Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности систем управления движением судов на подводных крыльях 13
1.1. Постановка задачи 13
1.2. Системный подход к созданию системы управления движением судов на подводных крыльях 30
1.3. Реализация системного подхода на базе моделиювания судна на подводных крыльях и
его системы управления движением 44
1.4. Обобщенная математическая модель системы управления движением судна на
подводных крыльях 50
Выводы по 1 главе 53
Глава 2. Математическое обеспечение систем управления движением судов на подводных крыльях 55
2.1. Структура математической модели системы управления движением судна на подводных крыльях 55
2.2. Математическая модель пространственного возмущенного движения судна на подводных крыльях 61
2.3. Математический аппарат для расчета гидюдинамических характеристик крыльевого комплекса 79
2.4. Методика учета ветро-волновых возмущений, действующих на судно на подводных крыльях 87
2.5. Линеаризованная модель динамики движения судна на подводных крыльях 98
Выводы по главе 2 100
Глава 3. Алгоритмическое и программное обеспечение системы управления движением судна на подводных крыльях 103
3.1. Алгоритмическое обеспечение 103
3.2. Программное обеспечение 126
Выводы по главе 3 147
Глава 4. Оценка эффективности и оптимизация систем управления движением суднов на подводных крыльях 149
4.1. Методика решения прикладных задач по оценке эффективности систем управления движением судов на подводных крыльях 149
4.2. Влияние геометрии крыльевого устройства на динамические свойства судов на подводных крыльях 154
4.3. Влияния модификации алгоритмов управления системы управления движением судов на подводных крыльях на нагрузку крыльевого комплекса 161
4.4. Оптимизация алгоритмов управления систем управления движением судов на подводных крыльях 167
4.5. Оценка и верификация алгоритмического и программного обеспечения 172
Выводы по главе 4 176
Заключение 178
Литература 181
- Системный подход к созданию системы управления движением судов на подводных крыльях
- Структура математической модели системы управления движением судна на подводных крыльях
- Методика решения прикладных задач по оценке эффективности систем управления движением судов на подводных крыльях
- Оптимизация алгоритмов управления систем управления движением судов на подводных крыльях
Введение к работе
В настоящее время в мире получили широкое распространение различные типы гражданских и военных СПК. Различными зарубежными фирмами и концернами ведутся разработки новых технических решений, призванных повысить скорость СПК, их эксплуатационные, маневренные и динамические характеристики [94-100].
В нашей стране, проектирование и постройка многих типов судов, в связи с событиями новейшей истории, были практически прекращены, что в полной мере относится и к СПК. Однако, на сегодняшний день как в России, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья продолжается эксплуатация многих быстроходных судов, построенных еще в СССР. Эти суда требуют постоянного технического обслуживания, многие нуждаются в модернизации. Кроме того, на волне возрождения российского кораблестроения вероятно появление новых перспективных проектов высокоскоростных судов.
Многие авторы оптимистично оценивают будущее скоростного флота. Строительство судов с динамическими принципами поддержания в нашей стране начато несколько десятков лет назад. За это время построено свыше 1300 СПК и около 6000 катеров на подводных крыльях. В настоящее время тенденция увеличения спроса на скоростные суда на международном рынке сохраняется. Растет потребность в скоростных судах в регионах Юго-Восточной Азии. Одновременно с увеличением спроса на СПК, рынок повышает требования к их отдельных характеристикам: скорость, мореходность, безопасность, экономическая эффективность. Совокупное решение задач оптимизации подсистем судна в целом, согласно прогнозам ведущих специалистов, может привести к повышению эффективности СПК на 20-25% [12].
Качество функционирования СПК зависит от конструктивных, динамических, эксплуатационных, экономических и др. показателей, которые формируются на этапе проектирования и обычно определяются путем анализа
процесса функционирования как судна в целом, так и отдельных конструкций и систем, входящих в его состав. В частности, качество функционирования морского СПК во многом определяется конструкцией его крыльевого комплекса (видом, геометрией, гидродинамикой подводных крыльев) и алгоритмической структурой его СУД. При проектировании нового судна нужно уделять повышенное внимание как проектированию самой СУД, так и проектированию исполнительных органов управления, которые фактически являются частью крыльевого комплекса. В свою очередь, гидродинамика крыльевого комплекса напрямую влияет на выбор алгоритмической структуры
СУД.
Появление первых СПК в начале 60-х годов, определив необходимость автоматизации управлениях их движением, дало жизнь значительному количеству работ, посвященных различным методам проектирования и оптимизации систем управления и посвященных СУД СПК [52, 53, 55, 61, 69, 70, 72, 78, 77, 80, 92, 93].
Множество военных и гражданских организаций, высшие учебные заведения, институты Российской академии наук имеют богатый опыт научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектных работ в рассматриваемой предметной области.
Разработчиком подавляющего большинства СУД для СПК выступало НПО «Аврора». На нем были созданы системы типа «Бирюза», «Морион», «Коралл», экспериментальные СУД для различных СПК на АУПК, для катамаранов на АУПК. Было выполнено большое количество НИР и ОКР, касающихся моделирования динамики замкнутой системы СПК-СУД, выбора алгоритмической структуры, конструкции и элементной базы СУД. Кроме того, разработкой СУД (по заказу ЦМКБ «Алмаз»), навигационной аппаратуры для систем типа «Стрела» занимался ЦНИИ «Электроприбор». В МАИ им. С. Орджоникидзе проводились научные исследования по проектированию СУД СПК, выполненные д.т.н. Извольским и его учениками. Теоретические
7 исследования в области синтеза алгоритмической структуры СУД СПК
выполнены на кафедре Корабельных систем управления СПб ГЭТУ («ЛЭТИ») в
90-х годах.
Основные теоретические исследования, призванные обеспечить создание СУД СПК выполнены ведущими учеными и их учениками: д.т.н., проф. Скороходовым Д.А., д.т.н., проф. Лукомским Ю.А., к.т.н. Кузиным В.П., к.т.н. Носовым Л.А., к.т.н. Бочаговым В.И., к.т.н. Шлеенковым И.Ф., к.т.н. Чернышом Ю.Н., к.т.н. Метлиным В.В., к.т.н. Чернышевой Т.С., д.т.н., проф. Бесекерским В.А. и другими.
Вопросу проектирования и эксплуатации высокоскоростных судов за последние 30 лет было посвящено большое количество справочников, изданий и статей. Среди них можно выделить Справочник по теории корабля под редакцией Я. И. Войткунского [80], в котором большой раздел посвящен проектированию судов с динамическими принципами поддержания (СДПП), а также Справочник по проектированию СДПП, выпущенный в 1980 году [44]. Вопросы проектирования высокоскоростных судов также рассмотрены в изданиях [11, 15, 43]. В этих изданиях достаточно подробно рассматривается процесс расчета и проектирования СПК. Кроме того, в последнее время вышло несколько книг, посвященных непосредственно СПК [7, 26, 28, 30, 57]. Выпущен ряд изданий, посвященных вопросам эксплуатации и ремонту СПК, например, [47, 75].
Отдельно следует выделить труды, посвященные гидродинамике подводного крыла. Среди них есть и фундаментальные работы, описывающие общую теорию движения крыла вблизи границы раздела двух сред [3, 4, 16, 62], и различные работы, посвященные новым способам проектирования и исследования крыльевых устройств СПК [19,20, 23, 74, 82]. Некоторые издания посвящены гидродинамике СПК в целом [21, 65].
Ряд изданий посвящен вопросу прочности крыльевых устройств СПК, например [54]. В последние годы стали появляться публикации по системному,
8 комплексному подходу к определению прочности крыльевых устройств,
например [24]. Поскольку, прочность конструкций СПК является одним из
необходимых условий безопасности судна и его пассажиров, велись
целенаправленные исследования в этом направлении.
Большое количество работ посвящено вопросу проектирования систем управления движением. Среди них можно выделить такие, как [31, 46, 76, 77, 78]. Ряд работ посвящен оценке их эффективности [29, 61,81,91, 92]. При этом, общим недостатков всех этих работ является то, что динамические свойства объекта управления (СПК) в них обычно считаются постоянными. Такой подход не позволяет всесторонне исследовать эффективность системы управления, оценить степень взаимовлияния объекта управления и системы управления друг на друга.
В последние годы в различных журналах и специализированных изданиях стали появляться статьи, посвященные применению современных методов проектирования в процессе создания СПК, его крыльевой схемы. В качестве примера можно привести следующие работы: [8, 25,27, 45, 48, 68, 89].
Можно указать также ряд иностранных диссертационных работ и публикаций [59, 94, 95, 98, 99, 100], в которых излагаются результаты научных исследований, ведущихся специалистами разных стран по совершенствованию конструкции и повышению эффективности СПК.
Обзор литературы, посвященной проектированию СПК и его отдельных конструкций и систем показал, что большинство научных работ по этому вопросу посвящено определенной, специализированной теме: разработке системы управления, проектированию крыльевых устройств, исследованию прочности конструкций крыльевого комплекса. Те же работы, которые посвящены проектированию СПК в целом мало касаются разработке систем управления его движением. Только недавно стали появляться работы, в которых рассматривается методика комплексного подхода к проектированию СПК и использования для этого специально разработанного алгоритмического
9 и программного обеспечения, например [82]. Применение системного подхода
к проектированию СПК и его подсистем (в частности, СУД) позволило бы
восполнить этот пробел, повысить эффективность проектируемых судов,
уровень их оптимизации.
СПК является сложной организационно технической системой (ОТС) и
включает ряд основных подсистем, совместная работа которых определяет
эффективность функционирования объекта в целом. Частные задачи
обеспечения функционирования указанных подсистем на всех этапах
жизненного цикла тесно взаимосвязаны и носят системный характер. Решение
этих задач для нового объекта связано с проведением сложных
разнопрофильных научно-исследовательских и проектных работ, и требует
взаимодействия многих специализированных организаций, обеспечивающих его
техническое оснащение и эксплуатацию, основанного на едином — системном -
подходе к обеспечению эффективности функционирования СПК. Однако, в
настоящее время отсутствуют единый системный методологический подход и
комплексная технология повышения эффективности эксплуатации новых
высокоскоростных морских и речных транспортных средств и основных
технических систем. Организации, участвующие в их создании, выполняют
указанные работы на основе собственных научно-исследовательских
проработок и технологий. При этом имеет место дублирование в решении
каждой из этих организаций задач разработки сложных математических
моделей, программного обеспечения и собственно исследований динамики
объекта, что приводит к значительному удорожанию, увеличению сроков
разработок, существенно увеличивает вероятность ошибок и
несогласованностей. Поэтому к моменту ввода объекта в эксплуатацию
принятые технические решения часто оказываются недостаточно
отработанными ввиду ограниченности средств и сроков проектирования, либо
недостаточно привязанными к объекту и требуют доработки уже в процессе его
эксплуатации.
10 Целью диссертационной работы является разработка математического
и программного обеспечения СУД СПК.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
Анализ СУД, обеспечивающей функционирование СПК, на основе системной методологии.
Разработка обобщенной математической модели СПК как объекта управления.
Разработка математического обеспечения обобщенной математической модели СПК.
Разработка программного обеспечения обобщенной математической модели СПК.
Решение новых прикладных задач построения СУД СПК с использованием разработанного программного обеспечения.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 100 наименований.
В первой главе рассматриваются особенности морских СПК как объекта проектирования и управления; рассматриваются факторы, влияющие на качество функционирования СПК и показатели, по которым его можно оценить; сформирован системный подход к процессу проектирования СПК и моделированию, как средству реализации такого подхода в рамках поставленной задачи; осуществляется общая постановка задач, решаемых в диссертационной работе.
Во второй главе диссертации рассматривается структура математической модели СУД СПК, подробно излагаются математические модели, входящие в ее состав. В частности, приводятся: математическая модель пространственного возмущенного движения судна на подводных крыльях, математический аппарат для расчета гидродинамических характеристик
крыльевого комплекса, методика учета ветро-волновых возмущений, действующих на СПК, линеаризованная модель динамики движения СПК.
Третья глава работы посвящена разработке алгоритмического и программного обеспечения, основанного на единой математической модели, приведенной в предыдущей главе. Приводится и подробно описывается структура и укрупненная блок-схема разработанного алгоритмического обеспечения. Описывается структура, состав и интерфейс программного обеспечения.
В четвертой главе приводится методика решения прикладных задач с помощью разработанного программного обеспечения, производится решение новых прикладных задач проектирования СУД СПК, проводится оценка и верификация разработанного алгоритмического и программного обеспечения.
Полученные в данной главе результаты подтверждают
работоспособность и эффективность методов и алгоритмов, разработанных в диссертации.
Основными результатами, которые получены в итоге проведенных исследований и выносятся на защиту, являются следующие:
Разработана обобщенная математическая модель СПК, представляющая собой совокупность моделей технических средств и конструктивных элементов СПК, и учитывающая действие внешних возмущений.
Разработана система имитационного моделирования СУД СПК.
Разработана модель учета ветро-волновых возмущений на крыльевой комплекс СПК.
Разработана методика решения прикладных задач по оценке эффективности функционирования СУД СПК.
С помощью разработанного программного обеспечения получены результаты решения новых задач по оценке эффективности СУД СПК и оптимизации алгоритмов управления движением СПК.
12 Теоретическая и практическая ценность результатов диссертации.
Теоретическая значимость работы определяется тем, что в ней предложены
методы проектирования СУД, основанные на системном подходе, и
вычислительные алгоритмы, с помощью которых можно существенно повысить
эффективность решения задачи проектирования СУД СПК. При этом очевидна
практическая направленность работы, состоящая в создании алгоритмическо-
программного комплекса, основанного на разработанном методе и алгоритмах,
который с успехом может использоваться для решения специфических задач
проектирования СУД СПК.
Практическая ценность работы состоит в ее изначальной ориентации на создание готового программного пакета, позволяющего решать различные задачи по проектированию и моделированию пространственного движения СПК.
Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и семинарах. Результаты и теоретические положения диссертационной работы были использованы в НИР [72] Института Проблем Транспорта РАН.
Системный подход к созданию системы управления движением судов на подводных крыльях
В 1.1 определены основные предпосылки применения системного подхода к процессу проектирования СПК в целом как ОУ и к СУД, определяющей его динамические характеристики. Рассмотрим некоторые особенности применения такой методологии применительно к задачам настоящего исследования.
СПК является сложной ОТС, включающей целый комплекс подсистем различного назначения. Системные свойства ОТС проявляются на всех этапах его жизненного цикла. Формирование этих свойств производится на стадии проектирования судна и осуществляется различными организациями под руководством Главного конструктора. Задачей Главного конструктора является решение как технических, так и организационных вопросов по проведению и согласованию проводимых этими организациями технических разработок, в обеспечение единства целей проектирования и эффективности принимаемых технических решений. На этапе эксплуатации свойства судна зависят не только от технических характеристик, но, в значительной мере, от организационных вопросов его эксплуатации судоходной компанией - судовладельцем (обучение и подготовка экипажа, оснащение дополнительным оборудованием, формирование рейсового задания и др.). В свою очередь, СПК является подсистемой транспортной системы, на которую влияют цели и ограничения, имеющие место в этой мегасистеме. Таким образом, для эффективного проектирования и функционирования СПК следует опираться на методы и подходы, разработанные в рамках теории сложных ОТС. Системный подход характеризуется интеграцией знаний об объекте исследования, получение которых осуществляется на модельно-предсказательной основе (в отличие от традиционного подхода к получению знаний об объектах на измерительно-экспериментальной основе). Очевидно, что модельно-предсказательная методология лучше всего реализуется с помощью математических, алгоритмических и компьютерных моделей [5]. Из теории систем известно, что одним из основных свойств любой системы является ее целостность. Отдельные элементы системы функционируют совместно, тем самым формируя процесс функционирования всей системы в целом. Причем, функционирование системы не может быть сведено к функционированию составляющих эту систему элементов. В результате порождаются качественно новые свойства системы, не имеющие аналогов в свойствах отдельных элементов. Поэтому, с точки зрения целостности системы, ее важнейшей характеристикой является структура, представляющая собой совокупность элементов и связей, определяющих внутреннее строение и организацию объекта как целостной системы [5]. Кроме того, важным свойством любой системы является ее иерархичность. Оно заключается в том, что каждый компонент системы может также рассматриваться как система со своими элементами. С другой стороны, сама система может являться частью другой, более общей системы. Еще одним неотъемлемым свойством системы является множественность описания. Для получения достаточно полного знания о системе требуется построение нескольких описаний, каждое из которых охватывает только определенные аспекты ее функционирования и связей между элементами. Под состоянием системы обычно понимается упорядоченная совокупность значений внутренних и внешних параметров, определяющих течение процессов, происходящих внутри системы. Очевидно, что технические средства транспорта относятся к материальным динамическим открытым системам как искусственные динамические системы, созданные человеком, подверженные воздействию внешней среды и сами воздействующие на нее. Любое судно представляет собой техническую систему, имеющую все три основных указанных выше обязательных свойства. Судно, как система, обладает целостностью его составных элементов. Иначе говоря, свойства отдельных систем судна несводимы к общим свойствам всего судна в целом. Каждая из технических систем судна может рассматриваться как отдельная система. Кроме того, как говорилось выше, само судно можно представить как элемент системы высшего порядка, например, транспортной системы региона. Динамика движения, взаимодействия между различными техническими системами, устройство систем управления, влияние на судно внешних возмущений и другие процессы, происходящие с судном в целом и с отдельными его системами могут быть описаны и смоделированы разными способами с разной степенью точности и детализации. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что судно как морское транспортное средство может быть представлено как ОТС и к процессу его описания применим системный подход и методология системного анализа. Более того, рассмотрение судна с точки зрения системности представляется предпочтительнее поэлементного редукционного подхода, который раньше доминировал во многих исследованиях. Методология системного анализа предполагает что любые системные исследования необходимо начинать с классификации признаков, свойств и параметров исследуемой системы. Следует заметить, что поскольку данная работа изначально нацелена именно на проектирование СУД и СШС в целом, необходимо рассматривать судно именно как объект проектирования, изучать его с точки зрения процесса его разработки и постройки. Одним из основных принципов описания систем является принцип многоуровнего описания. Он гласит, что любой объект должен быть описан, во-первых, как элемент системы более высокого порядка, во-вторых - как целостное явление, в-третьих, как некоторая сложная структура, внутреннее строение которой необходимо представить с детализацией и подробностью, достаточной для удовлетворения целей исследования и поставленной задачи [5]. В рамках системного подхода СПК и СУД рассматриваются как единый объект проектирования и функционирования в условиях действия внешних ветро-волновых возмущений, т.е. как целостная сложная техническая система, состоящая из отдельных взаимодействующих подсистем, определяющих ее динамические свойства.
Структура математической модели системы управления движением судна на подводных крыльях
В главе 1 была сформулированы задачи на моделирование судна на подводных крыльях и его системы управления движением. Одним из главных этапов решения поставленных задач является формирование математической модели систем управления движением судна на подводных крыльях.
Выше указывалось, что разрабатываемая система имитационного моделирования фактически является средством оценки зависимости множества показателей J от множества факторов X. Поэтому, очевидно, что структура системы имитационного моделирования должна включать три блока (рис. 5).
В первом блоке, в зависимости от целей модельного эксперимента, задаются или формируются конструктивные факторы и другие условия, влияющие на динамические свойства судна как объекта моделирования.
Второй блок представляет собой ядро системы имитационного моделирования, в котором реализуется обобщенная математическая модель динамики судна, произвольно маневрирующего в пространстве под действием реальных внешних возмущений. Выбор данного вида модели обусловлен тем, что эта модель позволяет реализовать задачи, поставленные в предыдущей главе, а именно, оценить как множество рассмотренных выше факторов будет влиять на множество описанных показателей. В главе 1 был сформулирован системный подход к рассмотрению СПК и его СУД. Все судно рассматривается как система, состоящая из отдельных технических подсистем. Целесообразно применить такой подход и при формировании системы имитационного моделирования. Будем проводить математическое моделирование динамики судна с использованием самостоятельных, но взаимосвязанных математических моделей его элементов. Обобщенная математическая модель должна быть нелинейной. Это обусловлено тем, что ГДХ КУ хоть и поддаются линеаризации на отдельных участках, в общем, являются принципиально нелинейными. Особенно это характерно для пересекающих ППК. Необходимость рассматривать обобщенную математическую модель СПК как нелинейную также обусловлена тем, что математические модели его отдельных подсистем будут иметь нелинейности (например, ЭГП ИО). В зависимости от решаемой задачи, по результатам моделирования в третьем блоке формируется совокупность тех или иных показателей, подлежащих анализу. Эти три блока являются основой разрабатываемой системы имитационного моделирования. Полученные в результате моделирования показатели служат основой для проведения сравнительного анализа влияния различных конструктивных элементов на эффективность функционирования и безопасность СПК. Указанные показатели могут быть использованы также для формирования различных критериев качества функционирования судна. На основе произведенной оценки эксплуатационных показателей проектантом производится обоснованный выбор конкретных конструктивных элементов судна и его технических систем. Взаимодействие с пользователем должно осуществляться с помощью специально разработанного программного интерфейса, позволяющего выполнять удобное задание факторов моделирования и исходных данных для различных элементов математической модели. Интерфейс также осуществляет вывод информации на различных этапах моделирования. С помощью хорошо продуманного интерфейса данная система может быть использована на различных этапах проектирования. Система моделирования, построенная по указанному выше принципу, выгодно отличается от аналогичных систем тем, что может быть использована различными пользователями (проектировщиками, организациями) без дополнительной подготовки. Это связано с тем, что пользователь избавлен от необходимости вникать во внутреннюю структуру различных моделей, включенных в систему. Ему достаточно лишь задавать простейшие, широко используемые в разных дисциплинах, параметры объекта. Выдача результатов производится также в наглядной и понятной форме. Этот подход открывает путь для использования этой системы проектировщиками различных специальностей (гидродинамика, прочностной расчет и т.п.). Иначе говоря, хотя в данной системе и объединены блоки и алгоритмы, связанные с различными областями знаний, она может одинаково эффективно использоваться для решения специфических задач по моделированию. При решении задач по оптимизации объекта, например, с точки зрения проектирования систем автоматического управления движением, все остальные математические модели (гидродинамика несущего комплекса, динамика объекта в целом и т.п.) полноправно участвуют в моделировании, но не требуют от пользователя глубокого знания, например, гидродинамики.
Методика решения прикладных задач по оценке эффективности систем управления движением судов на подводных крыльях
В предыдущей главе было описано алгоритмическое обеспечение и созданное на его основе программное обеспечение систем управления движением судов на подводных крыльях. Опишем методику использования программного обеспечения для решения различных прикладных задач проектирования.
На рис. 24 приведена визуализация методики использования программного обеспечения. Стрелками на рисунке обозначены различные пути использования программных модулей, входящих в состав программного обеспечения.
Общая укрупненная блок-схема разработанного алгоритмического обеспечения, приведенная на рис. 14, имеет линейную структуру. Как говорилось выше, такая линейная последовательность подпрограмм фактически соответствует обычным действиям пользователя при моделировании движения судна с заданной крыльевой схемой. Иначе говоря, основная методика использования программного обеспечения заключается в последовательной работе в каждом из программных модулей и соответствует следующей последовательности действий, выполняемых пользователем: 1. В программе Profile пользователь создает новые, редактирует существующие или выбирает готовые профили элементов крыльевого устройства. 2. В программе Geometry пользователь задает геометрию каждого крыльевого устройства (создает новую геометрию, редактирует существующую или выбирает готовую), его профилировку, состав и геометрию органов управления. 3. В программе Calculation производится вьиисление гидродинамических характеристик созданных на предыдущем шаге крыльевых устройств. 4. В программе HSM пользователь задает геометрию моделируемого судна, характеристики приводов и исполнительных органов, волнение, алгоритмы управления, параметры расчета и производит моделирование динамики движения СПК. На основе результатов моделирования вычисляются определенные показатели. 5. В случае неудовлетворительных результатов моделирования пользователь принимает решение об изменение исходных данных какой-либо из программ. Методика решения прикладных задач включает в себя следующие этапы: 1. Задание профилировки крыльевых устройств на основе заданных ранее геометрий профилей. 2. Расчет гидродинамических характеристик крыльевого устройства с заданной геометрией. 3. Моделирование динамики движения судна, в конструкцию которого входят крыльевые устройства с известной геометрией и известными гидродинамическими характеристиками. Следует заметить, что при реализации изложений методики возможны следующие подходы: - создание новых профилей, крыльевых устройств, конструкций СПК и изучение их свойств; - использование уже существующих профилей, крыльевых устройств, конструкций СПК в качестве прототипов для создания на их основе новых конструкций; - изучение или подтверждение свойств уже существующих профилей, крыльевых устройств, СПК. Различие в изложенных подходах заключается только в принципе формирования исходных данных для отдельных программных модулей. В процессе расчетов и моделирования никаких отличий между этими подходами нет, что говорит об универсальности созданного программного обеспечения. Если результаты моделирования динамики движения СПК по каким-либо причинам не удовлетворяют пользователя, он может попытаться изменить исходные данные для моделирования. Это действие отображено на рисунке стрелкой 4. В частности, пользователь может совершить следующие изменения: - геометрии судна; - инерционных характеристик судна; - геометрии положения крыльевых устройств относительно корпуса судна; - характеристик движителей; - характеристик приводов; - величины волнения моря; - алгоритмов управления. В случае, если подобными изменениями пользователю так и не удалось добиться удовлетворительных результатов моделирования, можно воспользоваться возможностью выбора другого крыльевого устройства (стрелка 5). К такой методике можно прибегнуть, например, если выбранное ранее крыльевое устройство не обеспечивало нужной подъемной силы, потребной устойчивости. Выбор из существующих крыльевых устройств целесообразно осуществлять по гидродинамическим характеристикам.
Оптимизация алгоритмов управления систем управления движением судов на подводных крыльях
В главе 3 было описано алгоритмическое обеспечение систем управления движением судов на подводных крыльях. На его основе было создано программное обеспечение. Произведем их оценку и верификацию.
Алгоритмы и алгоритмические процессы принято оценивать по следующим свойствам [83]: результативности; массовости; дискретности; детерминированности; самоуправляемости; альтернативности и эквивалентности; сложности; адекватности; ресурсоемкости. Результативный алгоритм должен реализовывать определенную целевую функцию X- Y за конечное число шагов (действий) или за конечный отрезок времени, где X - множество исходных данных, a Y - множество результатов выполнения данного задания. Разработанный алгоритм можно считать результативным, поскольку с его помощью выполнена формализованная задача разработки системы имитационного моделирования, сформулированная в главе 1. Существует множество исходных данных {xl...xn} из которого могут быть взяты исходные данные xt для инициализации алгоритмического процесса. Каждому набору xi исходных данных соответствует один вполне определенный результат . Однако, один и тот же результат может соответствовать нескольким наборам исходных данных. Это говорит о том, что разработанное алгоритмическое обеспечение обладает свойством массовости. Алгоритм состоит из отдельных действий, процедур или операций, связанных между собой определенными причинно следственными связями и т.о. обладает свойством дискретности. Он также является детерминированным, поскольку последовательность действий в алгоритмическом процессе точно определена заданным алгоритмом. Свойство адекватности алгоритма вытекает из требования изоморфности математической модели, на основе которой он построен. Это свойство также подтверждается верификацией программного обеспечения. Иначе говоря, соблюдена необходимая степень соответствия алгоритмического процесса (модели) реальному исходному процессу, являющемуся прообразом данного алгоритмического процесса. Самоуправляемость алгоритмического процесса характеризуется наличием в алгоритмическом процессе специальных действий, предназначенных для управления последовательностью функциональных действий (вычислительных, механических, информационных, и так далее), предназначенных для непосредственной реализации целевой функции X- Y. Разработанное алгоритмическое обеспечение несомненно обладает свойством самоуправляемости. Поскольку разработанный алгоритм не является единственным способом решения поставленных в главе 1 задач, данное алгоритмическое обеспечение можно назвать альтернативным. Сложностью алгоритмического процесса есть характеризуется многообразие действий, составляющих этот процесс, и структурных связей между ними. В главе 3 приведена лишь укрупненная структурная схема разработанного программного обеспечения. О его сложности говорит, например, количество учитываемых в математической модели параметров. Ресурсоемкость алгоритмического процесса оценивается величиной времени, необходимого на реализацию целевой функции X— Y и количеством затрачиваемых на это ресурсов (памяти, специальных устройств, математического обеспечения и т.д.). Ресурсоемкость разработанного алгоритмического обеспечения можно оценить по некоторым приведенным в Таблице 17 характеристикам разработанного программного обеспечения. Для проведения верификации алгоритмического и разработанного на его основе программного обеспечения необходимо проверить изоморфность этой модели по отношению к объекту, т.е. оценить изоморфность с/ж и S crof. Для этого необходимо проверить, действительно ли при отображении Воспользуемся протоколом испытаний реального СПК [71] и с помощью созданного программного обеспечения создадим модель данного судна. Моделирование будем проводить при тех же внешних возмущениях, при которых проводились испытания реального судна. Оценку степени соответствия модели реальному объекту будем проводить через проверку совпадения основных показателей .
