Информационное обеспечение процессов моделирования системы управления судовым электродвижением при учете существенных нелинейностей

Реализация инновационных информационных компьютерных технологий является главной составляющей интенсификации проектирования организационно-технических систем, в том числе и в судостроении. Учитывая достаточно невысокую стоимость технических ресурсов компьютерных технологий, одним из основных способов решения задач проектирования является разработка новых методических и инструментальных средств предпро-ектных исследований и моделирования или их совершенствование.

Проблемы автоматизации процессов управления судовыми техническими средствами актуальны для флота, так как отсутствует учет свойств и характеристик элементов систем, которые в общем случае являются нелинейными (как и большинство реальных систем), что увеличивает вычислительные и математические процедуры при управлении.

Отличительными свойствами нелинейных характеристик являются так называемые существенные нелинейности, которые характерны для электромашинных систем. К этим характеристикам относятся: многозначность, неоднозначность, разрывы характеристик, релейность характеристик, нечувствительность и т. д. Наличие этих нелинейностей приводит к снижению точности вычислений или делает невозможным получение однозначного решения.

Создание судовых комплексных систем автоматизированного управления требует инновационных решений при подходах к процессам проектирования и комплексной отладки за счет компьютеризации процессов принятия решений.

Анализ публикаций [16−22- 26- 33- 36- 48−49- 56- 79- 92- 104.] и в ряде работ других зарубежных авторов показывает, что в настоящее время интенсивное развитие получают исследования, направленные на совершенствования процессов создания управляющих информационных систем путем применения объектно-ориентированных методов проектирования, позволяющих учитывать особенности объектов автоматизации сложных иерархических систем с реализацией их структуры и межсистемного взаимодействия подсистем их элементов. Повышение требований к качеству управления энергетическими процессами приводит к необходимости учета нелинейностей в системах, так как возможно возникновение колебаний, в том числе автоколебаний.

Объектно-ориентированное проектирование и компьютерная отладка алгоритмов функционирования интегрированных систем автоматизированного управления судовыми транспортно-технологическими и энергетическими процессами позволяет минимизировать или полностью отказаться от этапа имитационных стендовых испытаний, где требуется применение натурных имитаторов, характеризующих оборудование управляемых объектов, операторские посты, возмущающие дестабилизирующие воздействия, средства автоматизации управления и контроля.

В этом случае задача исследования может быть решена в области объектно-ориентированного информационного обеспечения при моделировании сложных систем, с соответствующей инструментальной поддержкой процессов проектирования.

Решение такой задачи направлено на передачу процессов проектирования и отладки алгоритмов функционирования сложных систем управления в руки специалиста предметной области. При этом проектант системы управления должен быть обеспечен объектно-ориентированной методологией информационного обеспечения процессов моделирования нелинейных систем и соответствующим компьютерным инструментарием, что позволит свести к минимуму участие программиста в предметно-ориентированных процессах исследования и комплексной отладки систем управления.

Введение

в инновации проектирования подходов, основанных на применении современных объектно-ориентированных информационных технологий и учитывающих существенные нелинейности, повышает эффективность, сокращает трудозатраты и сроки моделирования, связанные с предпроектными исследованиями и комплексной отладкой алгоритмов функционирования сложных систем, реализуемых схемотехническими и программно-аппаратными средствами автоматизации.

Поэтому реализация методологии объектно-ориентированного моделирования систем управления, учитывающей существенные нелинейности, на основе системного подхода к использованию информационных компьютерных технологий, в особенности для систем управления судовыми техническими средствами, является задачей, актуальной для развития флота.

Цель работы состоит в повышении эффективности информационного обеспечения процессов моделирования систем автоматизированного управления судовым электродвижением, имеющим существенные нелинейности в характеристиках.

В компьютерный инструментарий предлагается включить блоки существенных нелинейностей, которые позволяют более адекватно отразить процессы изменения динамических характеристик моделей.

Появится возможность объективировать предпроектные исследования функционирования систем управления путем компьютерного моделирования и отладки технических, технологических и информационных решений.

В основу процесса исследований и решения сформулированных задач положены методы системного анализа процессов проектирования судовых систем автоматического и автоматизированного управления, методы и теория информационных систем, теории алгоритмов, методы компьютерного моделирования и программирования. При выполнении работы использован математический аппарат дифференциальных уравнений, дискретной математики, теории автоматического регулирования и управления, эффективности, искусственного интеллекта и системного анализа.

Объектом исследования в работе является судовая система управления электродвижением, обеспечивающая, в комплексе с остальными техническими средствами, функционирование судна.

Предмет исследований — вопросы информационного обеспечения моделирования систем управления судовым электродвижением, систем управления судовыми энергетическими комплексами и их агрегатами, а также методы описания систем и их совершенствования.

В состав судовых транспортно-технологических и энергетических средств управления энергетическими процессами входит общесудовой про-пульсивно-энергетический комплекс, обеспечивающий электродвижение судна, качественное функционирование которого характеризует технико-эксплуатационную эффективность судна в целом. Дизель-генераторные установки используются в качестве электроэнергетических источников судовой электростанции, обеспечивающей электроснабжение судна и его оборудования, в том числе электроснабжение для судов с электродвижением. Гребной электропривод осуществляет главную функцию — движение. При этом в гребном электродвигателе (ГЭД), как и в остальных вспомогательных электроприводах входящих в систему судовых технических средств, проявляет себя нелинейность типа петли гистерезиса и другие нелинейности.

Развитие технологической базы обеспечения задач управления и максимально возможное использование новых информационных технологий возможно за счет более эффективного использования информационных систем.

При этом происходит унификация программных и аппаратных модулей для создания центра обработки данных по принятию решений при управлении технологическим процессом, реализуемым в энергетической системе судна.

Анализ выполненных исследований и действий по внедрению новых информационных технологий в указанных направлениях свидетельствует, что для повышения эффективности внедрения в практику деятельности судостроительных и опытно-исследовательских фирм этих работ необходимо сформировать единый научно-обоснованный методический подход к решению вопросов повышения конкурентоспособности фирм путем внедрения и развития менеджмента качества процессов управления (точности, надежности).

Сложность систем управления процессов регулирования и изменения их по заданному закону или ограничением на судах и в технических центрах определяется следующими причинами:

— сложность проблемы качества управления;

— сложность управления и регулирования процессов электроэнергетических преобразований в связи с появлением существенных нелинейностей в различных элементах ЭУ;

— сложностью обеспечения гибкости конечного результата в зависимости от типа нелинейности и возможности нахождения решения сугубо нелинейных задач при управлении объектом;

— сложностью описания взаимосвязи отдельных подсистем в реальную.

ЭУ;

— сложностью программного обеспечения, если задача решается в цифроаналоговом комплексе;

Сложность проблемы качества управления состоит в том, что основная задача менеджеров предприятий и управленцев состоит в создании иллюзии простоты, защищающей исполнителей технологического процесса с использованием информационных систем от сложности описываемого процесса (фирма). Нелинейность характеристик в большинстве случаев заменяют линейной аппроксимацией или гармонической линеаризацией. Объем исходных данных программного обеспечения при принятии решений по управлению качеством не входит в число главных достоинств, поэтому стараются делать их более компетентным лицам или простым, используя при этом существующие методы и новые научные разработки в этой области. Например, универсальность создаваемых информационных систем для реализации качества управляемого процесса по интегральным критериям качества очевидна.

Сложность обеспечения гибкости конечного результата, — в зависимости от уровня технического обеспечения судов, может быть решена путем интеллектуализации информационного обеспечения АСУ фирм (использование методов эвристического программирования при алгоритмизации задач проектирования и теории искусственного интеллекта). Программное обеспечение решаемых инженерных, технических и экономических задач таюке должно обладать максимальной гибкостью для любого уровня абстракции (сбор данных, статистический анализ рынка, сравнение, регистрация, контроль, прогнозирование, интегральные и частные оценки эффективности, генерация решений. Такая гибкость, однако, требует создание для управленческого звена в системе НИОКР будущего документального, информационного программного обеспечения, из которых составляются элементы более высоких абстрактных уровней. В связи с отсутствием или присутствием в малом количестве в программной индустрии таких стандартов, программные разработки становятся достаточно трудоемким процессом.

Сложность описания взаимосвязи отдельных подсистем управления проектированием вызвана достаточной независимость подсистем друг от друга и внешних воздействий, а также непредсказуемой количественной оценкой их эффективности по качеству управления ЭУ.

Полагая, что поведение одной подсистемы не должно оказывать существенное влияние на поведение другой на практике при управлении процессом стабилизации параметров особенно если объект обладает существенными нелинейностями находят применение процедуры согласования, коррекции, стабилизации к внешним воздействиям, которые в свою очередь могут быть реализованы как полностью так и модельно-предсказательно с оценкой уровня доверия к системе.

Сложность проблемы управления качеством регулирования, защиты и сигнализации по параметрам установки для любых подсистем управления СЭУ обусловлена:

— необходимостью анализа большого количества возможных вариантов решения и определения из них наиболее предпочтительных;

— невозможность точной аналитической оценки ожидаемых результатов принятия вариантов решения;

— отсутствие надежной статистики и фактические затраты на выполнение однотипных задач на разных уровнях иерархии управления ЭЭУ и ее элементов;

Сложность процессов управления параметрами электроэнергетических установок при выполнении диагностических процедур и в процессе эксплуатации предъявляет повышенные требования к методам моделирования, среди которых считается целесообразным использовать модельно-предсказательные подходы, вероятностные методы, методы имитационного моделирования, ситуационных моделей, а так же CASE и CALS технологий, объектно-ориетированная инструментальная программа OUR-CAD, язык UML и другие объектно-оринтированные методы системного анализа.

Методы имитационного моделирования позволяют включить в анализ и принятие решений неполноту исходной информации, стохастические свойства рассматриваемых процедур проектирования в фирме или группе компаний в целом. При этом используется меньший объем затрат для выполнения необходимого количества решаемых технических задач при более высоком уровне конкурентоспособности, рентабельности и эффективности фирм занимающихся разработкой новых систем управления движением судна.

Для построения моделей систем управления техническими средствами судна необходима достаточно сложная организационно-техническая система способная решать и реализовывать различные виды и способы моделирования. Наиболее часто используется аппарат логико-дифференциальных уравнение [1−3, 12, 13, 25], сетевых моделей [59, 58, 73], модели оптимизационных задач [9−13], имитационные модели [99,100, 102], методы менеджмента качества, теория расписаний [17, 101], ситуационные модели [10, 11, 76], методы экспертных оценок, методы и способы информационных технологий [42−45, 88, 90] и другие. В последнее время достаточно активно используются методы системного анализа сложных организационно-технических комплексов [11, 31, 59, 73].

Эффективность процесса разработок и качество информационного обеспечения процессов моделирования систем автоматизированного управления судовым электродвижением на базе формального аппарата описания архитектуры судового машинно-энергетического комплекса приводят к необходимости решения следующих задач:

1. Анализ целей, задач и методов разработки систем управления судовыми техническими средствами с учетом нелинейности характеристик элементов объекта управления.

2. Развитие объектно-ориентированных подходов к информационному обеспечению процессов проектирования и построению информационных моделей систем автоматизированного управления судовой АСУ движения.

3. Создание базы данных и базы знаний для разработки структурных модулей системы управления.

4. Реализация представления существенных нелинейностей в характеристиках блоков и подсистем управления электродвижением судна.

5. Создание и апробация созданного объектно-ориентированного программного инструментария для компьютерного моделирования и функциональной отладки сложных нелинейных систем управления.

6. Реализация программно-инструментального обеспечения для разработки информационных моделей судовых систем автоматизированного управления нелинейными объектами, в том числе систем управления главными СЭУ, дизель-генераторными СЭУ и судном в целом.

4.5 Выводы по главе 4.

1. Составлена математическая модель системы управления судовой пропульсивно-энергетической установкой в виде системы уравнений в операторной форме.

2. Реализован объектно-ориентированный подход к разработке, моделированию и комплексной отладке алгоритмической части в среде «OURCAD» .

3. Система управления представлена как совокупность структуры классов и структуры объектов систем управления судовыми техническими средствами, обеспечивающими транспортно-технологический процесс движения судна.

4. Разработана компьютерная модель системы управления судовым электродвижением с учетом нелинейных характеристик элементов.

5. Представлены особенности технологии моделирования алгоритмической части прикладного программного обеспечения систем управления судовым электродвижением, которая учитывает нелинейные характеристики элементов.

Заключение

Выводы по работе.

Анализ существующих методов и способов совершенствования информационного обеспечения процессов проектирования и модернизации систем управления судовыми энергетическими процессами, показывает, что существуют значительные резервы повышения эффективности и качества процессов моделирования судовых систем электродвижения за счет развития информационных компьютерных технологий учитывающих существенные нелинейности.

Исходя из сказанного, в работе сформулирована и решена научно-техническая задача, имеющая важное научно-практическое значение, заключающаяся в реализации методологического и информационного сопровождения процессов моделирования нелинейных систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами на основе объектно-ориентированных подходов с учетом типовых нелинейностей.

Решение задачи в рамках данного научного направления позволило определить цели исследований диссертационной работы. В соответствии с ними создана и реализована методика информационного обеспечения процессов моделирования систем управления судовым электродвижением и судовыми техническими средствами на основе усовершенствованного объектно-ориентированного инструментария, предназначенного для предпроектных исследований, проектирования, компьютерного моделирования и функционального программирования систем управления с комплексной отладкой алгоритмической части программного обеспечения.

Научные результаты, полученные в работе, представляют комплекс информационных и технических решений на базе новых информационных технологий. Эти решения позволили (за счет включения типовых существенных нелинейностей в алгоритмы моделирования) обеспечить необходимый технический уровень разрабатываемых систем управления.

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы следующие.

1. Выполнен анализ целей, задач и методов разработки систем управления судном. В качестве объекта управления рассмотрен общесудовой про-пульсивно-энергетический комплекс электродвижения, являющийся сложной системой с иерархической структурой входящих в ее состав блоков управления.

2. Разработана концептуальная модель функционирования судовой энергетической установки, с целью совершенствования алгоритмов управления, реализуемых схемотехническими и программно-аппаратными средствами автоматизации.

3. Разработана структура системы управления электродвижением судна, учитывающая все типовые функциональные элементы и возможность реализации объектно-ориентированного подхода к проектированию.

4. Обоснованны параметры судовой энергетической установки, обеспечивающие требования к качеству управления и контроля технического состояния объекта.

5. Способы моделирования информационных моделей судовых систем автоматизированного управления реализованы на классических принципах объектно-ориентированного построения структур классов и объектов сложных систем. Предметная система взаимосвязанных и взаимодействующих между собой структурных элементов, ограниченная рамками выделенной информационной области и объединенная общей целью, в своей совокупности рассматривается как информационная модель системы управления.

6. Разработаны структурно-цифровые модели типовых существенных нелинейностей, характерных для судовых электротехнических систем. Для одной из них, для петли гистерезиса представлена схема ее реализации в среде OUR-CAD.

7. Обосновано применение способа записи алгоритмов проектирования информационных моделей систем управления, основанного на едином способе описания математических и логических операций и позволяющего описывать алгоритмы управления судовым оборудованием и функционирование его информационных моделей в виде сложных операторов, структура которых строится на межсистемном взаимодействии входящих в их состав блок-схем передаточных функций.

8. Предложен аналитический способ преобразования типовых существенных нелинейностей в библиотечные элементы компьютерного инструментария.

9. Разработана методика расширения специализированного объектно-ориентированного программного инструментария OUR-CAD для проектирования сложных электротехнических систем с типовыми существенными не-линейностями за счет организации базы данных.

10. Составлена математическая модель системы управления судовой пропульсивно-энергетической установкой в виде системы уравнений в операторной форме.

11. Реализован объектно-ориентированный подход к разработке, моделированию и комплексной отладке алгоритмической части в среде «OURCAD». Система управления представлена как совокупность структуры классов и структуры объектов систем управления судовыми техническими средствами, обеспечивающими транспортно-технологический процесс движения судна.

12. Разработана компьютерная модель системы управления судовым электродвижением с учетом нелинейных характеристик элементов.

13. Представлены особенности технологии моделирования алгоритмической части прикладного программного обеспечения систем управления судовым электродвижением, которая учитывает нелинейные характеристики элементов.

14. Помимо проведения научно-исследовательских и проектных опытно-конструкторских работ в НПФ «Меридиан», ЗАО НПО «AMT», ЗАО НПЦ «ЭДС» и ЗАО «ИЭМЭТ» практические результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе СПГУВК по курсу «Нелинейные, цифровые и дискретные системы управления».