Математическая модель бурового судна как объекта управления динамическим позиционированием

• Автор: Устинов, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 234 с. : ил

АННОТАЦИЯ
Повышение обоснованности принятия предварительных проектных решений на начальных стадиях исследовательского проектирования систем динамического позиционирования (СДП) ставит задачу формирования математической модели неизменяемой части системы в условиях неполной и неточной информации.
В соответствии с поставленной задачей исследование развивается в двух взаимосвязанных направлениях.
Первое направление выявляет основные системотехнические принципы построения СДП. Разработана функционально-принципиальная схема системы, определены наиболее распространенные варианты реализации системы пропульсивных устройств, разработана функциональная схема измерительной подсистемы. Выполненные исследования позволили выявить возможные принципы управления и определить основные вычислительные операции главного алгоритма управления.
В соответствии со вторым направлением исследования разрабатывается математическая модель неизменяемой части СДП судна на ранних стадиях исследовательского проектирования. Рассмотрение основных этапов исследовательского проектирования системы, выбранный структурный подход и результаты исследований профильных научно-исследовательских институтов в области гидроаэродинамики буровых судов позволили разработать математическое описание объекта управления, управляющих и возмущающих воздействий.
Полученные результаты дали возможность разработать математическую модель неизменяемой части СДП и ее обобщенную структурную схему. Адекватность математической модели объекту моделирования подтверждена результатами имитационного моделирования на персональном компьютере в среде МАТЪАВ.
Выполненные исследования позволили разработать методику формирования математической модели судна, оборудованного СДП, на этапе исследовательского проектирования.
Результаты исследования могут быть использованы при разработке системы автоматизированного проектирования, а также непосредственно на этапе исследовательского проектирования СДП, что позволит снизить трудозатраты на разработку системы и повысить ее эффективность.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Г лава 1. Исследовательское проектирование судов с динамическими
принципами позиционирования
1.1. Основные понятия и определения
1.2. Обобщенная функциональная схема системы динамического позиционирования
1.3. Общие подходы к исследовательскому проектированию
системы динамического позиционирования
1.4. Средства измерения параметров управления позиционированием
1.5. Формирование главного алгоритма управления
в зависимости от полноты и точности измерения
переменных СОСТОЯНИЯ
Выводы по главе
Глава 2. Формирование главного алгоритма управления
динамическим позиционированием бурового судна
2.1. Формирование математической модели неизменяемой части системы управления
2.1.1. Общая форма уравнений динамики морского подвижного
объекта
2.1.2. Цели управления
2.1.3. Уравнения динамики бурового судна
2.1.4. Аналитическое описание ветро-волновых возмущений
- воздействие ветра на буровое судно
- воздействие течения на буровое судно
- воздействие волнения на буровое судно
- гидроаэродииамические силы вязкой природы,
вызванные движением судна
2.1.5. Аналитическое описание управляющих воздействий
- силы и моменты, обусловленные работой двухвальной
гребной установки
- силы и моменты, обусловленные работой пассивного
вертикального руля
- силы и моменты, создаваемые средствами активного
управления
2.1.6. Аналитическое описание реакции судна на работающий
буровой инструмент
2.1.7. Обобщенная структурная схема математической модели
неизменяемой части системы управления
2.2. Формирование законов управления позиционированием
бурового судна

2.3. Главный алгоритм управления позиционированием
бурового судна
2.4. Разработка рекомендаций по формированию математической модели бурового судна, оборудованного СДП, на этапе исследовательского проектирования
Выводы по главе
Глава 3. Экспериментальное исследование системы динамического
позиционирования бурового судна
3.1. Формирование математической модели неизменяемой части системы управления
3.2. Математическое описание реакции судна на внешние
возмущения
3.3. Математическое описание реакции судна на управляющие воздействия
3.4. Формирование критериев качества управления, законов управления и выбор структуры
главного алгоритма управления
3.5. Аналитическое конструирование регулятора
3.6. Формирование программного обеспечения
3.6.1. Выбор среды программирования
3.6.2. Выбор численного метода интегрирования
3.6.3. Имитационное модель в среде C++Builder 5
3.7. Численная оптимизация регулятора состояния
Выводы по главе
Заключение
Список использованной литературы
Приложение 1. Имитационное моделирование системы
динамического позиционирования в среде C++
Приложение 2. Численная оптимизация параметров регулятора
состояния в среде C++
Приложение 3. Акты практической реализации и внедрения научных
результатов диссертационной работы

известной скорости распространения звука и глубины определяется горизонтальная дальность.
По количеству и расположению маяков и приемников гидроакустических сигналов ГАНС различают:
- с длинной базой; с короткой базой;
- со сверхкороткой базой.
ГАНС с длинной базой состоит из трех (или более) генераторов гидроакустических сигналов (маяков), расположенных на дне моря и разнесенных на расстояние нескольких километров друг от друга (от 1 до 10 км). Обычно маяки расстановлены в вершинах равностороннего треугольника. Судно оснащено двумя горизонтально разнесенными приемниками, расстояние между которыми составляет около 10 м. Использование многоканальных импульсных маяков в ГАИС с длинной базой позволяет обслуживать одновременно несколько судов в районе действия маяков.
Некоторые характеристики зарубежных ГАИС представлены в табл. 5.
Таблица
Характеристики зарубежных ГАИС
Фирма - изготовитель, система Точность Частота запроса Частота ответа
Amer, ATNAV-I1 2-3 м 9 кГц, 11 кГц 7,5 кГц -5- 15 кГц
Ocean Research Equipment, M 6000 1 м 6 кГц 10 кГц ^ 12 кГц
ГАИС с короткой базой состоит всего из одного или нескольких маяков -ответчиков, а судно оснащено двумя или более гидрофонами, расстояние между которыми составляет 7 - 10 м, и генератором гидроакустических сигналов для формирования импульсов запроса. Принцип измерения - определение расстояния от гидрофонов до маяка с использованием разностно-дальномерного метода. Используя информацию о глубине моря и курсе судна, определяются координаты судна относительно маяка - ответчика. Точность измерения зависит от азимутального угла поступления сигнала на гидрофоны и быстро снижается с