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:

Устинов Алексей Александрович. Математическая модель бурового судна как объекта управления динамическим позиционированием : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06.- Санкт-Петербург, 2003.- 234 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/3110-7

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

Глава 1. Исследовательское проектирование судов с динамическими

принципами позиционирования 12

  1. Основные понятия и определения 12

  2. Обобщенная функциональная схема системы динамического позиционирования 20

  3. Общие подходы к исследовательскому проектированию

системы динамического позиционирования 24

  1. Средства измерения параметров управления позиционированием 33

  2. Формирование главного алгоритма управления

в зависимости от полноты и точности измерения

переменных состояния 46

Выводы по главе 58

Глава 2. Формирование главного алгоритма управления

динамическим позиционированием бурового судна 60

2.1. Формирование математической модели неизменяемой части
системы управления 64

  1. Общая форма уравнений динамики морского подвижного объекта 64

  2. Цели управления 69

  3. Уравнения динамики бурового судна 73

  4. Аналитическое описание ветро-волновых возмущений 77

воздействие ветра на буровое судно 78

воздействие течения на буровое судно 82

воздействие волнения на буровое судно 84

гидроаэродинамические силы вязкой природы,

вызванные движением судна 89

2.1.5. Аналитическое описание управляющих воздействий 91

- силы и моменты, обусловленные работой двухвальной

гребной установки 96

силы и моменты, обусловленные работой пассивного вертикального руля 98

силы и моменты, создаваемые средствами активного управления 100

  1. Аналитическое описание реакции судна на работающий буровой инструмент 103

  2. Обобщенная структурная схема математической модели неизменяемой части системы управления 106

2.2. Формирование законов управления позиционированием

бурового судна 111

2.3. Главный алгоритм управления позиционированием

бурового судна 113

2.4. Разработка рекомендаций по формированию математической
модели бурового судна, оборудованного СДП, на этапе
исследовательского проектирования 122

Выводы по главе 127

Глава 3. Экспериментальное исследование системы динамического

позиционирования бурового судна 130

  1. Формирование математической модели неизменяемой части системы управления 133

  2. Математическое описание реакции судна на внешние

возмущения 136

  1. Математическое описание реакции судна на управляющие воздействия 158

  2. Формирование критериев качества управления, законов управления и выбор структуры

главного алгоритма управления 166

  1. Аналитическое конструирование регулятора 169

  2. Формирование программного обеспечения 173

  1. Выбор среды программирования 173

  2. Выбор численного метода интегрирования 175

  3. Имитационное модель в среде C++ Builder 5 179

3.7. Численная оптимизация регулятора состояния 183

Выводы по главе 192

Заключение 194

Список использованной литературы 196

Приложение 1. Имитационное моделирование системы

динамического позиционирования в среде C++ 202

Приложение 2. Численная оптимизация параметров регулятора

состояния в среде C++ 216

Приложение 3. Акты практической реализации и внедрения научных

результатов диссертационной работы 231

Введение к работе:

Увеличение объемов добычи полезных ископаемых ставит задачу освоения новых нефтегазовых месторождений, разработка которых ранее не велась в виду экономической нецелесообразности или отсутствия соответствующих буровых установок.

Проблема освоения континентального шельфа в акваториях глубиной более 300 м, повышение мобильности проведения буровых работ, снижение числа вспомогательных судов, обслуживающих буровую установку, ставит задачу постройки буровых судов без механической связи со дном. Решить эту задачу призваны системы динамического позиционирования (СДП).

Мировой опыт проектирования, постройки и эксплуатации буровых судов с СДП начинается с конца шестидесятых годов и показывает их эффективность работы в определенных акваториях. В настоящее время мировой флот буровых судов, оборудованных СДП, насчитывает более 80 судов.

Особенности СДП обусловлены назначением и областью их применения. СДП могут быть установлены только на самоходных плавучих буровых установках в относительно спокойных акваториях. СДП характеризуются большой энергоемкостью, высокой сложностью технической реализации и высоким уровнем автоматизации.

Проведение геологоразведочных и буровых работ в акваториях с глубиной более 300 м сделало актуальным развитие отечественного флота в направлении создания собственных буровых судов с динамическими принципами позиционирования.

Отечественный опыт проектирования и постройки буровых судов с СДП ограничен одним судном (проект Газпром-1). Поэтому вопросы проектирования СДП актуальны.

При разработке СДП вопросы повышения предварительной обоснованности проектных решений на начальных стадиях проектирования имеют особое значение. Эти системы, как правило, бывают малосерийными или уникальными. Их проектирование, даже при наличии прототипа, требует значительных исследований, связанных с особенностями объекта управления и составом технических средств управления. Процессы, протекающие в системе, отличаются

значительной сложностью. Это объясняется видом функциональных связей между параметрами движения, многоканальным управлением и характером движения.

Опыт создания систем управления движением морских подвижных объектов показывает, что углубленная проверка начальных этапов проектирования значительно облегчает последующий процесс проектирования, изготовления и сдачи системы.

Вместе с этим, именно начальный этап проектирования, т.е. исследовательское проектирование, как правило, развивается итерационным путем, когда на какой-либо стадии проекта приходится обращаться к предыдущим стадиям для уточнения предварительных решений.

Снизить затраты и время на разработку, а также повысить эффективность системы позволяет математическое моделирование. В настоящее время в отечественной и иностранной литературе отсутствует информация о формировании математической модели СДП, когда реальный объект управления еще не существует.

В литературе присутствуют только общие положения по проектированию систем управления морских подвижных объектов [4, 22, 30, 38, 58]. Вопросы построения функциональных схем СДП только затрагиваются на примере буровых судов тридцатилетней давности постройки [33, 40, 53, 72, 83]. Основные алгоритмы управления рассматриваются в общих чертах [44, 59, 69, 82]. Более полно рассмотрены вопросы математического описания бурового судна как объекта управления при внешних возмущающих и управляющих воздействиях в работах профильных проектных институтов [1, 7, 8, 15, 16, 19, 20, 23, 51, 54, 56, 70, 81]. Вместе с этим аналитические зависимости большинства гидроаэродинамических характеристик, участвующих в описании внешних сил и моментов, отсутствуют.

Это не позволяет сформировать математическое обеспечение системы автоматизированного проектирования СДП, в общем, и математическую модель системы в частности.

Вместе с тем, буровое судно относится к морским подвижным объектам и поэтому к нему применимы общие подходы их проектирования с учетом специфических требований, обусловленных назначением судна.

Относя СДП к системам управления движением морских подвижных объектов, необходимо отметить, что отличительной особенностью первых является

повышенный уровень автоматизации. Традиционные системы управления движением для СДП являются локальными регуляторами. Поэтому уровень информационного обеспечения повышается на порядок. Увеличивается количество решаемых задач, контролируемых и регулируемых параметров. Растут требования к достоверности получаемой информации, гибкости алгоритмов управления, к безопасности и устойчивости к аварийным и внештатным ситуациям. Поэтому при проектировании СДП, применяя общие системотехнические принципы, методы анализа и синтеза, необходимо учитывать их особенности.

Объектом настоящего исследования является буровое судно с СДП,

которое рассматривается на предмет математического описания его динамических свойств.

Ядром работы является формирование математической модели бурового

судна с динамическими принципами позиционирования как части математического обеспечения автоматизированной системы исследовательского проектирования СДП.

Цель исследования заключается в совершенствовании методики

исследовательского проектирования СДП бурового судна.

В соответствии с принятой целью исследования решаются следующие

задачи:

  1. Определение основных этапов исследовательского проектирования СДП.

  2. Определение целей и законов управления.

  3. Формирование математической модели бурового судна как объекта управления и аналитическое описание воздействий на этот объект в условиях неполной и неточной информации.

  4. Формирование обобщенной структурной схемы математической модели неизменяемой части СДП.

  5. Анализ и синтез системы управления динамическим позиционированием бурового судна.

Решение поставленных задач позволяет сформировать математическое обеспечение САПР и, как следствие. усовершенствовать процесс исследовательского проектирования СДП.

Разработка математической модели основана на существующих методах описания математических моделей морских подвижных объектов [12, 57] в преломлении к буровому судну, как объекту управления.

В данной работе используются эмпирические формулы и аналитические зависимости. Это позволяет качественно определить степень взаимного влияния параметров судна друг от друга, исключить из рассмотрения второстепенные факторы, тем самым, упростив модель.

Задачи исследования точности описания гидроаэродинамических характеристик и области их применения в данной работе не ставились. За основу были приняты материалы исследования этих характеристик профильными научно-исследовательскими институтами [8, 19, 40, 51, 56, 59].

При разработке математической модели бурового судна, оборудованного СДП, был использован структурный подход. При таком подходе используются типовые блоки основных функциональных элементов системы, тем самым обеспечивается преемственность; упрощается разработка общей модели для каждой конкретной задачи; обеспечивается удобство набора и проверки в работе как каждого блока в отдельности, так и модели системы в целом.

Актуальность темы обусловлена необходимостью автоматизации

процесса исследовательского проектирования СДП.

Научная новизна результатов проведенных исследований состоит в том,

что:

разработана обобщенная структурная схема математической модели неизменяемой части системы управления динамическим позиционированием бурового судна;

разработана математическая модель бурового судна, как объекта управления, в условиях неполной и неточной информации;

получено математическое описание управляющих и возмущающих воздействий на объект управления;

разработана методика формирования математической модели бурового судна, оборудованного СДП, на этапе исследовательского проектирования.

Практическая значимость работы состоит в том, что получены аналитические зависимости гидроаэродинамических коэффициентов основных функциональных элементов СДП, позволяющие использовать их при разработке идентификаторов состояния. Разработаны типовые блоки наиболее часто используемых функциональных элементов СДП, которые могут быть использованы при исследовании системы на начальных этапах проектирования. Разработана структура главного алгоритма управления динамическим позиционированием бурового судна.

Результаты и методы исследования, выводы и рекомендации, полученные в работе, могут быть использованы при разработке системы автоматизированного проектирования, а также непосредственно на этапе исследовательского проектирования СДП.

Использование математической модели при проектировании СДП позволяет снизить трудозатраты на разработку и повысить эффективность системы.

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждена результатами имитационного моделирования СДП на персональном компьютере в среде MATLAB.

Научные положения автора получили апробацию в выступлениях на

научно-технических конференциях в Государственной морской академии им. адм. С.О.Макарова, на научно-технической конференции «Современные математические методы и новые информационные технологии при решении навигационных и военно-прикладных задач» в Военно-морском институте, опубликованы в тезисах доклада на научно-технической конференции в Военно-морском институте и на научно-технических конференциях в Государственной морской академии им. адм. С.О.Макарова, в двух учебно-методических пособиях и одном научно-техническом отчете по научно-исследовательской тематике Российского Морского Регистра Судоходства - тема РС-50/2000 "Разработка проекта требований PC к системам позиционирования морских судов и сооружений, как дополнение к части XV Правил PC".

На защиту выносятся:

структура главного алгоритма управления позиционированием бурового судна;

обобщенная структурная схема математической модели неизменяемой части системы управления динамическим позиционированием бурового судна;

методика формирования математической модели бурового судна, оборудованного СДП, на этапе исследовательского проектирования;

результаты имитационного моделирования СДП.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

В первой главе рассмотрены основные этапы исследовательского проектирования СДП и применение математического моделирования для сокращения трудозатрат на проектирование. Рассмотрение обобщенной функциональной схемы СДП и ее измерительной подсистемы позволяет выявить влияние способов введения информации в канал управления на формирование главного алгоритма управления.

Во второй главе рассмотрены основные операции формирования главного алгоритма управления на этапе исследовательского проектирования. Для этой цели разработана типовая математическая модель бурового судна, как объекта управления; получено аналитическое описание управляющих воздействий и внешних возмущений; сформулированы цели, задачи и законы управления; разработана структурная схема математической модели неизменяемой части системы управления динамическим позиционированием бурового судна. Рассмотренные вопросы позволили разработать методику формирования математической модели бурового судна, оборудованного СДП, на этапе исследовательского проектирования.

В третьей главе содержатся результаты экспериментального исследования СДП бурового судна в среде MATLAB с использованием математической модели, разработанной в условиях неполной и неточной информации об объекте управления.

В результате исследования были получены динамические характеристики объекта управления, которые рассматривались с точки зрения их соответствия заранее известным характеристикам реально существующих буровых судов. Это

позволило сделать вывод о верности предлагаемой методики формирования математической модели неизменяемой части системы управления динамическим позиционированием бурового судна на этапе исследовательского проектирования.

Синтез регулятора состояния системы управления позволил произвести переход от описательной математической модели к модели с управлением. Таким образом, подтверждена ее способность к самокорректировке при последовательном прохождении всех этапов проектирования.

В приложении приводятся гидроаэродинамические характеристики объекта управления, результаты имитационного моделирования реакции бурового судна на воздействие ветра и течения, а также программы моделирования методом Рунге-Кутта четвертого порядка и численной оптимизации регулятора состояния методом Нелдера-Мида в среде C++ Builder 5.

Выполненный объем исследований и практических разработок автору стал возможен лишь благодаря помощи и поддержке коллективов кафедры "Электродвижение и автоматика судов" и кафедры "Теоретические основы электротехники" ГМА им. адм. С.О.Макарова, а также кафедры "Математика и методы математического моделирования" Военно-морского института.

Автор искренне благодарит всех, оказавших ему поддержку и помощь в проведении исследований и оформлении результатов работы.

Подобные работы
Митрошин Владимир Николаевич
Математическое моделирование и автоматическое управление объектами с распределенными параметрами в технологических процессах изолирования кабелей связи
Балабанов Александр Анатольевич
Система поддержки принятия решений при автоматизированном оперативно-диспетчерском управлении объектами добычи и транспорта газа
Литвинов Максим Михайлович
Нелинейное управление сельскохозяйственными объектами в переходных режимах
Зуров Евгений Владимирович
Информационная технология принятия решений при управлении сложными объектами с оценкой технического состояния на основе экспертных систем
Мартынова Марина Алексеевна
Ситуационный анализ и управление опасными производственными объектами
Смирнова Оксана Вячеславовна
Управление состояниями технических объектов на основе алгоритмов прогнозирования с применением дискриминантного анализа
Блохин Станислав Анатольевич
Управление рисками на объектах газового комплекса
Липа Оксана Александровна
Адаптивное управление сельскохозяйственными технологическими объектами с асинхронными электроприводами
Шипитько Илья Александрович
Прогнозирующее управление с нейросетевой моделью объекта для манипулятора с нежесткими звеньями
Давыдов Руслан Вячеславович
Адаптивное управление и прогнозирование состояния нестационарных технологических объектов с запаздыванием

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