Введение к работе
Актуальность проблемы. Технический прогресс во всех сферах деятельности человечества во многом зависит от объема добываемых энергетических и минеральных ресурсов. Истощение месторождений на суше привело к необходимости освоения Мирового океана — богатейшего источника нефти, газа, же-лезомарганцевых конкреций, других сырьевых ресурсов.
Освоение морских месторождений требует значительных и все более возрастающих капитальных и эксплуатационных расходов, соизмеримых с расходами на освоение космоса. Однако даже с учетом этого в ближайшие годы, по прогнозам специалистов, почти половина всего объема нефти и газа будет добываться со дна Мирового океана. В этой связи, несмотря на существующие экономические трудности, в России последовательно проводится курс на широкое развертывание комплексных исследований глубоководных районов и континентального шельфа Мирового океана, что невозможно без создания надежного, высокопроизводительного оборудования. Вследствие этого появились новые технические средства, в том числе морские подвижные объекты (МПО), такие, как буровые суда и плавучие буровые установки, научно-исследовательские суда, буксирующие за кормой аппаратуру на кабель-тросах большой протяженности, необитаемые буксируемые глубоководные аппараты, суда-трубоукладчики.
Эффективность эксплуатации перечисленных технических средств во многом зависит от качества решения таких задач управления движением, как стабилизация судов'-буксиров на заданной траектории, обеспечение движения буксируемых подводных аппаратов на заданном расстоянии от дна, стабилизация буровых судов и установок над устьем бурения. Одновременно требуется обеспечить безаварийную и высокоэффективную эксплуатацию дорогостоящей научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования.
При этом исключительную важность приобретает проблема подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров для управления МПО с помощью тренажеров и тренажеров—советчиков операторов. Известные зарубежные тренажерные комплексы (ТК) построены на основе фирменных вычислительных комплексов, поэтому сведения об аппаратной и программной реализации ТК носят в основном рекламный характер, являются секретом фирм-изготовителей.
Отечественными и зарубежными учеными накоплен значительный опыт в разработке систем управления движением традиционных морских подвижных объектов. Однако попытки непосредственно использовать известные методы и алгоритмы для решения новых задач часто не приносят желаемого результата. Это во многом связано с особенностями задач управления рассматриваемыми объектами, отсутствием удобных для использования в целях управления математических моделей новых видов МПО, недостаточной эффективностью традиционных методов оптимизации и алгоритмизации для комплексного решения задач управления МПО.
В этих условиях проблемы создания систем управления, разработки математических моделей, методов и алгоритмов управления, направленных на решение задач управления рассматриваемым классом МПО, разработки высококачественных и надежных средств контроля и обучения операторов-судоводителей весьма актуальны.
Эффект от использования разработанных методов и алгоритмов выражается в существенном повышении производительности научно-исследовательских и добычных работ на море, в снижении аварийности работы дорогостоящего оборудования, облегчении труда операторов и судоводителей, повышении достоверности результатов исследований Мирового океана.
Актуальность тематики подтверждается решениями всесоюзных и всероссийских совещаний по автоматизации процессов управления техническими средствами исследования Мирового океана, международных, 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" и др.
Цель работы. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке принципов, методов и алгоритмов функционирования систем управления и ТК морских подвижных объектов, характеризующихся большой протяженностью, нестационарностью характеристик, непостоянством критериев управления, существенной инерционностью, значительными ограничениями на переменные управления и состояния, большой вероятностью повреждения дорогостоящего оборудования в процессе эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
разработка принципов, методов и алгоритмов управления рассматриваемым классом МПО в условиях неполной контролируемости внешних возмущений, существенных ограничений на переменные управления и состояния, значительной инерционности управляемых процессов, непостоянства критериев качества управления;
разработка и исследование математических моделей класса МПО, включающего суда-буксиры научно-исследовательской аппаратуры, буровые суда и буксируемые подводные аппараты;
построение и исследование моделей сейсмографной косы, кабель-тросов буксируемых подводных аппаратов и магнитометров, буровых колонн, обеспечивающих возможность расчета статических и динамических параметров в реальном и ускоренном масштабах времени;
разработка методов и алгоритмов прогнозирования движения МПО, обеспечивающих безаварийную эксплуатацию бурового оборудования и научно-исследовательской аппаратуры большой протяженности;
разработка и исследование алгоритмов координатного оценивания навигационной информации для определения векторов текущего состояния управляемых МПО;
разработка алгоритмов адаптации моделей МПО, обеспечивающих высокое качество управления и прогнозирования при нестационарности характеристик управляемых процессов в условиях неконтролируемости внешних возмущений;
разработка, экспериментальное исследование и внедрение принципов, методов и алгоритмов управления для бортовых систем управления МПО и в составе тренажерных комплексов операторов МПО;
разработка требований к бортовым управляющим ЭВМ и вычислительным средствам тренажерных комплексов, обеспечивающим реализацию полученных алгоритмов управления, прогнозирования и обучения;
разработка структуры, принципов и алгоритмов функционирования тренажерных комплексов, включающих алгоритмы целенаправленного обучения операторов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, матричная алгебра, аппарат комплексных переменных, методы решения уравнений в частных производных, методы и аппарат теории динамического программирования, нечетких множеств и аналитического конструирования регуляторов, элементы теории оптимальной фильтрации, методы планирования эксперимента, методы возмущений и согласованных асимптотических разложений, цифровое моделирование.
Научная новизна и значимость работы определяется тем, что она дает новый универсальный для целого класса МПО подход к построению систем управления и тренажерных комплексов для подготовки и переподготовки операторов МПО. На основе системного подхода разработаны новые пути и методы решения ряда входящих в основную проблему самостоятельных задач, определяющих содержание выносимых на защиту положений и результатов, к основным из которых относятся:
обоснована целесообразность использования для комплексного решения задач управления МПО принципов управления с прогнозированием на "быстрых" моделях;
разработаны и исследованы математические модели движения протяженных элементов МПО, включающие модели сейсмографией косы, кабель-тросов буксируемых глубоководных аппаратов и магнитометров, буровых колонн, получены алгоритмы расчета статических и динамических характеристик в реальном и ускоренном масштабах времени;
получены и исследованы математические модели движения судов-буксиров в режиме стабилизации на траектории, буксируемых подводных аппаратов, движущихся на 'заданном расстоянии от дна, буровых судов в режиме стабилизации над устьем скважины, учитывающие влияние на них протяженных элементов МПО;
разработаны алгоритмы оперативной идентификации моделей МПО, обеспечивающие поддержание высокого качества управления в условиях нестационарности характеристик управляемых объектов и неконтролируемости внешних возмущений в процессе эксплуатации;
разработаны метод и алгоритмы цифрового квазиоптималыюго управления МПО, базирующиеся на принципах управления с прогнозированием по входу-выходу моделей с использованием процедуры динамического прогнозирования в ретроспективном времени и обеспечивающие высокое качество управления в условиях жестких ограничений на переменные управления и состояния при изменении критериев качества в процессе функционирования;
разработаны метод и алгоритмы ускоренного прогнозирования движения МПО, обеспечивающие снижение аварийности эксплуатации научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования в процессе изучения и освоения Мирового океана;
разработаны теоретические аспекты реализации метода управления с прогнозированием: установлена связь между интервалом коррекции управления, интервалом экстраполяции, дискретностью разбиения областей изменения переменных управления и состояния с качеством управления; определено оптимальное сочетание варьируемых параметров алгоритмов управления для каждого из рассматриваемых МПО;
разработаны принципы построения, структура и алгоритмы функционирования тренажерных комплексов и тренажеров—советчиков операторов, предназначенных для подготовки операторов к управлению МПО как в нормальных, так и в экстремальных условиях, контроля действий оператора в процессе проведения добычных и исследовательских работ на море.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты позволяют существенно поднять уровень автоматизации движения МПО в процессе изучения и освоения Мирового океана, повысить безопасность эксплуатации дорогостоящего добычного и исследовательского оборудования, обеспечить необходимый уровень подготовки и переподготовки операторов-судоводителей. Это подтверждается приведенными в диссертации примерами решения задач по определению характеристик МПО, фильтрации навигационной информации, адаптации систем управления, оптимизации управления, результатами натурных испытаний. Разработанные методы, алгоритмы и пакеты программ позволяют решать широкий круг задач, связанных с проектированием систем управления движением рассматриваемого класса МПО, создать основы инженерного расчета и реализации тренажерных комплексов и тренажеров—советчиков операторов МПО.
Разработанные в диссертации математические модели, адаптивные алгоритмы управления движением МПО, методы синтеза и проектирования цифровых прогнозирующих систем управления нашли практическое применение в инженерной практике ряда проектно-конструкторских организаций и производственных объединений геологии, газовой, нефтяной и электротехнической промышленности. Реализация предложенных в работе алгоритмов управления МПО приводит к повышению производительности труда, увеличению достоверности результатов морских исследований, снижению аварийности, служит основой для изготовления и внедрения тренажерных комплексов для операторов МПО.
Реализация и внедрение результатов. На основе разработанных алгоритмов реачизована система управления движением научно-исследовательских судов—буксиров сейсмографных кос и магнитометров. Она внедрена в составе первого отечественного навигационпо-гёофизического комплекса " МАРС" на судах "Академик Архангельский", "Исследователь" и "Север".
Алгоритмы управления положением буксируемого аппарата положены в основу при разработке автоматизированной системы управления комплексом для глубоководных исследований "МАРС-АБИССАЛЬ", в частности во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам освоения нефтяных и газовых ресурсов континентального шельфа (г. Москва).
Результаты работы использованы при проектировании технических средств подготовки операторов буровых судов на предприятиях нефтегазового комплекса России, в частности в АО "Нефтегазтехнология" (г. Мурманск).
Результаты исследований положены в основу реализации проекта N 19 Федеральной программы экономического и социального развития Республики Мордовия на 1996 — 2000 гг. "Центр тренажеростроения России для подготовки специалистов динамического и якорного позиционирования плавучих объектов разведки и добычи нефти и газа в континентальном шельфе Российской Федерации", использовались при подготовке операторов МПО во ВНИПИ "Морнефтегаз".
Принципы управления с прогнозированием положены в основу внедренной в ОАО "Лисма" (г. Саранск) системы управления разогревом и вытяжкой кварцевых труб на базе индукционных печей.
Математические модели буровых судов совместно с буровыми колоннами, структура и алгоритмы функционирования тренажерных комплексов нашли применение в департаменте "Морнефть" государственного предприятия "Роснефть" при выполнении совместных работ по созданию тренажеров для обучения, тренировки и отбора специалистов по системам динамического и якорного позиционирования.
Принципы построения и программное обеспечение тренажерных комплексов, предназначенных для подготовки операторов к управлению буровыми судами и судами-буксирами в аварийных и экстремальных условиях, использованы в разработках РАО "Газпром".
Результаты диссертационной работы широко используются в учебном процессе кафедр промышленной электроники и автоматизированных систем обработки информации и управления Мордовского госуниверситета и кафедры корабельных систем управления электроэнергетическими и вспомогательными установками Санкт-Петербургского электротехнического университета для лекционных, лабораторных и практических занятий по курсам "Промышленные цифровые системы управления и контроля", "Теория автоматического управления", "Методы математического моделирования", в курсовом и дипломном проектировании.
Основные положения, выносимые на защиту:
принципы, методы и алгоритмы квазиоптимального с прогнозированием управления МПО при значительных ограничениях на переменные управления и состояния, непостоянстве критериев качества управления;
математические модели движения сейсмографной косы, грузонесущих кабель-тросов магнитометров и буксируемых подводных аппаратов, буровых колонн;
алгоритмы расчета статических и динамических характеристик протяженной научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования в реальном и ускоренном масштабе времени;
математические модели судов-буксиров, буксируемых подводных аппаратов и буровых судов, учитывающие влияние на их динамические характеристики буксируемых и буксирующих элементов, добычного оборудования;
алгоритмы определения характеристик движения МПО в ускоренном и реальном масштабе времени;
алгоритмы оперативной идентификации моделей бурового судна, буксируемого подводного аппарата, судов—буксиров научно-исследовательской аппаратуры в режимах стабилизации;
— метод и алгоритмы прогнозирования движения МПО, обеспечиваю
щие возможность оценки безопасности выбранной стратегии управления как в
режиме стабилизации, так и при маневрировании;
определение рациональных соотношений параметров алгоритмов управления с прогнозированием, сочетающие обеспечение достаточного для проведения морских исследовательских и добычных работ качества управления с минимизацией ресурсов управляющей ЭВМ;
принципы построения, структура и алгоритмы функционирования тренажерных комплексов и тренажеров—советчиков операторов для рассматриваемого класса МПО.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (Ленинград, 1978); на 8-й Всесоюзной конференции по проблемам управления (Таллин, 1980); на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы научных исследований в области изучения Мирового океана" (Владивосток, 1982), на Межреспубликанской научной конференции "Модели выбора альтернатив в нечеткой среде" (Рига,1984); на 2-м Всесоюзном совещании "Высокопроизводительные вычислительные системы" (Батуми, 1984); на 5-й Всесоюзной научно-технической конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (Ленинград, 1985); на 5-м Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана" (Геленджик, 1985); на школе-семинаре "Повышение эффективности средств восприятия и обработки информации" (Пенза, 1985); на 8-й республиканской научно-практической конференции "Автоматизация производства и использова-
ниє средств вычислительной техники в народном хозяйстве" (Махачкала, 1985); на научно-технической конференции "Теория и практика проектирования РЭА" (Махачкала, 1985); на 6-м Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования Мирового океана" (Одесса, 1987); на Международной конференции "Автоматизация электроприводов и технических процессов" (Пловдив, 1987); на IV Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана" (Севастополь, 1983); на научно-технической конференции "Эффективность внедрения научно-технических разработок ученых МГУ им. Н. П. Огарева в производство" (Саранск, 1986); на Всесоюзной школе "Технические средства и методы исследования Мирового океана" (Геленджик, 1987); на 1, II международных научных конференциях "Методы и средства управления технологическими процессами" (Саранск, 1995, 1997); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), на Огаревских чтениях в МГУ им. Н. П. Огарева.
Публикации: Основные результаты диссертационной работы отражены в 75 печатных работах, включая монографию, в том числе в описаниях к 8 авторским свидетельствам на изобретения, в 8 отчетах о НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, включающей 312 наименований, и приложений. Объем работы составляет 422 страницы текста, она включает 57 рисунков и 15 таблиц, приложения на 102 страницах.
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
