Теоретические основы управления крупнотоннажными судами по критериям безопасности и энергосбережения

• Автор: Кондратьев, Сергей Иванович
• Шифр специальности: 05.22.19
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Новороссийск
• Количество страниц: 280 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУДОВ КАК ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ.

1.1.Классификация математических моделей

маневрирующих судов.

1.1.1 Области применения математических моделей маневрирующих судов

1.1.2 Моделирование динамических параметров

1.1.3 Учет воздействия случайных факторов

1.1.4 Алгоритмическая структура модели.

1.1.5 Размерность моделей

1.2.Основные принципы оптимизации математических

моделей.
1.2.1 Адекватность модели
1.2.2 Конструктивность системы.
1.2.3 Дискретность модели
1.2.4 Эффективность вычислительного процесса.
1.2.5 Локальная или глобальная управляемость.
1.3.Общая характеристика методов разработки моделей
динамики судов
1.3.1 Основные алгоритмы построения моделей судов
1.3.2 Требования к моделям судов в задачах синтеза управлений.
1.3.3 Характеристика алгоритмов построения математических моделей судов для решения задач синтеза
1.4.Общие дифференциальные уравнения трехмерного
движения судна
1.4.1 Структура общей системы дифференциальных уравнений.
1.4.2 Уравнения движения судна.
1.4.3 Гидростатические силы и силы веса
1.4.4 Гидродинамические силы, действующие на подводную часть корпуса судна
1.4.5 Аэродинамические силы, приложенные к
надводной части судна.
1.4.6 Силы, приложенные к винторулевому комплексу
1.4.7 Взаимодействие винторулевого комплекса с
корпусом судна
1.4.8 Силы гидродинамического взаимодействия между судами.
1.4.9 Силы гидродинамического контакта с бровками
1.4. Кинематические соотношения
1.5.Моделирование управления судном.
1.5.1 .Основные дифференциальные уравнения,
характеризующие работу органов управления судном .
1.5.2.Ручное управление
1.5.3. Автоматическое управление.
1.6.Моделирование воздействия гидрометеорологических факторов.
1.6.1. Алгоритм учета нерегулярного волнения.
1.6.2. Воздействие на судно уклона водной поверхности
и течения.
1.6.3.Влияние ветра на судно.
1.7.Методы подготовки баз данных для математической модели движения судна
1.7.1 Использование результатов измерения сил на модели конкретного судна в гидродинамических лабораториях.
1.7.2 Применение систематизированных результатов измерения сил в гидродинамических лабораториях
1.7.3 Подбор констант для кинематических моделей.
1.7.4 Идентификация гидродинамических сил но результатам натурных испытаний.
Выводы.
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ФОРМУЛИРОВКИ И МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПРОГРАММНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ СУДОВ ПРИ СУЩЕСТВЕННЫХ ОГРАНИЧЕНИЯХ
2.1.Принцип разделения проблем синтеза программных и стабилизирующих управлений судами .
2.1.1.Общая характеристика принципа разделения
2.2.Синтез программных движений судов в иредпортовых акваториях.
2.2.1. Постановка задач синтеза программных
траекторий.
2.2.2. Математические формулировки задач синтеза программных траекторий
2.2.3.0 методах решения задач синтеза траекторий
2.3.Математическая формулировка проблемы синтеза программных движений судов в портовых акваториях
2.3.1.Постановка проблемы синтеза.
2.3.2.Математические формулировки проблемы синтеза
2.3.3.Методы решения задач синтеза
2.4. Синтез программных траекторий обобщенным траекторноаппроксимационным методом.
2.5. Синтез программных траекторий проекционным
методом
2.6. Синтез программных траекторий методом динамического программирования.
2.6.1. Математическая формулировка задачи для сеточной
модели траектории.
2.6.2. Вычислительный алгоритм динамического программирования
2.6.3. Анализ дополнительных вариантов формулировки задачи
Выводы.
3. СИНТЕЗ УПРАВЛЕНИЙ ДЛЯ СТАБИЛИЗИЦИИ СУДОВ
НА ПРОГРАММНЫХ ТРАЕКТОРИЯХ.
3.1. Анализ задач и методов синтеза стабилизирующих управлений.
3.1.1. Общая характеристика методов
3.2. Математические модели судов для синтеза стабилизирующих управлений.
3.2.2. Качественная характеристика методов стабилизации.
3.3. Синтез интервальнооптимальных систем стабилизации судов
3.3.1. Математическая формулировка задачи
интервальнооптимальной стабилизации судов
3.4. Методы вычисления интервальнооптимальных стабилизирующих управлений судами
3.5. Анализ устойчивости систем стабилизации судов на программных траекториях
Выводы.
4. ВОПРОСЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ.
4.1. Общая характеристика проблем реализации .
4.2. Математические модели судов для задач идентификации параметров
4.3. Линейные статистические оценки параметров моделей судов.
4.4. Линейные статистические оценки координат состояния судов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Во втором разделе дан анализ подходов к синтезу оптимальных программных траекторий движения судов при ограничениях, вносимых акваториями портов, и на подходах к ним. Задачи синтеза программных траекторий формулируются на основе постановок задач управления движением вне и внутри портов. При синтезе программных движений судов внутри порта возникает необходимость формулировки и решения оптимизационных задач с невыпуклой областью ограничений. Основу методов синтеза программных траекторий в этой ситуации составляют методы решения невыпуклых задач минимизации функционалов и метод динамического программирования, позволяющие получить решения для случая невыпуклых областей, которым принадлежат допустимые траектории судов. При этом выделен ряд проблем. Проблемы, связанные с синтезом траектории входа в порт, решаются на основе программирования оптимальной траектории движения в выпуклой допустимой области. Программирование оптимальной траектории сводится к экстремальной задаче, заданной в выпуклой области. Проблема, соответствующая программированию движения при выходе судна из порта, аналогична проблеме, описанной выше. Проблема программирования траекторий движения судов внутри порта сведена к экстремальной задаче в невыпуклой допустимой области, поскольку стоящие в порту на якорях суда и 1раницы береговой линии определяют характер невыпуклости допустимой области. Предложены решения, базирующиеся на методах штрафных функций, проецирования исходных траекторий и динамического программирования, обеспечивающие оптимальные или рациональные программные траектории. В третьем разделе анализируются классические подходы к синтезу стабилизирующих воздействий для движений управляемых судов на программных траекториях. Выполнен анализ методов модального, оптимального и локальнооптимального управления. Предложены решения задач стабилизации судна на курсе и обеспечения заданной поворотливости. Предложен интервальнооптимизационный подход, прогнозирующий динамику судов с учетом ограничений по устойчивости на курсе траектории, поворотливости судна, на ресурсы управления. Исследована устойчивость замкнутых систем управления программным движением судов в форме достаточных оценок. Проблема синтеза стабилизирующих управлений судами решена на основе раздельного синтеза программных и стабилизирующих воздействий и использования обобщений методов стабилизации в форме интервальнооптимальных процедур стабилизации. Для синтеза управлений разработаны модели судов в форме вход состояние выход, описывающие динамику судов в дискретном времени. Исходными моделями являются полные системы дифференциальных уравнений судов, разработанные в разделе 1. Для вычисления управлений используются линеаризованные, кусочнолинейные и кусочноквадратичные дифференциальные уравнения. Показано, что минимизация заданных на конечном интервале времени функционалов на целевых множествах приводит к задачам математического программирования относительно прогнозируемых координат и управлений. Эти задачи должны решаться в процессе работы системы по мере поступления текущей информации, что характерно для управления с совмещенным синтезом. Применение аналитических процедур для задач, связанных с синтезом управлений, позволит эффективно получать решения экстремальных задач для приближенного описания алгоритмически заданных обратных связей. Для синтеза построены модели замкнутых систем и исследована их устойчивость методами теории устойчивости или нелинейного анализа. В четвертом разделе рассмотрены вопросы реализации алгоритмов, связанные с созданием математических моделей судов, адекватных сформулированным целям и задачам управления. Рекомендован ряд алгоритмов статистического оценивания параметров и координат состояний судов для управления в режимах входавыхода из акватории порта и движения в порту на основе разработанных методов синтеза. Рассмотрены вопросы построения этих алгоритмов для статистического оценивания координат состояния и параметров линеаризованных моделей по результатам текущих измерений при различной информации о действующих помехах. Рл массовая плотность воздуха, т м3 и коэффициент кинематической вязкости, м2с. ЦТ судна, рад.