Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы автоматизации управления динамическими объектами речных судов 13
1.1. Современное состояние проблемы автоматизации и управления судовыми динамическими объектами и ее место в Стратегии развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации до 2030 года 13
1.2. Пути совершенствования и развития энергоэффективных технологий автоматизации и управления судовыми динамическими системами на основе принципов научного программирования и методов исследования операций 25
1.3. Современное состояние и развитие численных методов моделирования и оптимизации динамических объектов речных судов 33
1.4. Теоретические основы моделирования, автоматизации и управления динамическими объектами речных судов, определенные стратегией развития ВВТ 38
1.5. Проблемы построения математических моделей и применения численных методов оптимизации динамических объектов речных судов в нелинейных задачах энергоэффективного управления 48
1.6. Цели и задачи исследования 62
2. Теоретические основы параметрической оценки, автоматизации и управления судовыми динамическими объектами речных судов с использованием численных методов и алгоритмов 64
2.1. Теоретические основы оценки параметров моделей систем управле ния с использованием компьютерных вычислительных сред.. 64
2.2. Оценка параметров моделей на основе ортогональных преобразований 74
2.3. Модель и алгоритм параметрической оценки элементов матрицы преобразования координат при управлении грузовыми системами судна (на примере грузового робота-манипулятора) 82
2.4. Параметрическая идентификация моделей судна на базе сплайнов 88
2.5. Оценка параметров моделей автоматизированных систем в условиях ограничений (на примере модели расходной характеристики судна).. 94
2.6. Результаты исследований и выводы по главе 2 100
3. Модели и алгоритмы автоматизации и управления динамическими объектами речных судов в квазистационарных режимах 102
3.1. Сплайн-метод управления расходом топлива на речных судах 102
3.2. Модель экономичных режимов движения речного судна в условиях ограничений на основе алгоритма открытого поиска 112
3.3. Математическая модель и алгоритм экономии энергоресурсов в системе энергообеспечения динамических объектов речных судов.. 122
3.4. Моделирование и оптимизация стационарных режимов в судовых энергетических и гидравлических сетях на основе принципа наименьшего действия 127
3.5. Результаты исследований и выводы по главе 3 139
4. Разработка моделей и алгоритмов динамической оптимизации, автоматизации и управления технологическими процессами на речных судах 141
4.1. Модель и алгоритм энергоэффективного автоуправления курсом судна с учетом вариантов и динамики входных воздействий 141
4.2. Алгоритм принятия оптимальных решений при управлении динамическими объектами с применением матрицы Крылова 151
4.3. Модель и алгоритм оптимального управления судовым динамическим объектом на основе теории неравенств 163
4.4. Разработка модели и алгоритма параметрической настройки ПИД регуляторов при управлении судовым дизелем 171
4.5. Результаты исследований и выводы по главе 4 183
5. Автоматизация управления технологическими процессами и судовы ми динамическими системами на основе математических датчиков информации и корректирующих данных наблюдателей и оценивате лей 184
5.1. Постановка задачи синтеза наблюдателя на основе фильтра Калмана для системы управления судовым динамическим объектом 184
5.2. Разработка алгоритма оптимального оценивателя в системе управле ния судовым динамическим объектом 190
5.3. Разработка алгоритма синтеза оптимальной (по быстродействию) си стемы управления с использованием ленточных матриц 196
5.4. Разработка функционала синтеза наблюдателя для автоматизирован ного управления курсом судна по спектру матриц замкнутой системы 29
5.5. Алгоритм функционирования наблюдателя полного порядка системы автоматизированного управления курсом судна для оценки возму щений и шумов измерений 224
5.6. Алгоритм функционирования наблюдателя пониженного порядка си стемы автоматизированного управления курсом судна для оценки возмущений и шумов измерений 231
5.7. Предиктивное апериодическое управление динамическими объектами с использованием математического программирования 239
5.8. Результаты исследований и выводы по главе 5 249
Заключение 251
Список литературы
- Современное состояние и развитие численных методов моделирования и оптимизации динамических объектов речных судов
- Модель и алгоритм параметрической оценки элементов матрицы преобразования координат при управлении грузовыми системами судна (на примере грузового робота-манипулятора)
- Моделирование и оптимизация стационарных режимов в судовых энергетических и гидравлических сетях на основе принципа наименьшего действия
- Разработка функционала синтеза наблюдателя для автоматизирован ного управления курсом судна по спектру матриц замкнутой системы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Согласно программе «Цифровая экономика Российской Федерации», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2017 г., № 1632 – р, для кардинальных изменений в повышении эффективности народного хозяйства во всех сферах деятельности необходимо создание развитых платформ, технологий, институциональной и структурной сред, основанных на сквозных цифровых технологиях. Выполнение требований программы по созданию прорывных и перспективных сквозных цифровых платформ и технологий в кораблестроении сегодня определяет главные направления исследований в области автоматизации производственных процессов, с целью практической реализации концепции сквозной автоматизации как фундаментальной платформы цифровой экономики, предназначенной для решения сложных отраслевых задач организации и управления.
Организационная сложность является одной из фундаментальных проблем современных научных исследований. Обеспечение режимов функционирования транспортных систем при наличии сложных функциональных связей должно основываться на качественно новых цифровых технологиях, построенных на мощных вычислительных средах, что определяет актуальность проблемы исследований. Необходим совершенный инструментарий интеграции цифровых структур в единую систему отечественной цифровой экономики, что позволит создать условия для реализации концепции сквозной автоматизации во всех сферах деятельности. Новые производственные технологии, промышленный интернет, создание технологий беспроводной связи и навигации должны быть нацелены на выполнение собственных отечественных передовых разработок и научных решений, определяющих потенциал будущего и облик всех сфер жизнедеятельности. Требования программы, безусловно, должны быть учтены при решении стратегических задач по развитию отечественного кораблестроения, обеспечению его конкурентоспособности на мировом рынке.
Согласно стратегии развития внутреннего водного транспорта (ВВТ) РФ на период до 2030 года, конечными результатами ее реализации должны быть приоритетное развитие внутреннего водного транспорта как экономичного, энергоэффективного, экологичного и безопасного вида транспорта. Решение стратегически важных задач на платформах цифровой экономики приведет: к снижению грузонапряженности автомобильных и железных дорог на параллельных направлениях доставки массовых грузов в период навигации; повышению производительности труда на внутреннем водном транспорте в 2,9 раза; уменьшению его энергопотребления на 30%. Реализация комплекса мер государственной поддержки российского судостроения и судоходства позволит также создать современный транспортный флот.
Новые технологии ресурсосбережения, управления сложными судовыми объектами, процессы стабилизации судов на курсе, маневрирования, обеспечения 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 судовых энергетических установок (СЭУ) и их элементов. Она определена 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 качественно новых структурах и методах управления.
Для получения адекватных технических решений требуется создание моделей и алгоритмов оптимизации и автоматизации судов и судовых технических средств, способов построения систем на основе современных технологий судового машиностроения, разработки 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.
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 на базе принципа наименьшего действия. Модели и алгоритмы обеспечивают создание условий и платформ для перехода к сквозной автоматизации, внедрению цифровой экономики в отечественном кораблестроении.
В разработку различных аспектов проблемы автоматизации технологических процессов на судах внесли вклад отечественные ученые: Бажан П.И., Басин А.М., Большаков В.Ф., Бутов A.C., Климов E.H., Матвеев Ю.И., Мясников Ю.Н., Отделкин Н.С., Петров Ю.П., Попов С.А., Плющаев В.И., Роннов Е.П., Сазонов A.Е., Фейгин М.И., Федосенко Ю.С., Чиркова М.М., Сахаров В.В. и другие ученые. Результаты этих исследований явились фундаментом к качественно новому уровню автоматизации, в том числе – оптимизации расхода топлива и энергии на судах.
Областью исследований являются системы автоматизации технологических процессов на судах и методы их моделирования с использованием программных и инструментальных средств операционной среды вычислений семейства MATLAB для создания платформы развития технологий виртуальной и дополненной реальностей как элемента программы внедрения цифровой экономики.
Целью работы является разработка теоретических и методологических основ выбора, построения и применения математических компьютерных моделей и алгоритмов, предназначенных для автоматизации и интеллектуальной поддержки процессов энергоэффективного управления судовыми динамическими объектами с учетом динамики и специфики их функционирования при воздействии внешней среды.
Для достижения поставленной цели на качественно новом уровне необходимо решить следующий комплекс задач. Разработать:
-
Теоретические основы оценки, моделирования и автоматизации технологических процессов с использованием инновационных решений на базе принципа наименьшего действия и численных методах практической оптимизации.
-
Модели, алгоритмы автоматизации и управления динамическими объектами речных судов в квазистационарных режимах.
-
Модели и алгоритмы обеспечения экономичных режимов движения судна.
-
Модели и алгоритмы динамической оптимизации, автоматизации и управления технологическими процессами на речных судах с учетом динамики и специфики функционирования при воздействии внешней среды.
-
Модели и алгоритмы функционирования наблюдателей и оценивателей характеристик системы управления курсом судна.
-
Предложить модели и алгоритмы предиктивного управления динамическими системами.
Объектом исследования являются системы автоматизации управления технологическими процессами на судах и объектах водного транспорта.
Предметом исследования являются модели и алгоритмы оптимизации технологических процессов на судах и объектах водного транспорта.
Методы исследования. Исследования базируются на использовании численных методов оптимизации: линейного, динамического, квадратичного программирования, сплайн-аппроксимациях, матричных преобразованиях непрерывных и дискретных систем управления в пространстве состояний, теории графов, методах имитационного моделирования, теории принятия решений и основных положениях теории эксплуатации технических систем.
Научная новизна работы. В результате проведенных исследований осуществлено теоретическое, экспериментальное и модельно-предиктивное обоснование и решение ключевых составляющих проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - создание методологических основ принятия решений по совершенствованию и развитию автоматизированных систем речных судов на основе:
структурных, функциональных и математических моделей систем управления курсом судна и его технического обеспечения;
модельных, алгоритмических решений и машинного эксперимента в инструментарии Control Toolbox среды MATLAB;
научно-обоснованных методологических и теоретических положений оценки системности задач моделирования, алгоритмизации и оптимизации технологических процессов автоматизации и управления динамическими объектами речных судов;
алгоритмов предиктивного апериодического управления судовыми динамическими объектами и системами с использованием оптимизационных окон и времени упреждения.
Основные научные результаты работы, представляемые на защиту:
1. Математические основы параметрической оценки, моделирования и автоматизации процессов управления динамическими объектами речных судов с ис-
пользованием инновационных решений на базе принципа наименьшего действия и численных методах практической оптимизации.
2. Комплекс математических моделей и алгоритмов обеспечения экономич
ных режимов движения судна на основе:
алгоритма сплайн-аппроксимации управления расходом топлива на речных судах;
алгоритма открытого поиска определения оптимальных режимов движения судна в рейсе;
алгоритма энергоэффективного управления курсом судна с применением матрицы Крылова;
алгоритма оптимального управления, базирующегося на теории неравенств.
3. Комплекс математических моделей автоматизации и управления динами
ческими объектами речных судов на основе:
алгоритма параметрической настройки ПИД-регуляторов при управлении судовым дизелем;
оптимизации стационарных режимов в судовых энергетических и гидравлических сетях на базе принципа наименьшего действия;
алгоритма экономии энергоресурсов в системе энергообеспечения динамических объектов речных судов;
4. Комплекс моделей автоматизации управления курсом судна на основе:
модального метода синтеза наблюдателя по координатам выхода;
синтеза оптимального оценивателя характеристик системы управления с применением фильтра Калмана;
алгоритмов наблюдателей полного и пониженного порядков системы управления курсом судна для оценивания возмущений и шумов измерений;
алгоритма синтеза оптимальной по быстродействию системы управления с использованием ленточной структуры дискретных ограничений;
алгоритма предиктивного апериодического управления динамическими объектами с использованием математического программирования.
Практическая значимость работы заключается в создании единой методологической и алгоритмической основы для построения компьютерных систем параметрической оценки, автоматизации и управления динамическими объектами речных судов с учетом динамики и специфики их функционирования при воздействии внешней среды.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе в научно-техническом и информационно-аналитическом журнале «Морской Вестник» (2014 - № 2, № 4), в журнале «Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова» (2013 - № 1, № 3; 2014 - № 1, № 3, № 4, № 5; 2015 - № 3, № 4, № 5, № 6; 2016 - № 1, № 2, № 3, № 4, № 5, № 6, 2017 - № 1, № 2, № 5), в журнале «Речной транспорт (XXI) век» (2014, № 3), докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский
государственный университет водных коммуникаций» (2008-2012 гг.) и ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» 2013-2015 гг., 18-м международном научно-промышленном форуме Великие реки «Экологическая, гидрометеорологическая, энергетическая безопасность»: Россия – Нижний Новгород, ВГУВТ 17 – 20 мая 2016, на заседаниях кафедр электротехники и автоматики, вычислительных систем и информатики.
Личный вклад соискателя состоит в выполнении исследований, сформулированных в виде комплекса задач по созданию теоретических основ автоматизации и управления динамическими объектами речных судов.
Достоверность полученных научных результатов обеспечивается обоснованным использованием фундаментальных положений теории автоматического управления и регулирования, численных методов оптимизации и алгоритмизации технологических процессов на судах и объектах водного транспорта, подтвержденных выполненным машинным экспериментом и практическим внедрением результатов исследований.
Реализация результатов исследований. Основные результаты работы получены и использованы при выполнении госбюджетных НИР и хоздоговорных работ, проводимых по заказам Федерального агентства морского и речного транспорта и предприятий отрасли. Результаты работы используются в учебном процессе для подготовки бакалавров по направлениям: 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», 26.03.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры».
Внедрение результатов работы отражено в соответствующих актах. Основные результаты работы, в частности, используются в ЗАО «Канонерский судоремонтный завод» при проведении работ по модернизации и замене технологического оборудования и настройке авторулевых систем на судах. Созданные модели и алгоритмы автоматизации и управления судовыми динамическими объектами используются при проведении опытно-конструкторских работ по разработке систем выработки углов пространственной ориентации и модернизации технологического оборудования высокоточных измерительных систем морского назначения в ЗАО «КБНАВИС». Математическое и программное обеспечение оптимизации процессов управления курсом судна и расходом топлива на речных судах используются в Невско-Ладожском районе водных путей и судоходства – филиале ФБУ «Администрация Волго-Балтийского бассейна внутренних водных путей» при проведении работ по обеспечению безопасности судоходства и диспетчерском регулировании движения судов. Математические основы параметрической оценки, автоматизации и оптимизации процессов управления судовыми динамическими объектами речных судов с использованием численных методов практической оптимизации использованы в ООО «РОСРЕЧИНФОКОМ» при выполнении научно-исследовательских работ в интересах Министерства транспорта Российской Федерации в НИР «Управление и контроль».
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 35 научно-технических изданиях, в числе которых 1 монография, 22 статьи, ре-7
ферируемые ВАК, 2 учебника, 6 учебных пособий и 4 научные статьи в межвузовских сборниках научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников из 201 наименования и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 250 страницах машинописного текста и включает 42 рисунка и 5 таблиц. Приложения содержат акты внедрения результатов работы и рабочие программы компьютерных моделей, реализованных в среде MATLAB.
Современное состояние и развитие численных методов моделирования и оптимизации динамических объектов речных судов
Высокая сложность технических систем, трудоемкость процессов автоматизации и управления судами определяют необходимость широкого научно обоснованного использования и совершенствования автоматизированных систем для обеспечения безопасной эксплуатации в различных условиях плавания. Современное судно, как сложный технический объект, содержит целый ряд систем, с помощью которых осуществляется управление судовыми энергетическими комплексами. К средствам и техническим системам, подлежащим автоматизации, следует отнести судовые энергетические комплексы и системы, средства и механизмы управления движением, а также грузовыми операциями, судовые системы и устройства обеспечения жизнедеятельности экипажей судов и др.
В настоящее время все большее значение приобретает комплексное решение проблемы совершенствования систем автоматизации, связанное с расширением задач управления, а также ужесточением технических требований к безопасности, эффективности функционирования и качеству судовых динамических объектов [2].
Совершенствование судовых технических систем состоит из трех циклически повторяющихся этапов. На первом этапе производится изготовление по действующей документации судовой системы управления. Вторым этапом является процесс эксплуатации. Третий этап является наиболее наукоемким и состоит в проектировании нового поколения судовых динамических систем управления и средств автоматизации.
Комплекс показателей качества судовых систем, обеспечивающий эффективность безопасной эксплуатации судов, можно отнести к следующим основным группам: - показатели качества, характеризующие точность, быстродействие, перерегулирование, время переходного процесса и др. С повышением требований к уровню автоматизации эти показатели могут претерпевать существенные изменения. Это происходит наряду с усложнением конструкции и реализации системы; - показатель безопасности и эксплуатационной надежности, характеризующийся вероятностью безотказной работы системы. При увеличении сложности системы этот показатель снижается. Для улучшения этих показателей следует повышать надежность комплектующих изделий, а также использовать резервные (дублирующие) способы и схемы автоматизации (управление по модели следования, применение математических датчиков информации и др.); - обобщенные показатели судовых динамических систем управления. Системы управления энергетическими установками современных судов представляют собой автоматизированные технические комплексы высокой сложности. Эти комплексы предназначены для эффективного выполнения операций, исходя из назначения и специфики работы судна в конкретных навигационных условиях.
Высокая производительность автоматизируемых объектов при выполнении перевозок грузов и пассажиров, паромных рейсов, перевозок нефти и ее продуктов переработки, сжиженного газа и газоконденсата, дноуглубительных работ, бурения скважин при освоении прибрежного шельфа, прокладки трубопроводных магистралей и кабелей и др. потребовали существенного и качественного изменения этих объектов. Это вынуждает строить системы и средства автоматического и автоматизированного управления с уче том научных и технических достижений в исследуемой предметной области [3] - [5].
На флоте, как морском, так и речном, одной из важнейших является автоматизация и управление энергетической эффективностью судов. Концептуальные положения этой проблемы, как следует из Конвенции МАРПОЛ и резолюции МЕРС.213(63), предусматривают синтез автоматизированных судовых систем управления движением судна и его рулевыми устройствами на новом технологическом уровне, обеспечивающем повышение показателей энергоэффективности. При этом требуется использовать технологии, обеспечивающие значительную экономию топлива путем повышения точности позиционирования управляемого объекта на заданных курсах с помощью современных навигационных систем [6].
Проблему автоматизации систем управления судами в сложных погодных и путевых условиях невозможно решить без синтеза высокоэффективных судовых авторулевых комплексов, обеспечивающих высокую точность удержания судна на курсе при маневрировании. Новые жесткие требования к безопасности плавания и точности решения навигационных задач в условиях конкуренции на рынке определяют актуальность проектирования авторулевых, обладающих рядом характеристик, которые не могут быть реализованы традиционными средствами проектирования и настройки с использованием ПИД - регуляторов.
Таким образом, проблема оптимального управления динамической системой судна по критерию расхода энергии является одной из главных проблем автоматизации управления речным судном.
Отметим, что работа судов в условиях рынка требует поиска наиболее рациональных сценариев размещения различных ресурсов: трудовых, товарных, технических финансовых и других. Важным ресурсом, определяющим долгосрочную надежность и безопасность работы любого судна, служит моторесурс судовых ДВС к которым относятся главные двигатели (ГД) и судовые дизель-генераторные агрегаты (ДГА). Моторесурс судовых ДВС существенно зависит от условий эксплуатации и режимов работы. В частности, на мелководных фарватерах его расходуется больше, а также при работе СЭУ в неустановившихся режи мах. Увеличение расхода наблюдается также в условиях маневрирования судна, движения по шлюзованным участкам, швартовке и т. п. Увеличенный расход моторесурса имеет место на режимах пуска и остановки ДВС.
Важным направлением сокращения расхода моторесурса является уменьшение расхода топлива и энергии, необходимой для выполнения транспортной работы, а также энергоэффективного управления мощностью с поддержанием режимов, на которых снижается тепловая напряженность деталей ГД и ДГА при каждом рейсе. Очевидно, что высокий расход топлива в рейсе способствует значительному возрастанию объемов отработавших газов, отводимых в окружающую среду и загрязняющих ее, что приводит к снижению показателей, определяющих энергоэффективность судна [7].
Модель и алгоритм параметрической оценки элементов матрицы преобразования координат при управлении грузовыми системами судна (на примере грузового робота-манипулятора)
Способы решения проблемы порейсового нормирования расхода топлива могут быть различными. Наиболее простой способ состоит в установлении на основе эксперимента, выполняемого многократно на определенных участках пути, средних значений часовых расходов топлива для судов конкретных проектов, с учетом их загрузки. Такой эксперимент на судах в процессе их работы выполнялся теплопартиями пароходств, которые были оснащены комплексом приборов и технических средств для обеспечения регулировки и настройки ДВС, поддержания требуемых условий эксплуатации СЭУ в рейсе. По результатам обработки замеров расхода топлива для группы судов в конечном итоге составлялись таблицы, определяющие эксплуатационные показатели нормирования. Нормы расхода топлива оформлялись организационно и предписывались экипажу каждого судна в документальной форме как показатель эффективности и качества эксплуатации СЭУ в рейсе.
Однако в дальнейшем оказалось, что судно эксплуатируется в различных условиях, и установленные нормы в одних случаях оказывались завышенными, а в других – заниженными. На судах обнаруживался «перерасход» топлива в одних рейсах при нормальном техническом состоянии ДВС и движительного комплекса, и «экономия» - в других. Выполнение директив по сокращению потребления топлива требовало принятия мер по назначению технической скорости доставки грузов. Поэтому следующий способ нормирования состоял в назначении технической скорости в каждом рейсе и назначении под нее расхода топлива. Поскольку техническая скорость являлась «средней» скоростью судна в рейсе, то для оценки норм расхода топлива возникли трудности, связанные с необходимостью учета положения на линии, а также в порту назначения судна. Сложные ситуации на линии при большой интенсивности движения флота на водных путях приводили к увеличению неходового времени и, как следствие, неоправданным дополнительным потерям, вызванным воздействием на режимы движения большого числа внешних факторов. Возник вопрос о новых принципах управления режимами движения судов, связанных с определением так называемых «экономходов». Научные исследования в этом направлении были начаты, как на речных, так и на морских судах.
Следует особо напомнить о больших успехах во внедрении «экономичных ходов» на судах Балтийского пароходства, достигнутых сотрудниками Центрального научно-исследовательского института морского флота (ЦНИИМ) под руководством доктора технических наук В.Ф. Большакова, удостоенного высокого звания «Лауреат государственной премии». К сожалению, в настоящее время данное направление работ полностью свернуто. Сложность проблемы потребовала новых технических решений, которые подкреплялись бы возможностью использования эффективных механизмов их реализации. Такие механизмы должны содержаться в модели системы энергоэффективного управления, которой посвящена первая глава.
Способ порейсового нормирования расхода топлива на качественно новом уровне, предлагаемый ниже, потребует оборудования судов датчиками расхода топлива с высокой разрешающей способностью и новой дисциплины их обслуживания диспетчерским аппаратом, осуществляющим оценку состояния флота на линии и принимающим решение (с использованием модели) о назначении времени прибытия судна в порт назначения.
Предлагается осуществлять одновременно порейсовое нормирование и функциональное диагностирование рабочего режима СЭУ в рейсе по интегральному показателю – суммарному расходу топлива в рейсе. В основе такой концепции лежит следующее положение: наилучшим из всех возможных режимов в рейсе является оптимальный режим движения судна, при котором заданный объем транспортной работы может быть выполнен при минимальном суммарном расходе топлива СЭУ.
Сам же оптимальный режим с высокой точностью можно реализовать лишь в автоматическом режиме. Поэтому оптимальный режим может быть принят за «эталон» реализации нормы текущего расхода на конкретных режимах работы судна и, следовательно, его СЭУ в рейсе. Чем больше расхождение между реальным и оптимальным расходами, тем хуже качество управления режимами движения и тем напряженный рабочий режим. Поскольку на судно воздействует большое число возмущений, существенно влияющих на экономичность СЭУ, то «эталонный» режим также должен изменяться. От корректности его определения в каждом конкретном рейсе зависит корректность порейсового нормирования и качество диагностирования.
Таким образом, основным звеном модели порейсового нормирования расхода топлива является «эталонная» модель движения судна при минимальном суммарном расходе топлива за время рейса в условиях изменения ситуации на линии и в порту назначения. Решение этой эксплуатационной задачи получим для той составляющей расхода топлива в рейсе, которая определяется работой дизель-генераторных агрегатов (ДГА).
Мощность ДГА на современных судах, в частности, на крупных туристических теплоходах класса «Антон Чехов», может быть сравнима с суммарной мощностью главных двигателей судна. Наличие на борту нескольких ресторанов, баров, бассейна для отдыха туристов, сауны, калориферов и других энергоемких потребителей, предназначенных для обеспечения комфортных условий для отдыха, требуют непрерывной работы ДГА в течение всего рейса. Мощность, потребляемая судовой сетью, непрерывно изменяется. На судне находится группа генераторов с различной номинальной мощностью и, как следствие, ДГА имеют различные расходные характеристики. Поэтому в зависимости от потребляемой мощности в конкретный момент времени в работе должна находиться определенная группа генераторов, обеспечивающих заданный режим. Расход топлива, приходящийся на единицу генерируемой мощности, для каждого ДГА определяется его расходной характеристикой и конкретной нагрузкой. Задача состоит в получении алгоритма распределения нагрузки судовой сети между генераторами, при которой расход топлива, приходящийся на единицу генерируемой мощности, был бы минимальным.
Моделирование и оптимизация стационарных режимов в судовых энергетических и гидравлических сетях на основе принципа наименьшего действия
При управлении сложными нелинейными динамическими объектами и системами требуется решать задачу совместной оценки параметров и вектора состояния. Реализация алгоритмов оценки во многом определяется выбранной моделью и методами анализа эксперимента, а также способами фильтрации зашумленных сигналов.
Для аналитического описания и оценки параметров нелинейных объектов широко применяются ряды Вольтерра, для оценки по ограниченной выборке наблюдений – обобщенные модели регрессии, цифровые фильтры, Калмана-Бьюси и др.
Для аппроксимации параметров нелинейных объектов часто используются модели функциональных рядов, которые в ряде случаев имеют высокую размерность. Это вызывает определенные неудобства в применении численных методов и алгоритмов. Нелинейные авторегрессионные модели и, в частности, класс моделей со скользящим средним (модели NARMAX) служат для описания процессов, с сильно зашумленными сигналами. Достоинством этого класса моделей является высокая степень адекватности в поведении модели и объекта при сохранении достаточно низкой, не превышающей, как правило, десяти аддитивных составляющих размерности модели. Недостаток этого класса моделей проявляется в том, что при наличии корреляции составляющих шума с вектором входного сигнала, качество моделирования заметно снижается, что вынуждает предпринимать определенные меры по коррекции алгоритма оценки.
Для устранения указанного недостатка предлагается алгоритм параметрической оценки. Алгоритм основан ортогонализации матриц. Применение верхней треугольной и получение диагональной матрицы позволяет выполнить параметрические оценки, исключающие влияние последующих расчетных данных на предшествующие оценки. Алгоритм базируется на модели NARMAX с ортогональными свойствами. Рассмотрим подробнее предлагаемый алгоритм:
Пусть нелинейная дискретная модель системы имеет вид: y(t) = f(y(t-1),...,y(t-ny), u(t-1),,...,u(t-nu), є(Г-1),...,є( -ив))+є(), (2.13) где: u(f), y(t) - соответственно управляющий и выходной сигналы; є(ґ) - сигнал ошибки; пу, пи, пе - целые числа, учитывающие транспортное запаздывание (лаг), вводимые по соответствующей переменной при получении структуры модели. Предположим, что нелинейная функция /, аппроксимируется полиномом. Тогда, ограничиваясь только линейной составляющей модели по отношению к оцениваемым параметрам, мы можем представить NARMAX-модель (2.13) при условии Пу=пи=пе=1 в следующем виде: y(t) = Q1+Q2- y(t -1) + Q3-u(t -1) + Q4-u(t -1) y(t -1) + (2-14) + Є5-к(/-1)-є(ґ-1) + Є6-є(/-1) + є(). Вводя новые обозначения \ () = 1; h2 (t) = y(t -1); h3 (t) = u(t -1); h4 (t) = u(t -1) y(t -1); h5 (t) = u(t -1) e(t -1); h6 () = e(t -1) для избыточных измерений по отношению к числу оцениваемых параметров, получаем переопределенную систему уравнений в матричной форме: Г = Я + , (2.15) где: Y = [у(1), у(2), …, у(т)] - вектор-столбец выхода; Э = [01 02 … 0»] вектор-столбец параметров; = [(1) (2) … (m)] - вектор-столбец ошибок; Матрица измерений Я имеет вид ГВ(1) h2(1) ... Ли(1)1 н = \ h1(2) h2(2) ... hn(2) І ; ; ; Wm) h2(m) ... K(m)\ где т п- число измерений, п - число оцениваемых параметров. Для оценки вектора параметров можно использовать операции псевдоинверсии Мура - Пенроуза, либо МНК. В частности, наилучшая оценка вектора 6 с использованием МНК получается по формуле
Распределение ошибки по нормальному закону с параметрами ЩО, а2) обеспечивает несмещенную оценку вектора параметров (2.15). При наличии плохо обусловленной корреляционной матрицы Н Н , для оценки Є можно использовать -разложение, SFD-преобразование либо алгоритм Гивенса. Однако они, в отличие от предлагаемого алгоритма, базирующегося на процедуре ортогонали-зации, не обеспечивают должной оценки каждого параметра.
Следует отметить, что в уравнении (2.16) корреляционная матрица И -И является положительно определенной и симметричной. Поэтому можно выполнить ее декомпозицию в виде равенства H -H = K -D-K, (2.17) где К- верхняя треугольная матрица преобразования, D - диагональная матрица, содержащая только положительные элементы. Если матрица К определена, то подстановкой в (2.15) единичной матрицы / = КА-К, получаем Y = W-g +z, (2.18) где W = H KAи g = K-Q. Отсюда несложно найти элементы диагональной матрицы Д входящей в уравнение (2.17). Действительно, если —1 -1 # = (Я ІГ1) (# ІГ1), (2.19) то, с учетом ниже приведенной операции преобразования транспонированного произведения матриц к виду (Н-К 1) = (К 1) -Н и равенства (2.17), выражение (2.19) преобразуется к виду WW = (K-1) -K -D-K-K-1 =D = diag([K11 К22 ... Ктп]), (2.20) из которого можно получить информационную матрицу D. Далее рассмотрим алгоритм вычисления элементов матриц К иД Начнем с выбера структуры К: К 1
Приведенный выше алгоритм отличается свойствами, позволяющими выполнять анализ вычислительной процедуры на структурном уровне в процессе оценки параметров модели по измерениям. Как видно из модели (2.18) коэффициент g{r) на каждом шаге г не зависит от коэффициентов с другими индексами: g{r+1), …, g{n). Следовательно, тогда выбор структуры и определение размерности п модели могут производиться с учетом веса составляющей, уменьшающей критерий качества, для каждого вводимого коэффициента. Оценку вектора g, полученную из формулы (2.18), можно получить по следующему соотношению
Согласно модели (2.20) WT W = D, отсюда оценка g = g + D 1 WT є . Произведя умножение слева на матрицу D, несложно для є(ґ) путем ортогонали-зации получить аналитические зависимости, позволяющие (при наличии корреляции сигнала) привести оценки параметров (2.16) к эквивалентной последовательности со свойствами белого шума, среднее значение которой E{D{g-g)}=E T-s). Следовательно, при отсутствии корреляции на входе модели для s(t), обладающей свойствами белого шума с нулевым математическим ожиданием, имеем Таким образом, получили несмещенную оценку g. Отсюда легко находится ковариационная матрица оцениваемых параметров: cov{g) = E{g-g).(g-gY}= 2.D-\ в которой использовано соотношение {є-є } = а2/. В этом случае ковариационную матрицу для вектора оцениваемых коэффициентов модели (2.15) можно представить в элементах (2.18): cov i covfe)- -1) . Проверим приведенный алгоритм на примере оценки коэффициентов производственной матрицы Кобба - Дугласа по статистическим рядам. Эта матрица функционально связана с производственной моделью, если производство осуществляется за счет экстенсивных факторов: трудовых затрат LQ и капитала Ко.
Если в производственную функцию ввести время t при малых значениях коэффициента Ь, то можно учесть происходящие во времени качественные изменения в технологических процессах производства. С учетом введенного временного фактора модель производственной функции Кобба-Дугласа имеет вид: Y = AebtK -Ll, (2.22) где коэффициенты А,Ь,аи$- постоянные параметры, Y - обозначение объема выпуска продукции; причем для экстенсивного способа производства а + (3 = 1. Временной фактор в модели (2.22) представлен мультипликатором в виде экспоненты. Для оценки коэффициентов А, Ь, а и р производственной функции воспользуемся статистическими рядами, содержащимися в работе [32].
Для выполнения вычислительных операций преобразуем уравнение (2.22) так, чтобы оно было линейным по отношению к оцениваемым параметрам А, Р и а. С этой целью данные основного капитала Ко, отработанных человеко-часов Lo и конечного продукта Y представим их логарифмами. В итоге получим \nY-\nL0=\nA + b + a-(\nK0-\nL0). Запишем эту формулу, с учетом т измерений, в виде матрицы 1 tx (ln 0(l) 1 t2 (ln 0(2) 1 tm (lnK0(m) lnL0(l)) 1 lnL 0 (2))
Разработка функционала синтеза наблюдателя для автоматизирован ного управления курсом судна по спектру матриц замкнутой системы
Устойчивая тенденция роста цен на мировом рынке нефти и нефтепродуктов, ограничения ресурсов природного сырья и работа водного транспорта в условиях конкуренции определяют необходимость повышения эффективности работы судов с использованием новых технологий, информационного и технического обеспечения процессов управления энергоэффективностью судовых систем.
Экономия топлива на речных судах показывает, что способы решения этой проблемы содержат различные подходы. В работе Ю.Н. Колесникова [7], сотрудника топливно-энергетического управления Минречфлота, приведены данные о том, что в пароходствах отрасли насчитывалось более 120 позиций, по которым проводились мероприятия по экономии топлива.
По мере происходивших изменений в информационной сфере адекватно расширялся класс задач в направлении энергосбережения на объектах водного транспорта.
Существенные изменения в области информационных и компьютерных технологий, позволили снова приступить к разработке исключительно эффективных методов оптимизации процессов эксплуатации с применением принципа оптимальности Р. Беллмана [31]. Используя динамическое программирование, можно обеспечить высокую степень адаптации вычислительных программ и информационных средств к изменяющимся режимам работы и условиям плавания судна. С применением динамического программирования отпадает необходимость в хранении больших массивов расчетных данных. Эти данные могут восстанавливаться в процессе работы системы путем вычислений в реальном временном масштабе. Если же для вычислений сложных процессов потребуется значительное время, динамическое программирование пригодно для проверки и сравнения полученных решений с другими методами оптимизации, а также оценки отступления от глобального оптимума.
В книге известного американского специалиста в области эксплуатации судов Л. Мани приведен интересный факт. Он пишет (стр.44): «… что стоимость перевозки грузов на баржах в США составляет примерно несколько тысячных долей цента за 1 т-км. Средняя скорость караванов - около 10 км/ч, хотя такие караваны могут двигаться со скоростью до 25 км/ч…». Повысить эффективность речного транспорта можно с помощью выполнения дноуглубительных работ и повышения глубин судового хода на реках и каналах. С увеличением глубины, уменьшается сопротивление движению барж и буксируемых составов. Например, при переходе с глубины 20 м на глубину 5,4 м для поддержания той же скорости (8 км/ч), необходимо существенное увеличение мощности. Если глубина составит 3,6 м, то мощность потребуется фактически удвоить. На глубинах меньших 3,6 м потребляемая мощность будет увеличиваться более интенсивно. В работе также отмечается, что 39% судоходных каналов в США имеют глубины до 2,7 м.
Высокая эффективность речного транспорта США обеспечивается за счет большой грузоподъемности буксируемых составов, передвигающихся со скоростями, не превышающими 8-10 км/ч. На таких скоростях сохраняются низкие удельные расходы топлива. Суда располагают большим резервом неиспользованной мощности, что дает возможность обеспечить высокую маневренность и безопасность движения в экстремальных ситуациях. Кроме того, в условиях поддержания в стране высокой стоимости топлива (США не экспортируют топливно-энергетические ресурсы), экономически неоправданно перевозить такие грузы, как строительный песок, песчано-гравийные смеси и т.п., на больших скоростях, поскольку это не скоропортящиеся грузы.
Задание средней скорости судна в рейсе до порта назначения должно определяться требованиями заказчика и зависеть от размеров платы за транспортную работу. Тогда прибыль, получаемая экипажем судна, определяется стоимостью топлива, требуемого для транспортировки грузов. По отчетным данным, в настоящее время расходы на топливо и смазочное масло в рейсе составляют до 40% от стоимости содержания судна. Поэтому в условиях рыночной конкуренции скорость судна должна выбираться с учетом стоимости транспортных услуг и регулироваться с учетом ситуации на водном пути и в порту назначения. Получение экипажем максимальной прибыли в каждом рейсе связано со стоимостью транспортных услуг на рынке, занятым другими судами, пытающихся также достичь высокой окупаемостью перевозок. Отсюда предложение транспортных услуг потребителю должно исходить из конкурентоспособных цен, что в конечном итоге по законам рынка должно приводить к равновесию спроса и предложения.
Способы выбора средней скорости судна должны обеспечивать возможность экипажу быстро и достоверно производить оценку параметров движения в условиях изменения характеристик рынка, с использованием соответствующих информационных каналов. На оценку действий экипажа в конечном итоге должен оказывать влияние судовладелец. Он также должен располагать информацией о спросе транспортных услуг на рынке и о финансовом состоянии предприятия. При этом следует иметь в виду, что, как правило, у судовладельца информация может быть недостаточно полной, и решение будет приниматься в условиях неопределённости.
Алгоритмическое и программное обеспечение экономичных режимов является важной самостоятельной задачей. Мы остановимся лишь на той части, которая связана с управлением судном в квазистатических режимах.
Принцип оптимальности Р. Беллмана позволяет привести сложную задачу оптимизации к решению последовательности простых задач, что значительно упрощает вычислительный процесс. Для создания алгоритмов и программного обеспечения требуется получить рекуррентные соотношения, определяющие последовательность операций в конкретной математической задаче.