прежде всего, из целей и задач корпорациив целом, представляющей собою пример большой системы. Поэтому для автоматизации технологического процесса и выбора экономичных режимов в, системе, в составе которой находятся земснаряды, суда, грузовые площадки порта, заказчик продукции, предложены модель и алгоритм оптимального управления, реализованные на пошаговом использовании процедуры линейного программирования.

9. Разработаны модели и алгоритмы, предназначенные для оптимизации технологических режимов судовых технических средств. Для судовых дизель — генераторных агрегатов (ДГА) с различными расходными характеристиками определены экономичные режимы, при которых обеспечивается уменьшение затрат на топливо, потребляемое первичными двигателями, и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях.

10. Для восстановления информации по измерениям вектора выхода в судовых технических системах предложено использовать динамические наблюдатели как элементы судовых технических средств. Разработаны модель и алгоритм построения наблюдателей Луенбергера полной размерности.

11. Для оптимального по расходу энергии управления маневром судна в классе дискретных систем предложено использовать дискретную апериодическую систему,. позволяющую за назначенное число шагов (не меньшее размерности «п «вектора состояния) обеспечить переход полностью управляемой системы из заданного начального в требуемое конечное состояние. Представлены модель и алгоритм расчета наблюдателя для авторулевого в режиме управления маневром судна.

12. Создана информационная поддержка и выполнена алгоритмизация процедуры синтеза судовой системы управления, оптимальной по быстродействию. Решение реализовано методами нелинейного программирования, на базе которых предложено решать динамические задачи оптимизации. Алгоритм управления судовой динамической системой, оптимальной по быстродействию, реализован с помощью оператора «fmincon», обеспечивающего минимизацию нелинейных функций в среде MatLAB при наличии ограничений.

13. Рассмотрена процедура реконфигурации систем управления динамическими объектами и определены условия слежения при соблюдении постулатов Эрзбергера в приложении к псевдоинверсной оценке коэффициентов регуляторов. Исследованы условия устойчивости псевдоинверсного метода, используемого для синтеза системы управления с реконфигурацией.

14. Предложена система управления судовым динамическим объектом по модели следования. Разработан и реализован алгоритм расчета законов управления техническими средствами судна по модели следования с использованием аппарата символьной математики.

Основные научные положения и выводы диссертационных исследований нашли приложения при разработке систем управления технологическими процессами на судах транспортного и технического флота различного назначения, а также на протяжении нескольких лет используются при чтении лекций и проведении лабораторного практикума в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.