Введение к работе
Актуальность исследований. Концепция развития водного транспорта определяет основные принципы и направления его развития в интересах населения и является основой для разработки и реализации программ, формирования и проведения политики повышения эффективности и качества использования транспорта и водных коммуникаций. Кардинальное улучшение производственных показателей и других видов деятельности хозяйствующих субъектов на водном транспорте должно происходить на основе использования последних достижений науки и техники в условиях развития рыночных институтов при возрастающей конкуренции на мировом рынке транспортных услуг. В рыночных условиях значительно возрастает роль каждого судна как транспортной единицы, вносящей определенный вклад в обеспечение прибыли в процессе транспортных перевозок.
В условиях возрождения отечественного судостроения становится возможным кардинальное изменение технологических решений в области автоматизации технологических процессов на судах, создания высокоэффективных технических средств энергосбережения и автоматизации судовождения.
Новые технологии ресурсосбережения, управления сложными судовыми объектами, процессы стабилизации судов на курсе, маневрирования, устойчивости их движения, поворотливости, управляемости, движения на мелководье, циркуляции и др., реализуемые с учетом требований безопасности плавания, системности и условий обеспечения жизнедеятельности экипажей судов, должны стать определяющими в обеспечении конкурентоспособности отечественного флота на мировом рынке транспортных услуг. Потребность в новых технических решениях вызвана необходимостью повышения экономичности СЭУ и их элементов. Она вызвана также существенными изменениями, происходящими в последние годы в экономической, экологической, социальной и других сферах человеческой деятельности. Потребность обусловлена кризисом в мировой экономике, выходы из которого лежат в новых структурах и методах управления.
Для получения новых технических решений требуется создание моделей и алгоритмов оптимизации и автоматизации судов и судовых технических средств, способов построения систем на основе современных технологий судового машиностроения, разработка алгоритмов для повышения экономичности судовых энергетических установок и их элементов путем эффективного использования различных видов ресурсов в каждом рейсе. Среди технических средств, подлежащих автоматизации, следует выделить судовые энергетические системы, системы и устройства судовых электроэнергетических комплексов, средства управления движением, грузовыми операциями, обеспечения жизнедеятельности, средства механизации и автоматизации производственных процессов, автоматизации морской техники для добычи и использования биоресурсов.
Актуальность диссертационных исследований состоит в том, что в результате их выполнения разрабатываются модели и алгоритмы, синтезируются системы автоматизации и управления судовыми динамическими объектами и судном в целом, реализующие эффективные законы управления путем оптимизации технологических процессов.
Цель исследований состоит в повышении эффективности и качества функционирования судовых технических средств на основе моделей и алгоритмов оптимизации технологических процессов, реализации экономичных режимов движения судов при изменении ситуации на линии и в порту назначения, получении способов управления динамическими объектами методами численной оптимизации и по модели следования.
В работе определен класс первоочередных задач, подлежащих решению в исследуемой предметной области.
Задачи исследований:
1. Разработка компьютерной модели водоизмещающего судна на базе обобщенных уравнений динамики судна как морского подвижного объекта (МПО). Алгоритмизация и программная поддержка моделирования режимов движения 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 параметров модели 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 средств; экономичное распределение нагрузки при параллельной работе судовых дизель – генераторных агрегатов; применение динамических наблюдателей как технических средств восстановления вектора переменных состояния судовых объектов и систем по вектору выхода; моделирование 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 современной прикладной 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
Научная новизна результатов исследований содержится в следующих положениях, выносимых на защиту:
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 экспоненциала; в 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 условий; алгоритме распределения ходового времени судна как ресурса при выборе экономичных режимов; оптимизации 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 средств; алгоритм распределения нагрузки судовых дизель – генераторных агрегатов; способы построения динамических наблюдателей как судовых технических средств; дискретная 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 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 VIМеждународной 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 978-5-94153-138-7. с.133-139 и 140-145); на Международной научно – практической конференции 23-24 июня 2007 г., Котлас, 2007;
–м Международном научно-техническом семинаре «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС», 27 сентября 2007г.;
постоянно действующих семинарах на кафедрах 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 автора, перечень которых приведен в заключительной части автореферата. В списке содержатся три работы, опубликованные в научных журналах, содержащихся в перечне изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, четырех глав, заключения, списка использованных отечественных и зарубежных источников, состоящего из 88 наименований, приложений, в которых содержатся файлы, разработанные для выполнения расчетов и проведения машинного эксперимента. Общий объем работы составляет 157 стр. текста, в том числе 27 рисунков, 5 таблиц. Приложения представлены на 56 стр. машинописного текста.
