Введение к работе
Актуальность проблемы. Существующий в настоящее время дефицит энергетических ресурсов привел к созданию оборудования, предназначенного для морской разведки нефтяных и газовых месторождений. Для работ по освое-нию Мирового океана служат морские буровые комплексы (МБК). В их состав входят буровое судно (БС) и оборудование, предназначенное для добычи нефти и газа, в частности, буровая колонна (БК). Эксплуатация буровых комплексов основывается на системе управления технологическими операциями, начиная с перехода" и постановки на точку бурения и кончая проходкой скважины. При этом на каждом этапе должно обеспечиваться качество, необходимое на следующих этапах, и поддерживаться высокая безопасность, надежность, производительность и эффективность всей установки и всего процесса в целом. Для этого требуются как совершенные средства и системы автоматизации, так и высококвалифицированные операторы, принимающие правильные и обоснован-яые решения по управлению техническими средствами.
Сложность работы оператора системы динамического позиционирования зпределяется большой протяженностью и инерционностью самого объекта управления, ограниченными пределами работы технологического оборудовала. На качество процесса удержания большое влияние оказывают субъектив-ше факторы: усталость, потеря навыков управления после длительного отсут-ггвия практики, психологическая неуверенность. Как показал анализ, примерно Ю% аварийных ситуаций возникает по вине экипажей и, в основном, из-за низ-:ой квалификации операторов.
Одним из важнейших факторов эффективного освоения морских место-юждений нефти и газа является создание тренажеров для подготовки и псре-[одготовки кадров плавсостава с целью безаварийной работы при выполнении [орогостоящих технологических операций и эксплуатации сложного оборудо-ания. Создание такого тренажера для обучения, тренировки и отбора специа-истов по системам динамического позиционирования позволит имитировать роцессы управления БС в условиях действия внешних возмущений при полых или частичных отказах системы управления и позволит избежать аварий-ые ситуации. При разработке тренажера ставилась задача создания обобщений структуры известных судовых систем управления. Зарубежные тренажер-ые комплексы построены на основе фирменных вычислительных комплексов, ведения об аппаратной и программной реализации носят рекламный характер
и являются секретом фирм-изготовителей. Попытки непосредственно использовать отечественные разработки моделей и алгоритмов в составе тренажеров для решения новых задач часто не приносят желаемого результата. Это во многом связано с большими глубинами, особенностями задач управления МБК, отсутствием удобных для использования математических моделей и алгоритмов.
В этих условиях создание тренажера, разработка математических моделей, методик и алгоритмов управления, высококачественных и надежных средств контроля и обучения операторов весьма актуальны.
Актуальность тематики подтверждается решениями международных, всесоюзных и всероссийских совещаний по автоматизации процессов управления техническими средствами, исследования Мирового океана, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференций "Технические средства изучения и освоения океана", "Проблемы научных исследований в области изучения Мирового океана", "Методы и средства управления технологическими процессами".
Целью работы является разработка моделей и алгоритмов управления в тренажерах для операторов морских буровых комплексов, характеризующихся большой протяженностью, нестационарностью характеристик, существенной инерционностью при случайных внешних воздействиях. Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих основных задач:
исследование технологического процесса как объекта управления, изучение специфических особенностей оборудования и устройств;
анализ результатов исследований и определение методов и средстЕ решения данной проблемы;
разработка математической модели бурового судна в режимах постановки на точку бурения и условиях проходки скважины с учетом влияния буровой колонны на буровое судно;
разработка математической модели буровой колонны с учетом случай ных воздействий ветровых волн, течений и смещений судна, определение об ластей применимости полученных формул;
разработка алгоритмов адаптации модели бурового судна, обеспечи вающих высокое качество управления и прогнозирования при нестационарно ста характеристик управляемых процессов в условиях неконтролируемосл внешних возмущений;
— разработка алгоритмов прогнозирования движения МБК, обеспечи
вающих безаварийную эксплуатацию бурового оборудования;
разработка, экспериментальное исследование и внедрение алгоритмов управления в составе тренажера для операторов МБК;
разработка требований к структуре, вычислительным средствам тренажерного комплекса, обеспечивающего реализацию полученных алгоритмов управления, прогнозирования и обучения.
Методы исследований. Теоретическая часть диссертации разработана с привлечением элементов теории вероятностей и математической статистики, матричной алгебры, спектрального анализа, теории дифференциальных уравнений в частных производных, методов вычислительной математики, метода возмущений и согласованных асимптотических разложений, метода динамического программирования.
Экспериментальные исследования проведены на базе программных и аппаратных средств с привлечением стандартного программного обеспечения, среды Delphi 4.0, пакета Statistica/W v5.77J.
Научная новизна. В процессе выполнения работы получены следующие новые научные результаты:
разработана математическая модель морского бурового комплекса, включающая модель бурового судна и буровой колонны, алгоритмы расчета статических и динамических характеристик в реальном и ускоренном масштабах времени;
разработаны алгоритмы оперативной идентификации модели бурового судна в условиях нестационарности характеристик и неконтролируемости внешних возмущений в процессе эксплуатации;
разработаны алгоритмы квазиоптимального управления бурового комплекса с использованием динамического программирования в ретроспективном времени в условиях жестких ограничений на переменные управления и состояния при изменении критерия качества в процессе функционирования;
определены рациональные сочетания параметров алгоритмов управления морским буровым комплексом;
разработаны методика построения, структура и алгоритмы функционирования тренажерного комплекса, предназначенного для подготовки операторов к управлению МБК как в нормальных, так и экстремальных условиях, контроля действий оператора в процессе проведения добычных и исследовательских работ на море;
определены требования к структуре и вычислительным средствам тренажерного комплекса, обеспечивающие реализацию полученных алгоритмов управления, прогнозирования и обучения.
Практическая значимость работы. Полученные результаты в рамках проведенной работы представляют собой модели и алгоритмы управления в тренажерах для обучения операторов МБК и позволяют:
обеспечить необходимый уровень подготовки и переподготовки операторов буровых комплексов;
повысить безопасность эксплуатации дорогостоящего добычного и исследовательского оборудования;
повысить качество управления буровым комплексом;
создать основы инженерного расчета для реализации тренажерных комплексов и тренажеров-советчиков операторов МБК;
решить круг задач, связанных с проектированием систем управления морского бурового комплекса,
— реализовать модели и алгоритмы управления в тренажерах для обуче
ния операторов МБК.
Практическая реализация. Материалы диссертационной работы внедрены и в настоящее время успешно используются при проектировании технических средств для подготовки операторов буровых судов на предприятиях нефтегазового комплекса России, в частности, в Мурманском АО "Нефтегаз-технология".
"Результаты исследований положены в основу реализации проекта №19 Федеральной программы экономического и социального развития республики Мордовия на 1996-2000 гг.".
Методики построения и программное обеспечение тренажерных комплексов, предназначенных для подготовки операторов к управлению буровыми судами в аварийных и экстремальных условиях, использованы в разработках РАО "Газпром".
Результаты диссертационной работы широко используются в учебной работе факультета электронной техники Мордовского госуннверситета в рабочих материалах учебных курсов "Методы математического моделирования", "Промышленные цифровые системы управления и контроля", "Статистические методы обработки данных и планирование эксперимента" в курсовом и диплом ном проектировании.
Практическая реализация подтверждена актами о внедрении результате! диссертационной работы на предприятии АО «Нефтегазтехнология» и в учеб ной работе факультета электронной техники.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационноі работы, а также отдельные ее главы, отражены в отчетах по научно
исследовательской работе "Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования", проводимой согласно проекту программы по разработке, изготовлению и поставке технических средств и оборудования для освоения ресурсов нефти и газа на шельфе России на период до 2005 года, подготовленная в соответствии с поручением Совета Министров СССР от 08.12.86 г.
Основные результаты докладывались и обсуждались на Межреспубликанской научной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1991), Республиканской научно-технической конференции "Новые материалы и процессы деформации" (г. Саранск, 1991), Огаревских чтениях в Мордовском госуниверситете им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 1995), конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета (г. Саранск, 1997), I, II Международных научных конференциях "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1995, 1997), III Международной научной конференции "Дифференциальные уравнения и их приложения" (г. Саранск, 1998), Международной научно-технической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров" (г. Пенза, 1999).
Публикации. По результатам разработок и исследований, проведенных в процессе работы над диссертацией, опубликовано 13 печатных работ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, содержащего 137 источников, а также ряда приложений. Материал диссертации изложен на 199 страницах, иллюстрирован 32 рисунками. Общий объем приложений составляет 30 страниц.
Похожие диссертации на Модели и алгоритмы управления в тренажерах для операторов морских буровых комплексов
