Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Гаврилова Татьяна Ивановна. Моделирование и оптимизация характеристик управляемости водоизмещающих судов : дис. ... канд. техн. наук : 05.13.06 Н. Новгород, 2006 223 с. РГБ ОД, 61:07-5/653

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. Анализ управляемости речных водоизмешающих судов 19

1.1. Анализ статических и динамических характеристик управляемости речных

водоизмещающих судов 19

1.2. Анализ основных и обоснование дополнительных критериев оценки

управляемости 24

1.3, Оценка влияния внешней среды на значения показателей управляемости судов 34

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 39

Глава 2. Построение математических моделей показателей

управляемости судна 41

Введение 41

2,1. Расчет коэффициентов математической модели движения судна 43

2.2. Построение полиномиальных моделей первого порядка 60

2.3. Построение полиномиальных моделей второго порядка 64

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 67

Глава 3. Анализ зависимостей основных показателей управляемости

от главных размереыий 68

3.1. Анализ связи величины угловой скорости самопроизвольной циркуляции

судна с его главными размерениями , 68

3.2. Анализ связи величины угловой скорости циркуляции судна при рабочей

перекладке руля с его главными размерениями 70

3.3, Анализ связи величины критического угла перекладки руля судна с его

главными размерениями 72

3.4. Анализ изменения основных показателей управляемости при постоянном

значении угловой скорости самопроизвольной циркуляции судна 75

3,5, Линии равного уровня показателей управляемости в плоскости главных

размерений 78

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 80

Глава 4. поиск компромиссного решения в многокритериальной задаче

улучшения управляемости 81

Введение 81

4.1, Способ поиска компромисса путем совмещения линий равного уровня 82

4.2. Подход к решению многокритериальной задачи поиска компромисса путем

введения критериев оптимизации 84

4.3. Обоснование ограничений на частные критерии 89

4.4, Оценка области допустимых решений по каждому частному критерию 95

4.5. Обобщенные критерии. Отыскание оптимального решения в общей области

допустимых решений. Линии равных уровней обобщенных критериев 102

4,6. Сравнение характеристик управляемости базового и «улучшенного» судна 108

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112

ЛИТЕРАТУРА 113

ПРИЛОЖЕНИЯ 120

Приложение 1.Технические характеристики рассматриваемых речных

водоизмещающих судов 120

Приложение 2. Исходные тексты программных модулей 157

Приложение 3. Графики скорости развития процесса выхода на циркуляцию 211

Приложение 4, Акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный

процесс ВГАВТ 223

Введение к работе:

Современный уровень развития вычислительных средств таков, что позволяет программным путем решать многие проблемы, возникающие при автоматическом управлении движением объекта, в частности, речного водоизмещающего судна, по заданной траектории. Особенности объекта этого типа таковы, что авторулевой с классическим непрерывным алгоритмом управления - пропорционально-интегрально-дифференциальным - обеспечивает удовлетворительные показатели качества только при определенных внешних условиях - на тихой и глубокой воде. При ухудшении условий плавания качество управления, как автоматического, так и ручного, понижается : увеличивается амплитуда рыскания судна около заданного направления, возрастают количество и амплитуда перекладок руля [79, 84]. Это связано с тем, что водоизмещающее судно как объект управления обладает некоторыми особенностями, которые отражает характеристика управляемости - статическая характеристика по управлению со (а), которую Р.Я. Першиц предложил называть диаграммой управляемости, где со - угловая скорость поворота, а - угол перекладки руля. Диаграмма управляемости имеет нелинейный «S - образный» вид и меняет свою топологию при изменении внешних условий: 1) изменяется положение точки симметрии характеристики, т.е. смещаются нулевые значения угловой скорости поворота и управления; 2) возрастает величина критических перекладок руля ±акр, внутри которых реакция судна на изменение управления неоднозначна, т.е., «вытягивается» нелинейная «S - образная» часть харак-

теристики; 3) с ростом критических углов перекладки руля ±акр увеличивается фазовое пятно - область пониженной реакции на управление [79], что приводит к необходимости при управлении судном использовать значительные перекладки руля. Эти проблемы и являются причиной отключения авторулевых с классическим алгоритмом управления.

Для решения указанных проблем и расширения условий, при которых возможно использование авторулевого, в последние годы стали переходить к разработке интеллектуальных цифровых алгоритмов управления, которые учитывают особенности поведения объекта управления в различных условиях внешней среды и могут обеспечивать определенный экономический эффект в процессе эксплуатации. Но, как правило, такие интеллектуальные алгоритмы не являются универсальными, так как разрабатываются специально для конкретного объекта и выбранных для него органов управления.

Возможен другой подход к решению данной проблемы, который может позволить расширить условия использования авторулевых с непрерывными алгоритмами управления проектировать суда с улучшенной характеристикой управляемости: 1) уменьшенной зоной нелинейности (S - образной частью), то есть с уменьшенным критическим углом

перекладки руля акр; 2) увеличенной в допустимых пределах угловой скоростью самопроизвольного поворота при непереложенных рулях и увеличенной крутизной характеристики и, таким образом, улучшенной поворотливостью при управлениях в диапазоне обычных рабочих перекладок.

Российский Речной Регистр устанавливает требования не на все указанные параметры, то есть, не регламенти-

рует жестко вид диаграммы управляемости. Для безопасности судоходства Регистр требует от проектировщиков судов соблюдения ряда норм, обеспечивающих остойчивость, ходкость, непотопляемость, С 2004 года Регистр включил в Правила нормы, предъявляемые к маневренности судов и, в частности, к поворотливости и устойчивости на курсе. Так, в разделе 15 главы (части) 1 Правил классификации и постройки судов внутреннего плавания содержатся требования, предъявляемые к маневренности водоизмещающих самоходных грузовых судов длиной 40 м и более, а также для водоизмещающих пассажирских, разъездных (для перевозки не более 12 пассажиров) и судов специального назначения длиной 20 м и более. Судно признается отвечающим требованиям в отношении маневренности, если оно удовлетворяет критериям поворотливости, устойчивости на курсе, критерию управляемости при неработающих движителях и некоторым другим.

Под критерием поворотливости по Правилам Российского Речного Регистра понимают наименьший, полученный при максимально допустимой перекладке руля, относительный

диаметр установившейся циркуляции ц /)min (то есть отношение наименьшего возможного диаметра циркуляции A/miiw выполняемой судном на глубокой тихой воде при одинаковой до начала маневра и более не регулируемой частоте вращения всех гребных винтов, к длине судна L по конструктивной ватерлинии). Поворотливость считается удовлетворяющей требованиям Правил, если наименьший относительный диаметр установившейся циркуляции отвечает

условию {D /I)mil] <2 .

Наименьший относительный диаметр установившейся циркуляции связан с максимальной безразмерной угловой скоростью поворота судна соотношением

(А,/)т,„=2/Птях.

В Руководстве Р.006-2004 Российского Речного Регистра «Расчет маневренности и проведение натурных маневренных испытаний судов внутреннего и смешанного

плавания» значение 2тах находится как абсцисса точки пересечения двух кривых: характеристики корпуса Cvk{Cl)

и графика безразмерной поперечной силы ДРКС. Характеристика корпуса Сук(Сї) зависит от типа судна: в Руководстве различают грузовые и пассажирские суда, причем для последних учитывается, в каком диапазоне находится величина коэффициента общей полноты корпуса. Также характеристика корпуса зависит от отношений главных размерений BIT, TIL и угла дрейфа. Вид графика безразмерной поперечной силы ДРК зависит от типа движительно-рулевого комплекса («рули за открытыми гребными винтами», или «гребные винты в поворотных насадках» и «гребные винты в поворотных насадках и средний руль», или «рули за гребными винтами в насадках») , угла перекладки рулей, угла натекания воды на ДРК и некоторых других факторов.

Оценка устойчивости судна на курсе является несколько более сложной проблемой, т.к. практически все подвижные объекты, в том числе и водоизмещающие речные суда, при непереложенных рулях выходят на самопроизвольную циркуляцию с большим или меньшим радиусом, т.е. теоретически являются неустойчивыми на заданном направлении. Для таких объектов было введено

понятие эксплуатационной устойчивости [33], практический смысл которого заключается в ограничении числа перекладок руля в минуту. По новым Правилам Российского Речного Регистра устойчивость на курсе считается удовлетворительной, если диаметр установившейся самопроизвольной циркуляции {при нулевом угле перекладки руля) Z)jj0 составляет 10 длин судна или более.

На практике это выражается в том, что судно удерживается на заданном направлении не более чем 5 - 7 перекладками в минуту, что соответствует понятию эксплуатационной устойчивости.

Относительный диаметр установившейся циркуляции при нулевом угле перекладки рулей связан с безразмерной угловой скоростью соотношением

OVi)0 = 2/a0,

причем в упомянутом выше Руководстве значение !(, предлагается определять, аналогично Птах , графически.

Как уже было отмечено, требования Регистра не регламентируют вид диаграмм управляемости, в частности, не накладывают ограничения на величину критических управлений, крутизну характеристики и радиусы циркуляции при рабочих перекладках руля (5 - 7) . Также Регистр не устанавливает, за счет каких конструктивных параметров судна проектировщик будет выполнять требования на устойчивость и поворотливость. Известно, что существует зависимость указанных свойств управляемости от ряда факторов, и задача оценки маневренных качеств судна по его конструктивным характеристикам является весьма сложной задачей [5, 6, 21, 23, 52, 55].

Вопросам оценки управляемости, конструкции корпуса и движительно-рулевого комплекса посвящено достаточное количество работ, авторами которых являются: А.Щ. Ефремов , A.M. Васин, Я. И. Войткунский, А.Д. Гофман, В.М. Кор-чанов, Ю.М. Мастушкин, А.И. Немзер, В. Г. Павленко, А. Е . Пелевин, Р. Я. Першиц, А. А. Русецкий, Г. В. Соболев, К.В. Федяевский, Г.Э. Шлейер (Острецов) и др. Следует отметить также работы авторов Нижегородских вузов и организаций: А.Б. Ваганова, А.В. Васильева, В.А. Дементьева, А. В. Преображенского, Е. П. Роннова, Л. М. Рыжова, В. В. Са-таева, Н. Ф. Соларева, А. В. Соловьева, М. И. Фейгина, А.В, Чернышова, М.М. Чирковой, М. Г. Шмакова, В.М. Шмакова.

Обоснование выбора главных размерений при заданном водоизмещении судна проводят обычно из условия обеспечения мореходных качеств: уменьшения сопротивления воды и повышения скорости движения, обеспечения остойчивости и т.д. [58, 60]

Как следует из работ, посвященных теории и расчету управляемости судов, в том числе, судов внутреннего плавания, маневренные качества судна, его поворотливость в большой степени зависят от органов управления судном, то есть от типа ДРК (движительно-рулевого комплекса) , поэтому разработке данного вопроса посвящено множество исследований [8, 21, 22, 30, 45, 4 6, 49, 50, 53, 57, 72, 88]. Анализу связи «главные размерения -управляемость» уделено меньше внимания. Маневренность также зависит от таких параметров объекта управления, как отношения главных размерений BIT, TIL и LIB, коэффициент общей полноты корпуса судна, форма диаметральной плоскости, тип носовых и кормовых шпангоутов,

величина кормового подзора и других. В теоретическом плане оценить влияние многих из указанных факторов на управляемость возможно лишь качественно. В связи с этим величины гидродинамических сил и моментов для судов с разными конструктивными параметрами исследователи получали как в натурных экспериментах, так и в модельных испытаниях. Полученные в модельных испытаниях данные после проверки принципиальной возможности применения с соответствующими поправками к реальным судам также включались в «базу данных». Таким образом, был накоплен большой объем информации в виде графиков и номограмм, а также составлены некоторые аппроксимирующие выражения, пригодные для обработки с помощью вычислительной техники [21, 23, 70, 71]. Также, в виде графиков, имеются данные о коэффициентах присоединенных масс воды и присоединенного момента инерции, зависящих от соотношений главных размерений судна [21].

Оказалось, что в изученной литературе нет подробных обобщающих данных о степени влияния и аналитическом виде зависимости того или иного отношения главных размерений на управляемость судна, отсутствуют практические рекомендации по методике выбора параметров L, В и Т для достижения наилучшей управляемости.

В Руководстве Российского Речного Регистра Р.006-2004 обобщена имеющаяся теоретическая и экспериментальная информация и применен комплексный подход к определению поворотливости и устойчивости, учитывающий геометрию корпуса судна, характеристики взаимодействия ДРК с корпусом, безразмерную поперечную силу для четырех различных типов ДРКС. Однако рассмотренные способы

оценки поворотливости и устойчивости не позволяют оценить критические углы перекладки рулей и топологию областей пониженной управляемости, что весьма важно для улучшения работы авторулевых. Это обстоятельство можно отнести к недостаткам предложенной методики оценки управляемости судов.

Таким образом, проблема оценки влияния главных раз-мерений корпуса судна на его управляемость, в том числе, при рабочих перекладках, на значения критических углов перекладки рулей не решена и является актуальной.

Целью работы является разработка методов оценки влияния конструктивных параметров (факторов) судна: ширины - В, осадки - Т, коэффициента полноты корпуса - S при заданной длине L, на его управляемость.

Достижение поставленной цели требует рассмотрения следующих задач:

выбор и обоснование частных критериев оценки управляемости судна;

- определение областей допустимого изменения этих
критериев;

разработка математических моделей, связывающих частные критерии с факторами - главными размерениями судна Л и Г, а также коэффициентом полноты водоизмещения S;

постановка многокритериальной задачи улучшения показателей управляемости судна;

- разработка методики поиска квазиоптимальных зна
чений факторов, обеспечивающих нахождение величины кри
териев в некоторой заданной области.

Научная новизна работы состоит в следующих резуль-татах:

  1. Введены и обоснованы частные и обобщенные статические и динамические показатели управляемости судна, обоснованы области их допустимого варьирования;

  2. Построены математические модели, связывающие показатели качества с главными размерениями судна;

  3. Определена область безопасного допустимого варьирования главных размерений судна, внутри которой показатели управляемости удовлетворяют наложенным на них требованиям.

Значимость результатов работы для теории и практики. Полученные результаты и методики могут быть использованы при проектировании судов для обеспечения норм управляемости, установленных Российским Речным Регистром, и расширения диапазона состояний внешней среды, допускающих управление судном авторулевым. Результаты работы дополняют имеющуюся научную информацию о влиянии геометрических характеристик корпуса судна на его управляемость. Возможно использование дополнительных новых динамических показателей управляемости для более полной оценки маневренных качеств эксплуатирующихся судов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических форумах:

научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ «Транспорт - XXI век» (г. Нижний Новгород, 2003 г.);

на научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья» (г. Нижний Новгород, 2003 г.);

на XXX Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В. А. Трапезникова (г. Санкт-Петербург, 2003 г.) ;

на VI Международном конгрессе по математическому моделированию, ННГУ (г. Нижний Новгород, 2004 г.);

на XXXI Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (г. Адлер, 2004 г.);

- на IV Международной конференции «Идентификация
систем и задачи управления», SICPRO'OS, ИПУ РАН им.
В.А. Трапезникова (Москва, 2005 г.);

на конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (г. Нижний Новгород, 2005 г.);

на международном научно-промышленном Форуме «Великие реки-2006» (г. Нижний Новгород, 2006 г.);

на XXXIII Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (г. Анапа, 2006 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 4 приложений; содержит 112 страниц основного текста, 53 рисунка и список литературы из 92 наименований.

Во введении выполняется общий анализ проблемы, обосновывается актуальность исследований, формулируется цель работы, раскрывается научная и практическая значимость полученных результатов. Проводится краткий обзор

научной литературы по темам, связанным с проблематикой диссертации. Дается аннотированный обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе (Анализ управляемости речных водоизмещающих судов) проводится анализ управляемости некоторых речных водоизмещающих судов. Управляемость любого подвижного объекта, в том числе и судна, определяется поворотливостью и устойчивостью направления его движения.

Проверяется выполнение требований Регистра для ряда речных водоизмещающих судов: т/х «Леонид Соболев» (проект 302), т/х «Юрий Долгорукий» (проект 588), т/х «Яков Свердлов» (проект 26-37), танкер «Волгонефть-71» (проект 558) и для гипотетического судна, данные по которому приводятся в справочнике по теории корабля под редакцией Я. И. Войткунского.

Исследования проводились с использованием математической модели [21], полученной в предположении постоянства скорости поступательного движения судна в условиях глубокой спокойной воды.

Анализ показал, что все суда удовлетворяют требованиям Регистра на устойчивость с большим запасом, и только одно судно удовлетворяет требованию поворотливости. В главе 1 показано, что суда, не удовлетворяющие требованию Регистра по поворотливости, могут реагировать на управляющее воздействие значительно быстрее, чем суда, удовлетворяющие требованиям (например т/х «Л. Соболев», танкер «Волгонефть-72») . Аналогичное явление наблюдается и при оценке устойчивости судна на курсе: у судов, имеющих меньший запас по устойчивости, процесс

выхода на самопроизвольную циркуляцию может развиваться медленно.

Также в первой главе проанализировано влияние внешней среды на вид диаграммы управляемости судна. Показано, что статическая характеристика по управляющему воздействию не только «плавает» при изменении внешней среды, но и меняет свой вид, что показывает нестабильность свойств объекта.

Для оценки этих явлений предложено ввести дополнительные показатели управляемости.

К основным показателям, на которые накладываются требования Речного Регистра - 0 и Фтях, предлагается ввести дополнительные: а - критический угол перекладки

руля, характеризующий величину «S-образной» области неоднозначной реакции объекта на управление; &р - установившееся значение скорости циркуляции при а = аР; С0(О -

скорость развития процесса выхода на самопроизвольную циркуляцию и С (if) -скорость, характеризующая быстроту

реакции объекта на рабочую перекладку а = аР.

Во второй главе (Построение математических моделей показателей управляемости судна) предложена методика построения полиномиальных моделей первого и второго порядка, связывающих показатели управляемости с главными размере-ниями судна, а также получены сами модели, Проведен сравнительный анализ дисперсий для линейной и квадратичной моделей, показавший, что лучшее приближение дают модели второго порядка.

В третьей главе (Анализ зависимостей основных показателей

управляемости от главных размерении) подтверждается факт, что

f с улучшением устойчивости (уменьшением 0)0) ухудшается

поворотливость судна (уменьшается соР). В процессе анализа способов представления результатов расчетов, обнаружилось , что общепринятое в кораблестроении построение показателей Y не от факторов X, а от их соотношений, в данном случае BIT, является менее информативным, чем предложенное в работе. Показано, что для рассматриваемого гипотетического судна, удовлетворяющего требованиям Регистра по устойчивости, можно увеличить показатель поворотливости за счет смещения В и Т от базовых значений в сторону увеличения осадки и уменьшения ширины.

Показана тенденция изменения свойств управляемости в зависимости от коэффициента полноты водоизмещения судна.

Показана возможность постановки задачи поиска компромисса между тремя показателями управляемости ю0, 0)Р

В четвертой главе (Поиск компромиссного решения в многокритериальной задаче улучшения управляемости) решается задача поиска компромисса между показателями управляемости. Рассматривается два подхода к решению задачи.

Первый подход состоит в построении линий равных уровней показателей управляемости о>0, аяр и соР на плоскости В

- Т. Предлагается выбирать возможные сочетания главных размерении Т и В, руководствуясь предложенным графиком линий равного уровня, по усмотрению проектировщика.

Второй подход состоит в решении задачи поиска максимума обобщенного критерия, как некоторой комбинации частных. Вводятся обобщенные критерии оптимизации. Обосновываются допустимые области изменения каждого частного критерия и область сочетания главных размерений В и Т, общая для всех частных критериев.

В найденной области построены линии равного уровня для обобщенного критерия и определены квазиоптимальные значения главных размерений В и Т, обеспечивающие его максимум. Показано, что для рассматриваемого гипотетического судна можно улучшить свойства управляемости.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложениях приведены;

технические характеристики рассматриваемых судов;

тексты программ, разработанных для решения поставленных задач, и таблицы, сформированные с помощью вычислительных возможностей табличного процессора MS Excel;

графики скорости развития процесса выхода на циркуляцию, полученные для ряда водоизмещающих судов;

акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс Волжской государственной академии водного транспорта;

На защиту выносятся.

* 1. Частные и обобщенные статические и динамические
показатели управляемости судна.

2. Математические модели, связывающие показатели
управляемости с главными размерениями судна.

3. Способ определения области безопасного допустимого варьирования главных размерений судна.

4. Способы представления зависимостей показателей управляемости от главных размерений.

5. Методика оценки возможности улучшения показателей управляемости проектируемого судна по сравнению с судном-прототипом.

Подобные работы
Шергин Евгений Александрович
Объектно-ориентированное моделирование систем управления технологическим процессом шлюзования судов
Култаев Беркин Баянгалиевич
Математическое моделирование, оптимизация, управление и диагностика воздушного конденсатора паросиловой установки
Точка Владимир Николаевич
Математическое моделирование и оптимизация технологических режимов производства активированного угля (На примере установки МИДАС-250)
Семенова Елена Георгиевна
Методология алгоритмизации управления и моделирования процессов оптимизации конструкторско-технологических параметров бортовых комплексов
Васецкий Виктор Витальевич
Моделирование и оптимизация диспетчерского управления многостадийным вагоноремонтным производством
Яшин Евгений Николаевич
Моделирование и оптимизация режимов многозонных электрических печей
Копейкин Дмитрий Викторович
Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы для проектирования и совершенствования отбельных установок
Проснева Марина Кузьминична
Повышение производительности функционирования автоматизированных технологических систем путем моделирования и оптимизации технических решений
Ломаш Дмитрий Алексеевич
Автоматизация взаимодействия железной дороги и морского порта на основе мультиагентной оптимизации и имитационного моделирования
Илюхин Андрей Владимирович
Автоматизация технологического процесса приготовления компонентов радиопоглощающего бетона с оптимизацией по электрофизическим характеристикам электропроводной фазы

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net