Введение к работе
Актуальность исследовании. Использование на судах бортовых компьютерных систем и современных информационных технологий определило возможность решения на качественно новом уровне задач управления судовыми энергетическими установками и их элементами, отдельными механизмами и комплексами, а также задач диагностики технического состояния, ведения грузовых операций и интегрированного мониторинга
Создание судовых систем управления технологическими процессами, базирующееся на фундаментальных положениях системности,' понятиях организованной сложности и процедурах принятия решений в условиях неопределенности, требует глубокого анализа широкого спектра технических и технологических задач, а также практического опыта, накопленного в различных сферах автоматизации производства как в нашей стране, так и за рубежом Синтез судовых систем по своей сути является эволюционным процессом Поэтому задачи управления сложными судовыми динамическими объектами, процессы стабилизации судов на курсе, маневрирования, устойчивости их движения, поворотливости, управляемости, движения на мелководье, циркуляции и др, с учетом требований системности, безопасности плавания и условий обеспечения жизнедеятельности экипажей судов, приобретают особую актуальность Потребность в новых технических решениях определяется также существенными изменениями, происходящими в техносфере, экономической, экологической, социальной и других сферах человеческой деятельности
В сложившихся условиях, когда отечественное судостроение начинает возрождаться, требуется кардинально изменить положение дел в области автоматизации технологических процессов на судах, создания высокоэффективных технических средств автоматизации судовождения На базе современных информационных технологий и вычислительных средств требуется создавать управляющие комплексы, автоматически решающие широкий спектр прикладных задач К ним относятся задачи моделирования, построения наблюдателей и оценивателей переменных состояния судовых динамических систем, идентификации структуры и параметров, устойчивости, оптимизации, адаптации и фильтрации с использованием нейросетевых принципов обучения и управления, синергетических методов структурирования и самоорганизации
Из сказанного следует, что создание и совершенствование технологических процессов и судовых автоматических систем на основе современной прикладной теории и принципов управления являются составными частями решаемой в диссертации актуальной научно-технической задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение
4 Цель исследований состоит в информационном обеспечении процессов оптимизации и получении законов управления судном, синтезе авторулевых комплексов, создании моделей и алгоритмов управления судном в условиях изменяющегося судового хода
Задачи исследований:
1. Анализ состояния и направлений автоматизации рулевых комплексов водоизмещающих судов; формализация требований к качеству функционирования авторулевых и судовых синем управления в классе задач синтеза оптимальных регуляторов с учетом изменяющегося судового хода.
Моделирование динамики водоизмещающих судов как нелинейных управляемых объектов, неустойчивых на курсе; разработка информационного обеспечения, получение структуры регуляторов и определение параметров моделей, обеспечивающих асимптотическую устойчивость нелинейных систем при больших возмущениях
Создание алгоритмов и программных средств для синтеза авторулевых на основе спектральных методов автоматизации технологических процессов, применение алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации рулевого комплекса танкера дедвейтом 250 тыс тонн при скорости хода 15 узлов по известным спектрам матриц состояния объекта и системы
Алгоритмическое и программное обеспечение процедуры синтеза робастной системы управления судном при работе на закрепленных линиях, расчет оптимального регулятора для управления судном (в полном грузу и в балласте) без изменения настройки его параметров
Алгоритмы синтеза авторулевых для водоизмещающих судов в классе дискретных систем, информационное обеспечение численных процедур решения оптимизационных задач методом псевдоинверсии Мура - Пенроуза, оптимизация по быстродействию и минимальным энергетическим затратам на управление
6. Информационное обеспечение и алгоритм оптимизации траекторных процессов движения судна в условиях бокового течения, решение задачи Цермело (Zermelo) средствами символьной математики, определение области устойчивого решения нелинейных уравнений, алгоритм и программа для определения допустимой области оптимальных решении Информационное обеспечение для реализации управления и оптимизации режимов движения судов на волнении
Методы исследований Исследования основаны на современной прикладной теории управления, численных методах идентификации и оптимизации, общей теории систем и системного анализа, машинном эксперименте и использовании компьютерных вычислительных сред
Научная новизна результатов исследований содержится в следующих положениях, выносимых на защиту.
Информационном обеспечении и результатах моделирования судна, неустойчивого на курсе, получении структуры регулятора и его параметров для обеспечения асимптотической устойчивости нелинейной модели системы управления судном, алгоритме параметрического синтеза авторулевого, основанном на рекуррентной процедуре решения системы нелинейных уравнений.
Алгоритме синтеза робастной системы управления судном с существенно изменяющимися динамическими свойствами, вызванными переменными условиями плавания; обеспечении устойчивости робастной системы с использованием следа матрицы Ляпунова для минимизации критерия качества при случайном характере вектора начальных условий, в информационном обеспечении алгоритма синтеза и результатах машинного эксперимента.
3. Спектральном методе синтеза оптимальных регуляторов по
матричным полиномам моделей судов в разомкнутом и замкнутом
состояниях, алгоритме декомпозиции матриц и получении на его
основе модели авторулевого для судов; установлении однозначной
связи между параметрами авторулевого, синтезированного по
заданным спектрам, и весовыми коэффициентами матриц
интегрального критерия качества при синтезе регулятора в классе
задач АКОР, вычислительном алгоритме синтеза авторулевого на
основе процедур модального управления
Научная новизна содержится в алгоритме и информационном обеспечении процедуры синтеза оптимальных регуляторов в классе дискретных систем по минимуму расхода энергии на управление, псевдоинверсном способе управления маневром судна, а также информационном обеспечении процесса синтеза апериодических регуляторов с заданными граничными условиями и временем регулирования
Новыми являются алгоритм и программа для оптимизации по быстродействию режима движения судна при скорости бокового течения, сравнимой со скоростью движения судна, информационное обеспечение решения нелинейной задачи Цермело (Zermelo) средствами символьной математики
К новым, предложенным автором решениям следует отнести информационное обеспечение процедуры синтеза параметров авторулевого для управления судном на волнении по критерию минимума среднего квадрата угла рыскания судна, с учетом динамики объекта и энергетического спектра морского волнения,
способ «пригонки» параметров модели энергетического спектра к экспериментальным данным, реализованный в среде MatLAB.
Практическая значимость исследований состоит в создании информационного обеспечения и алгоритмов оптимизапии технологических процессов функционирования авторулевых при движении судов в условиях изменяющихся характеристик судового хода Практическая значимость работы определяется новыми техническими решениями и алгоритмами синтеза авторулевых для речных судов и морских танкеров (дедвейтом 250000 т.) по заданному спектру матрицы замкнутой системы, систем с робастными свойствами, предназначенных для автоматизации судов, работающих на закрепленных линиях Важным для практического использования следует считать разработанное программное обеспечение для стабилизации судов на волнении и практическом решении задачи Цермело средствами символьной математики В прикладном отношении значимыми являются способы апериодического управления дискретными системами, реализованные с помощью простых программных средств Они применены для оптимального маневрирования судна при минимизации энергии на управление, т е практически синтезирован авторулевой, пригодный для экономии топлива и энергии при движении судна в условиях волнения водной поверхности и воздействия ветра во время штормовой погоды Основные выводы и положения диссертационных исследований внедрены на объектах водного транспорта, что подтверждено актом о внедрении, а также внедрены в учебный процесс при чтении курсов в СПГУВК и в Государственной морской академии им адмирала Ф Ф Ушакова
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на Международной научно - практической конференции, посвященной 300-летаю Санкт - Петербурга «Безопасность водного транспорта», сентябрь 2003 г, Санкт-Петербург, секция 7, на постоянно действующих семинарах кафедр Автоматики, ТОЭ, факультетов «Информационных технологий», «Портовой техники и электромеханики» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций, а также на семинарах кафедры «Эксплуатация судовых механических установою) Государственной морской академии им адмирала Ф Ф Ушакова
Публикации Основные положения диссертационных исследований опубликованы в 8 печатных работах автора, перечень которых приведен в заключительной части автореферата В списке содержатся три работы, опубликованные в научных журналах, содержащихся в списке изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов докторских диссертаций
Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, четырех глав, заключения и списка использованных отечественных и зарубежных источников, состоящего из 59 наименований Общий объем работы составляет 179 стр текста, в том числе
7 29 рисунков, 11 таблиц и информационное обеспечение в виде машинных программ с результатами машинного эксперимента
