Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе научно-технического прогресса совершенствование всех видов человеческой деятельности связано с бурным развитием информационной техники и технологий, а так же с их применением для выполнения, как отдельных производственных операций, так и управления производственными процессами в целом. Поэтому информатизацию и компьютеризацию современных судов следует рассматривать, как стратегическое направление научно-технического прогресса, на котором должна и будет решаться проблема по обеспечению безопасности судовождения.
Несмотря на значительные затраты судовладельцы все чаще осознают необходимость оснащения своих судов современной комплексной системой управления техническими средствами, поскольку это в значительной степени будет определять качество, эффективность и безопасность эксплуатации судна. В настоящее время накоплен значительный опыт внедрения таких систем для различных типов судов. Этому вопросу посвящено большое количество работ. Однако в большинстве этих работ рассматриваются или морские суда или суда серийных проектов с классическими пропульсивными установками и рулевыми системами, а современное судостроение характеризуется широким внедрением инновационных технологий, как например, применение колесного движительно-рулевого комплекса (КДРК). Особенностью применения КДРК является отсутствие традиционного органа управления (руля или поворотных насадок), а изменение величины и направления вектора тяги осуществляется путём изменения соотношения числа оборотов и направления вращения гребных колёс, имеющих независимый привод. Поскольку, в данном случае гребные колеса обеспечивают и движение, и управление судном, получается совершенно новый тип движительно-рулевого комплекса, конструкция которого признана изобретением (Российский патент № 2225327 от 30.11.2001). Анализ области применения КДРК позволил осуществить несколько новых проектных проработок. Среди них паромы, пассажирские и прогулочные суда и даже колесные ледоколы.
Опытная эксплуатация судов с КДРК выявила и ряд новых проблем, присущих только этим судам. Малая осадка, большая парусность, отсутствие традиционного руля, использование двух независимых приводов гребных колес не позволяют судоводителю добиться высоких качественных показателей процесса управления и обеспечения безопасности судовождения. Поэтому задача создания для судов с КДРК математических моделей, алгоритмов управления, изучение динамики, разработка и создание качественно новых, интегрированных систем управления, реализующих интеллектуальные алгоритмы управления КДРК и техническими средствами судна, является весьма актуальной.
Объектом исследования является неустойчивое на курсе водоизмещаю-щее судно с новым типом движительно-рулевого комплекса - КДРК.
К предмету исследования относятся научные основы и методы управления судном с КДРК в режиме стабилизации курса, методы построения автоматизированных систем управления судовыми технологическими системами судна с КДРК и технические средства их реализации.
Цель диссертационной работы заключается в повышении надежности и безопасности эксплуатации судов с КДРК за счет разработки эффективных алгоритмов управления движением судна и интегрированной информационно-управляющей системы, обеспечивающей управление техническими средствами судна и реализацию указанных алгоритмов.
В связи с этим необходимо было решить следующие задачи:
разработать математическую модель судна с КДРК;
провести компьютерное моделирование в среде MATLAB для всестороннего изучения динамических характеристик судна с КДРК;
синтезировать алгоритмы управления движением судна с КДРК с высокими качественными показателями;
провести теоретическое обоснование способа контроля вектора тяги и получить выражения для расчета его величины и направления;
для оценки качества управления судном при использовании алгоритма «виртуальный руль» создать макет системы управления и провести натурные испытания;
разработать программные, структурные и схемотехнические решения интегрированной информационно-управляющей системы судна и ее отдельных узлов;
решить ряд практических задач по созданию и внедрению интегрированной информационно-управляющей системы судна.
Основными методами исследований, использованными в работе, являлись методы дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования, теории управляемости судна, теории автоматического управления.
При проведении исследований автор базировался на материалах публикаций А.М .Басина, В.М. Лаврентьева, Н.Я. Мальцева, К.К. Федяевского, С.Я. Березина, Б.А.Тетюева, Л.М. Клячко, Г.Э. Острецова, Ю.А. Лукомского, B.C. Чугунова и др., а также на работах ученых Нижегородских вузов и организаций Ваганова А.Б., Гурова П.В., Костюнина А.С., в том числе и сотрудников ФБОУ ВПО «ВГАВТ»: Гурылева М.В., Клементьева А.Н., Манина В.М., Преображенского А.В., Сатаева В.В., Соловьева А.В., Фейгина М.И., Чирковой М.М., Чернышева А.В.
Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующих, выносимых на защиту результатах:
впервые разработана математическая модель судна с КДРК;
исследованы динамические характеристики судна с КДРК в различных эксплуатационных режимах;
синтезирован новый эргатический алгоритм управления движением судна с КДРК «виртуальный руль». Исследованы динамические характеристики судна при реализации данного алгоритма управления;
синтезирован новый алгоритм управления движением судна с КДРК по заданной траектории. Исследованы динамические характеристики судна при реализации данного алгоритма управления;
произведено обоснование параметров алгоритма движения по заданной траектории», выполнена оценка диапазонов изменения коэффициентов дополнительной функции, произведен большой объем математических эксперимен-
тов, которые позволили выбрать значения этих коэффициентов, обеспечивающих высокое качество управления судном;
- обоснована необходимость введения в алгоритм управления движением судна с КДРК по заданной траектории времени ожидания реакции системы корпус-движитель. Проведено исследование влияния времени ожидания реакции системы на качественные показатели процесса управления;
- проведено теоретическое обоснование способа контроля вектора тяги. Впервые получены выражения для расчета его величины и направления.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается методологически непротиворечивой основой исходных теоретических позиций, связанных с изучением и анализом оригинальных источников, обобщением опыта, использованием совокупности методов исследования, адекватных его целям и задачам; апробацией полученных данных и подтверждена использованием системного подхода, структурного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, широким использованием методов машинного моделирования, натурными экспериментами.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты проведённой работы могут быть использованы при разработке современных интегрированных информационно-управляющих систем судов с КДРК, реализующих предложенные алгоритмы управления судном и обеспечивающих контроль и дистанционное управление судовыми техническими средствами.
Реализация результатов. Материал диссертации представляет собой теоретическое обобщение подходов к решению практических задач создания средств контроля и управления техническими средствами судна, внедренных на двух новых пассажирских судах проекта ПКС-40.
Созданы и внедрены:
1. Система контроля и отображения параметров движительного комплекса (СКО ДК). Смонтирована на теплоходе «Сура» и введена в опытную эксплуатацию в навигацию 2011 года.
2. Комплексная система контроля и управления судовым оборудованием, реализующая разработанный алгоритм управления «виртуальный руль». Монтируется на втором, строящемся в настоящее время, судне проекта ПКС-40.
Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание работы, получены автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках научно-технической информации. Научные результаты, внедренные на двух новых пассажирских судах проекта ПКС-40, получены в составе коллектива разработчиков.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на семинарах кафедры, на технических совещаниях с представителями владельца судов и специалистами Верхне-Волжского филиала Российского Речного Регистра, на научно-технических конференциях:
13-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2011» (Нижний Новгород, май 2011 г.);
14-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2012» (Нижний Новгород, май 2012 г.). Доклад отмечен дипломом 1-й степени за лучший научный доклад.
15-м международном научно-промышленном форуме «Великие реки 2013» (Нижний Новгород, май 2013 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 7 работах, в том числе 4 в журналах рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 138 стр., включая 75 стр. основного текста, 48 рисунков, 15 стр. библиографии, содержащей 140 наименований и 4 стр. приложений, включающих акты опытной эксплуатации.
