Введение к работе
Актуальность проблемы
Общая тенденция мирового судостроения заключается в повышении интереса к скоростным судам и разнообразии их схем поддержания. Одним из перспективных направлений является создание скоростных судов катамаранного типа. На данный момент и мире эксплуатируется несколько сотен морских катамаранов, ежегодно строится около тридцати, большинство из которых - пассажирские. Существуют катамараны различного типа - с: глиссирующими корпусами (например, в 1995 году был спущен на воду катамаран проекта "Сокол" -первое российское морское пассажирское двухкорпусное судно за последние 50 лет), а также суда катамаранного типа на подводных крыльях (например, катамаран с малопогруженными крыльями проекта "Далена"). Рассматриваемый в диссертационной работе катамаран имеет глиссирующие корпуса и носовые глубокопогруженные крылья. Кроме того, на каждый корпус судна установлены кормовые интер-цепторы. Эти современные органы управления позволяют управлять подъемной силой на кормовых оконечностях в режиме глиссирования. Задача стабилизации пространственного движения судна с глубокопо-груженными крыльями и кормовыми иктердепторами рассматривается впервые.
К комфортности современных пассажирских судов предъявляются жесткие требования. Так, международный стандарт IS02631 предъявляет требования к вертикальным перегрузкам, действующим на человека, в виде частотно-зависимых ограничений. Разработка законов стабилизации движения катамарана, которые позволили бы удовлетворить требованиям комфортности и мореходности и тем самым повысить время эксплуатации суда в году, является актуальной задачей.
Односвязные пропорцональн'о-дифференциалыгые законы управления или простейшие частотно-зависимые законы управления для таких объектов, как рассматриваемый каїамаран, либо не позволяют удовлетворить столь жестким требованиям, либо обладают высокой чувствительностью к изменению спектральных свойств возмущения, которые происходят при изменении скорости хода судна или угла встречи с волной. В этих условиях, актуальной является задача разработки более сложных алгоритмов, которые позволили бы обеспечить мореходность и комфортность катамарана в условиях действия возмущения с меняющимися спектральными свойствами, то есть обеспечить более^высокос качество за счет некоторого усложнения структуры за-
конов управления. Лля этих целей могут быть использованы мет ды равномерно-частотной оптимизации для многомерных многосв; ных объектов.
Особенностью судов с глубокопогружснными крыльями являет собственная неустойчивость в вертикальной плоскости (в крыльев режиме). Для таких объектов задача разработки алгоритмов с: билизации пространственного движения связана с задачей разрабс ки аппаратно-алгоритмичсской отказоустойчивой структуры систеї управления, так как выход из строя, например, датчика высоты мож повлечь за собой аварийную ситуацию.
Целью диссертационной работы является разработка методи синтеза и анализа законов стабилизации пространственного движен собственно неустойчивого скоростного морского подвижного объев с несколькими управляющими, измеряемыми и стабилизируемыми в< действиями, позволяющих обеспечивать отказоустойчивость по ОТІ шению к отказам датчиков информации, мореходность и комфортное в условиях действия возмущения с меняющимися спектральными евс ствами, с учетом частотных ограничений на управление, обусловлі ных динамикой приводов, и применение разработанной методики к : даче разработки и исследования отказоустойчивой системы стабш зации глиссирующего катамарана с глубокопогруженными крылья и интерцепторами.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе до. ны быть решены следующие основные взаимосвязанные задачи.
-
Анализ требований мореходности и комфортности катамарана также динамических свойств приводов органов управления; фс мализация этих требований. Разработка функциональной стр; туры каналов управления крыльями и интерцепторами, позво; ющей обеспечить выполнение этих требований.
-
Разработка и исследование таких математических моделей ді жения скоростного катамарана, оборудованного глубокопогі женными крыльями и интерцепторами на трехмерном нерегул) ном волнении, которые могли бы быть использованы для синтс и анализа законов пространственной стабилизации движения і тамарана.
-
Разработка методики синтеза частотно-зависимых законов с: билизации движения скоростного морского подвижного объект несколькими управляющими, измеряемыми и стабилизируемы воздействиями (на основе теории #-оптимального управлени которая позволила бы обеспечить стабилизацию движения п
изменяющихся спектральных свойствах возмущения, а также при наличии шумов визмерениях. Методика должна включать процедуру упрощения (редукции) получаемых регуляторов и перевода их в дискретный вид, удобный для реализации в современной Портовой вычислительной технике.
-
Синтез и анализ законов стабилизации пространственного движения катамарана (каналы управления крыльями и интерцепто-рами) по предложенной методике.
-
Разработка отказоустойчивой аппаратно-алгоритмической структуры системы управления пространственным движением катамарана (к отказам датчиков информации).
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались следующие методы исследования. Для разработки упрощенной математической модели движения объекта на волнении использовались методы теории судна и в особенности СДПП. Для анализа нелинейной математической модели движения судна и замкнутой системы на волнении использовались методы математического моделирования динамических систем и случайных процессов на ЭВМ. корреляционного и спектрального анализа случайных процессов, теории вероятностей и математической статистики. Для синтеза законов управления использовались методы теории //"^-оптимального управления и теории оптимальных линейных стохастических систем управления. При разработке алгоритма обнаружении отказов использовались методы различения многих гипотез и комплсксирования датчиков. Кроме того, в работе использовались элементы элементы матричной алгебры, функционального анализа и теории обыкновенных дифференциальных уравнений.
Научные результаты, выносимые на защиту
1. Упрощенная нелинейная математическая модель пространственного движения скоростного катамарана, оборудованного кормовыми интерцепторами и носовыми глубокопогруженяыми крыльями, с постоянной скоростью хода в режиме глиссирования, предназначенная для анализа законов управления движением катамарана, и линеаризованная математическая модель качки катамарана для синтеза алгоритмов умерения качки.
-
Полигармоническая модель воздействия трехмерного нерегулярного волнения на катамаран на подводных крыльях, предназначенная для анализа качеств мореходности, комфортности и качества стабилизации пространственного движения, а также методика верификации модели волновой поверхности (с точки зрения свойств, существенных для ее воздействия на судно).
-
Методика синтеза частотно-зависимых законов стабилизации движения скоростного морского подвижного объекта с несколькими управляющими, измеряемыми и стабилизируемыми воздействиями (на основе теории Я-оптимального управления), которая позволяет обеспечить стабилизацию движения при изменяющихся спектральных свойствах возмущения, а также при наличии шумов в измерениях. Методика включает процедуру преобразования регулятора к виду динамической обратной связи по выходу и процедуру упрощения (редукции) получаемых регуляторов и перевода их в дискретный вид, удобный для реализации в современной бортовой вычислительной технике.
-
Аппаратно-алгоритмическая структура обеспечения отказоустойчивости системы стабилизации пространственного движения скоростного судна к отказам датчиков информации.
Практическая ценность
-
Разработан пакет программ на языке Borland C++ "SuperFast Motion Simulation", позволяющий проводить моделирование и анализ движения рассматриваемого катамарана, в том числе: анализ переходных процессов, анализ движения на волнении, расчет частотных характеристик, линеаризация, анализ моделей приводов органов управления различной структуры, анализ законов управления различной структуры, анализ комфортности (соответствие требованиям стандарта IS02631). Пакет предназначен для разработчиков системы управления движением судна.
-
Разработан пакет прикладных программ на языке MATLAB, реализующий предложенную методику расчета параметров модели трехмерного полигармонического волнения и методика, верификации модели трехмерного нерегулярного волнения, который может быть использован для широкого класса задач, связанных с моделированием и управлением движением судов.
3. Разработан пакет программ пакет прикладных программ на язы
ке MATLAB, реализующий предложенную методику синтеза зако-_
нов стабилизации пространственного движения для многомерных объектов с учетом частотных ограничений на управление и возмущение, который может быть использован для широкого класса подвижных объектов.
4. Получены законы (в цифровом виде) стабилизации простран
ственного движения рассматриваемого катамарана, которые мо
гут быть использованы при реализации каналов управления кры
льями и интерцепторами системы управления движением катама
рана (на бортовом компьютер*').
Реализация в промышленности
-
Методика синтеза законов стабилизации пространственного движения скоростных судов была применена при разработке алгоритмического обеспечения системы управления движением (разработаны алгоритмы Я^-субоптимальной стабилизации курса с одновременным умерснием бортовой качки) морского автомобильно-пассажирского парома на воздушной подушке (скегового типа) проекта 19800, проектируемого в ПМКБ "Алмаз" (главный конструктор проекта к.т.н.В.А.Абрамовский);
-
Разработанный пакет программ "SupcrFast Motion Simulation" был использован при разработке системы управления движением катамарана "SuperFast" (фирма Marine Technology Development, Swedei SPb branch), катамаран имеет рассмотренную в диссертации конфигурацию, эксплуатационная скорость 50 узлов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на
международной научно-практической конференции " Месторождения нефти и газа в Росии. Состояние и перспективы освоения'". С.-Пб, 20-28 ноября 1994 г.;
конференции 3rd IFAC Workshop on Control Application in Marine Systems, Trondheim, Norway, 1995;
конференции 11th Ship Control System Symposium, Southampton, UK. 1997.
ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры Корабельных систем управления СПбГЭТУ 1996-1998 гг.
совете управлению движением кораблей и судов, ИПУ РАН, Рыбинск, июнь 1998.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 10 приложений, объем основной части диссертационной работы составил 145 страниц машинописного текста, основная часть вкючает 57 рисунков и 10 таблиц, список литературы включает 73 наименования на 8 страницах.