Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время темпы развития технического прогресса всех отраслей промышленности в значительной степени определяются существующими запасами и приростом энергетических и минеральных ресурсов. Решающую роль в современной энергетике (более 70%) мирового потребления играет добыча нефти и газа.
Добыча нефти и газа, разведка новых нефтяных и газовых месторождений стали актуальной проблемой современности. Богатейшим источником нефти, газа и других сырьевых ресурсов является Мировой океан. Вопросам создания технических средств для изучения и освоения Мирового океана во всем мире продолжает уделяться большое внимание, особенно разработке его сырьевых и минеральных ресурсов, в первую очередь - добыче нефти из морских месторождений. По прогнозам специалистов, к концу 90-х г.г. нашего столетия ежегодный объем добычи нефти в море составит существенно более 100 млн.т., а ее доля в общем производстве увеличится до 40%-5О%.
Освоение морских месторождений нефти и газа, как правило, связано со значительно большими затратами, чем на суше. Однако, несмотря на значительный и все более возрастающий уровень капитальных затрат и эксплуатационных расходов при морской добыче нефти и газа (соизмеримых с расходами на освоение космоса), на начало следующего столетия около половины всего объема нефти и газа будет, по прогнозам специалистов, добываться со дна Мирового океана.
В соответствии с программами развития нефтегазового комплекса в России последовательно проводится курс широкого развертывания комплексных исследований Мирового океана и континентального шельфа, поставлена задача создания качественного, высокопроизводительного оборудования морских исследований.
Одним из наиболее эффективных технических средств для проведения обширного комплекса исследований, включая разведочное бурение на глубинах до 5000 м, являются буровые суда (БС). Широкий диапазон использования БС в открытых акваториях морей и океанов требует его продолжительной стабилизации в заданном местоположении над устьем бу-
рения. Наиболее перспективным вариантом решения задачи стабилизации БС является построение автоматизированных систем динамической стабилизации (СДС) на основе использования современных средств компьютерной техники.
При проведении операций морского бурения на больших (более 1000 м) глубинах остро встает вопрос обеспечения безопасности бурового комплекса. Это связано с большой протяженностью буровой колонны, сложностью прогнозирования будущего положения бурового комплекса, что может привести к аварийной ситуации. Автоматизация процесса управления положением БС позволяет исключить субъективные ошибки оператора при управлении, уменьшить вероятность аварии за счет прогнозирования будущего положения бурового комплекса на модели процесса.
Остро стоит также вопрос подготовки и переподготовки высококва-лифицированнных кадров для проведения морского бурения. Для решения указанной проблемы необходимо использовать тренажеры и тренажеры-советчики оператора, являющиеся неотъемлемой составной частью автоматизированной СДС БС.
Построение тренажерных комплексов для подготовки операторов БС сопряжено с трудностями, вызванными нелинейностью и многосвяз-ностью математических моделей БС и бурового оборудования, наличием неконтролируемых внешних возмущений. Указанные трудности осложняются также тем, что управление осуществляется в условиях нестационарности характеристик БС, существенных ограничений на переменные состояния и управления.
Известные отечественные и зарубежные БС оснащены системами динамической стабилизации, построенными на основе фирменных вычислительных комплексов. За рубежом также существуют специализированные тренажеры для подготовки операторов буровых установок. Однако сведения об аппаратной и программной реализации СДС и тренажеров носят в основном ознакомительный, рекламный характер и являются секретом фирм-изготовителей.
Учитывая значительную трудоемкость технологии морского бурения, высокую стоимость бурового оборудования, сложные взаимосвязи динамических процессов управляемой системы и внешних воздействий, можно сделать вывод, что создание высококачественных и надежных
средств коїпроля и обучения операторов морского бурения является акту
альной и сложной технической задачей. ,
Цель работы: Целью диссертационной работы является разработка принципов построения, алгоритмов функционирования и технических средств тренажеров для подготовки операторов БС. D соответствии с этим в работе решаются следующие задачи:
- разработка математического описания процесса движения бурово
го комплекса, рационального с точки зрения реализации модели процесса
на тренажере;
і - разработка алгоритмов управления моделью процесса;
- разработка структуры и алгоритмов функционирования тренажера
оператора БС; определение состава и параметров средств вычислительной
техники для реализации тренажера;
- исследование разработанных алгоритмов методами матемашче-
ского моделирования с применением компьютерной техники.
Методы исследования. В диссертационной работе использовались элементы математического анализа и матричной алгебры, методы и аппарат теории динамического программирования, нечетких множеств и аналитического конструирования регуляторов, а также численные и другие методы математических вычислений.
Новые научные результаты. В процессе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:
математическое описание процесса движения бурового комплекса, рациональное с точки зрения анализа и синтеза системы управления БС, включающее математические модели БС;
алгоритм управления положением БС в процессе динамической стабилизации над устьем бурения с учетом нестационарности характеристик, ограничений на переменные состояния и управления в условиях неконтролируемых внешних возмущений при неполной навигационной информации;
структура тренажера и тренажера-советчика оператору БС, позволяющие контролировать действия оператора при проведении буровых работ, в экстремальных ситуациях, осуществлять отработку навыков управления;
- алгоритм построения областей допустимых значений переменных
состояния БС, позволяющий ускорить процедуру поиска оптимальных
управлений.
Практическая ценность. Показана возможность и пути построения бортовых и береговых тренажеров операторов операторов БС. Разработан комплекс программ на для реализации модели процесса в составе тренажерного комплекса:
полученная модель процесса движения бурового комплекса может быть использована для прогнозирования будущих положений БС и буровой колонны в целях проверки безопасности выполняемых маневров, а также для моделирования на компьютере при исследовании динамических и статических характеристик управляемой системы;
предложенная структура и алгоритмы функционирования тренажера могут быть взяты за основу при проектировании бортовых и береговых тренажерных комплексов оператора буровых судов;
разработан комплекс программ для математического моделирования процесса управления буровым комплексом и имитации процессов движения управляемой системы.
Реализация в промышленности. Исследования, выполненные в диссертационной работе, являются составной частью госбюджетной научно-исследовательской работы, выполняемой на кафедре промышленной электроники Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева в соответствии с договором о научно-техническом сотрудничестве с ВНИПИ Морнефтегаз, а также включены в проект № 19 "Центр тренажеростроения России для подготовки специалистов динамического и якорного позиционирования плавучих объектов разведки и добычи нефти и газа в континентальном шельфе Российской Федерации" "Федеральной Программы экономического и социального развития Республики Мордовия на 1996-2000 гг.".
Полученные в работе результаты использованы при проектировании технических средств подготовки операторов буровых судов на предприятиях нефтегазового комплекса России.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно- технических конференциях (Огаревские чтения) профессорско-преподавательского состава Мордов-
ского государственного университета им. М.П.Огарева в 1984-1996 гг.; на семинаре профессора Е.В.Воскресенского по прикладной математике (Саранск, 1977г.); V Всесоюзной научно-технической конференции «Технические средства изучения и освоения Мирового океана» (Океанотехника-85), Ленинград, сентябрь 1985 г.; V координационном совещании. Геленджик, октябрь 1985 г.; научно-технической конференции молодых ученых, Дагестан, 1987 г.; VI Всесоюзном совещании «Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана», Одесса, октябрь 1987 г.; включены в качестве отдельных глав в отчеты по НИР, выполненных на кафедре промышленной электроники Мордовского государственного университета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 2 депонированы в ведомственных научно-технических сборниках.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 22 страницы с рисунками и 8 таблиц, список литературы включает 115 наименований.