Математическое и алгоритмическое обеспечение систем автоматизированного управления мощными энергетическими установками транспортных объектов

Актуальность темы

исследований непосредственно связана с эффективностью транспортного процесса, которая зависит от многих факторов. Под ними понимается работа транспортных узлов (морские и речные порты, аэропорты), наличие систем управления движением, оснащение трасс техническими средствами навигации на современном уровне. Однако основным фактором является работа транспортных объектов.

Эффективность транспортных объектов определяется безопасностью движения, точностью выполнения расписания, количеством израсходованного топлива, затратами труда на управление, отрицательным минимальным воздействием на окружающую среду. Причем работа того или иного объекта на оптимальных значениях эксплуатационных характеристик зависит не только от степени автоматизации, от профессионализма экипажа, но и от внешних условий. Под внешними условиями будем понимать, например, метеорологическую обстановку, характеристики трасс, плотность движения.

С ростом численности транспортных объектов увеличивается плотность движения на трассах. В этой обстановке вопросы оптимального использования их связаны с организацией движения, с управлением режимами работы силовых энергетических установок, с решением задач безопасности движения, с осуществлением управления при проходе гидротехнических сооружений, взлете и посадке самолетов. Перечисленные задачи решаются как собственными системами объекта, так и несобственными (централизованными), которые располагаются вне транспортного средства. Их эффективное решение определяется уровнем развития математического, алгоритмического и программного обеспечения, современной технической базой.

Имеются достаточно удачные попытки организации движения некоторым рациональным образом на водном транспорте с помощью централизованных систем. К ним относится применение береговых радиолокационных станций для проводки судов по узким фарватерам (в портах г. г. С. Петербурга, Находки, Ильичевска, Мурманска). С помощью этих радиолокационных станций осуществляется автоматизированное управление движением, которое включает следующие основные операции: измерение координат каждого отдельного судна, контроль за его скоростью, предупреждение о встречных судах, выдача информации о наличии препятствий и рекомендаций об их преодолении.

В авиации осуществляется жесткая централизация управлением самолетами, включая взлет, посадку и движение по трассе на заданной высоте. Такими системами централизованного управления оборудованы практически все трассы полетов, как для гражданских, так и для военных самолетов.

Эти примеры показывают, что современной тенденцией развития управления подвижными объектами является использование централизованных систем управления. То есть систем, которые управляют сразу некоторой группой объектов. Управляющаяся и информационная часть таких систем является общей для данной совокупности объектов.

Централизованные системы обладают значительно большей разрешающей способностью, относительно меньшей стоимостью по сравнению с собственной системой объекта, предназначенной для подобных же целей. Однако данный тип систем может эффективно функционировать только при достаточном уровне развития собственных систем управления. В диссертации разрабатывается математическое и алгоритмическое обеспечение для этих двух типов систем. Математические модели, предлагаемые в данном исследовании, могут использоваться для проектирования систем управления расходом топлива в собственных системах и для разработки программ управления движением объекта по предлагаемым комплексным. критериям, которые могут успешно использоваться в централизованных системах. Поэтому создание математического и алгоритмического обеспечения для подобного класса систем на основе современных математических методов и аппаратурных решений является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке математического и алгоритмического обеспечения систем автоматизированного управления мощными энергетическими установками транспортных объектов для использования в централизованных и собственных системах с целью обеспечения энергосбережения.

Для выполнения этой цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Выполнить классификацию транспортных объектов по различным признакам и в частности по энергетическим характеристикам, лежащих в основе энергосбережения, а также произвести качественный и количественный анализ возможностей энергосбережения для плавающих и летающих объектов.

2. Разработать математическое и алгоритмическое обеспечение для получения управлений расходом топлива в динамике летающих и плавающих транспортных объектов по минимизации энергозатрат и времени перехода для использования в централизованных и собственных автоматизированных системах.

3. Разработать основы аппроксимации энергетических характеристик транспортных объектов с учетом условий эксплуатации с заданной сходимостью для последующего использования в разработке энергосберегающих управлений на основе аналитических методов.

4. Предложить программное обеспечение на основе нелинейного программирования для решения задач энергосбережения транспортных объектов различного типа и предназначения, выполнить тестирование и получить численные решения с оценками эффективности результатов управления.

Методы исследования. При решении данных задач использовались методы математического моделирования, основанные на теории больших систем, математический аппарат оптимизации и в частности принцип максимума и нелинейное программирование, теория автоматического и автоматизированного управления.

Научная новизна. Основными научными положениями являются: характеристики энергосбережения для двух типов транспортных объектов: плавающих и летающих, а также доказательство их идентичности и анализ возможностей использования для управления расходом топлива, методика аппроксимации энергетических характеристик как функции нескольких аргументов с заданной сходимостью, необходимая для численного решения задач энергосбережения, комплексные критерии управления и ограничения для минимизации энергозатрат транспортными объектами,.

— постановка и решение задач оптимизации для данных типов транспортных объектов в статике и динамике, алгоритмы оптимального управления энергетическими установками транспортных объектов, обеспечивающие минимизацию энергозатрат при заданном и свободном времени перехода.

Результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Методики и характеристики процесса энергосбережения для двух типов транспортных объектов: плавающих и летающих, а также доказательство идентичности этих характеристик,.

2. Способы численной аппроксимации энергетических характеристик как функции нескольких аргументов с заданной сходимостью, необходимой для численного решения задач энергосбережения с помощью аналитических методов,.

3. Комплексные критерии управления и ограничения для минимизации энергозатрат транспортными объектами,.

4. Формулировка и решение задач оптимизации для данных типов транспортных объектов в статике и динамике,.

5. Алгоритмы оптимального управления энергетическими установками транспортных объектов, обеспечивающие минимизацию энергозатрат при заданном и свободном времени перехода для использования в централизованных и собственных системах управления.

Практическая значимость исследований. Анализ характеристик энергозатрат для перемещения транспортных объектов, методики представления их в виде аналитических выражений позволил разработать экономичные режимы работы энергетических установок, программное обеспечение для их реализации, структурные схемы и алгоритмы необходимые при создании систем автоматизированного управления.

Реализация и внедрение результатов. Основные результаты работы использовались при проектировании систем управления энергосбережением для транспортных объектов в НПФ «Меридиан», ОАО «Техприбор», Волго-Балтийском и Волго-Донском водных путях России.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на одной международной научной конференции по наукоемким технологиям (г. Москва), всероссийской конференции (г. Санкт — Петербург), на отраслевых семинарах в СПГУВК, ОАО «Техприбор» и НПФ «Меридиан» (г. Санкт — Петербург), на секции по наукоемким технологиям Дома ученых им. М. Горького (г. СанктПетербург).

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 9 статьях и 2 тезисах докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка использованной литературы, работа содержит 150 страниц печатного текста, 46 рисунков.

В первой главе даются характеристики транспортного процесса, рассматриваются энергетические характеристики и возможности их аппроксимации для применения аналитических методов оптимизации.

Во второй главе на основе аппроксимации энергетических характеристик с заданной сходимостью производится разработка методики оптимизации энергозатрат на основе нелинейного программирования. Производится разработка программного обеспечения на платформе языка высокого уровня Visual Basic for Applications для решения задач оптимизации для установившегося режима движения.

В третьей главе на основе принципа максимума производится синтез линейных управлений расходом топлива по заданным критериям для апериодических объектов, объектов одним и с двумя интеграторами с фиксированным временем перехода. Данные управления рекомендованы для использования при проектировании конкретных систем на плавающих и летающих объектах.

В четвертой главе синтезируются управления при варьировании времени перехода объекта, что позволило предложить методики синтеза для вариантов использования транспортных средств при изменении расписания в процессе начавшегося движения.

В заключении приведены основные результаты исследований и рекомендации по их использованию.

Выводы по главе 4.

1. Рассмотрены и получены управления расходом топлива по комплексным критериям и в частности по критериям управления расходом топлива и временем перехода, обоснована исходя из физических принципов зависимость между временем перехода и расходом топлива.

2. Синтезированы управления при ограничении времени перехода объекта из одного состояния в другое.

3. Синтезированы управления минимизирующие линейную комбинацию времени перехода и расхода топлива, данные алгоритмы представлены в виде функциональных схем, на основе которых возможно создание конкретных систем автоматизированного управления.

Заключение

.

На основании проведенных исследования можно сделать следующие основные выводы:

1. Рассмотрены основные характеристики транспортного процесса, определены основные энергетические характеристики объектов и показана идентичность оптимизации для плавающих и летающих транспортных средств.

2. Предложена классификация транспортных объектов по различным признакам: по энергетическим установкам, движителям, параметрам внешней среда, по энергетическим характеристикам.

3. Предложены основы для аппроксимации энергетических характеристик транспортных объектов, основанные на полиномах п — порядка, доказано, исходя из точности аппроксимации, что достаточной степенью полинома является степень равная трем.

4. Разработано программное обеспечение для численной аппроксимации на основе языка Visual Basic for Applications.

5. Предложена методика применения нелинейного программирования для поиска оптимальных по расходу топлива управлений при различных значениях времени перехода и известных энергетических характеристик в виде полиномов третьей степени с заданной точностью аппроксимации.

6. Выполнены количественные исследования по реализации оптимальных программ управления в статике на основе использования аналитических методов и в частности нелинейного программирования, которые предназначены для использования в системах централизованного управления.

7. На основе принципа максимума разработаны линейные управления расходом топлива для линейных систем первого порядка с интегратором, что соответствует поступательному движению самолета и судна на трассах без изменения курсового угла с постоянным наперед заданным временем движения (перехода).

8. Разработаны линейные управления, когда объект представляет собой апериодическое звено или звенья аналогичные данному типу. Это соответствует безинерционной энергетической установки с инерционным корпусом объекта.

9. Предложены линейные управления, когда объект представляет собой объект с двумя интеграторами (с двойным интегрированием). Это соответствует движению объекта с контролем расхода топлива и времени движения, то есть происходит измерение расхода топлива и времени движения.

10. Рассмотрены и получены управления расходом топлива по комплексным критериям и в частности по критериям управления расходом топлива и временем перехода, обоснована, исходя из физических принципов, зависимость между временем перехода и расходом топлива.

11. Синтезированы управления при ограничении времени перехода объекта из одного состояния в другое.

12. Синтезированы управления минимизирующие линейную комбинацию времени перехода и расхода топлива, данные алгоритмы представлены в виде функциональных схем, на основе которых возможно создание конкретных систем автоматизированного управления.

Полученные научные результаты использованы для проектирования систем управления и автоматизированных информационных систем в НПФ «Меридиан» и ОАО «Техприбор», а также при создании систем автоматизированного управления движением судов на Волго-Балтийском и Волго-Донском водных путях России.