close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102522

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Степахно Роман Геннадьевич
РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ
М А Т Е М А Т И Ч Е С К О Й МОДЕЛИ СУДНА С Ц Е Л Ь Ю Р Е Ш Е Н И Я
ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ СУДОВОЖДЕНИЯ
Специальность 05.22.19 - эксплуатация водного транспорта,
судовождение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Мурманск - 2005
УДК [519.711.3 : 629.12]: 656.6.052(0433)
Работа выполнена в Мурманском государственном техническом универси­
тете на кафедре "Судовождение"
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент Юдин Юрий Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Развозов Сергей Юрьевич;
кандидат технических наук, профессор Брандт Роман Борисович
Ведущая организация: ОАО "Мурманское морское пароходство'
Защита диссертации состоится S^/ad'bhjP
2005 г. в ^/^.
часов на
заседании диссертационного совета К М 307.009.02 по защите диссертаций
на соискание ученой степени кандидата технических наук при Мурман­
ском государственном техническом университете по адресу: 183010,
г. Мурманск, ул. Спортивная, 13,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государ­
ственного технического университета
Автореферат разослан > 1 ^ t^^JTiiS^
2005 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учрежде­
ния, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета
Учёный секретарь диссертадиоиного совета
доктор химических наук, профессор
С^Э^^^
II
^-^ Деркач
3MJL
ЛЛ^^
ПП771
О Б Щ А Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Безопасность плавания вообще, а особенно на акваториях портов,
в узкостях, при сложных условиях швартовок по-прежнему является одной
из основных проблем судовождения. По данным статистики, в узкостях,
проливах, на рейдах и портовых акваториях происходит не менее 90 %
общего числа навигационных аварий, и в первую очередь судов крупно­
тоннажных. Мировая и отечественная практика судовождения насчитывает
значительное число аварий и аварийных ситуащ1Й, возникающих в резуль­
тате ошибок, допущенных судоводителями при маневрировании, особенно
в сложньпс путевых условиях плавания или швартовки. Это связано прежде
всего с тем, что выбор тактики маневрирования базируется в основном на
опьгге и интуиции судоводителя и глазомерной оценке ситуации движения.
Принятие решения о корректировке маневра реализуется методом проб
и ошибок, цена которых может оказаться весьма высокой. Субъективная
оценка ситуации до начала маневра и после его инициации является ос­
новным источником ошибок, приводящих к авариям. Альтернативой этой
субъективности может быть только хорошее знание параметров математи­
ческой модели судна и компьютерное проифывание предполагаемого ма­
невра на основе такого знания.
Существуют два пути получения такого знания. Один состоит в по­
строении математической модели судна один раз по результатам ходовых
испытаний и в дальнейшем пользовании такой моделью с коррекцией на
условия плавания. Другой - заключается в получении параметров модели
постоянно в процессе эксплуатации судна и использовании этой обновляе­
мой модели для прогнозирования планируемых маневров. Однако такое
знание не всегда доступно при нынешнем состоянии точности измерений
кинематических параметров движения судна, поэтому адекватной заменой
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ f
БИБЛИОТЕКА
I
C.Пeтe|I«^p$^/- \
09
Щ^ Mi>ljO '
этого максимального знания должно быть знание достаточно точных зна­
чений маневренных характеристик собственного судна и их учет при
выполнении маневра. Оперирование маневренными характеристиками при­
водит к переходу от полной математической модели судна к моделям
частного вида, соответствующим конкретным маневрам, что упрощает ре­
шение проблемы идентификации таких моделей.
Цель работы
Целью работы является разработка методов получения судоводителя­
ми объективной информации для выбора способа маневрирования и на­
дежного прогнозирования ситуации при реализации маневра. Для дости­
жения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
- идентифицирована полная структурная модель, характеризующая
движение судна в различных реальных условиях плавания;
- разработаны способы идентификации параметров выбранной струк­
турной модели;
- выработаны методы идентификации отдельных маневренных харак­
теристик судна, определяющих траектории его специфических движений;
-
введено понятие и рассчитаны коэффициенты влияния параметров
модели на определяемые значения маневренных характеристик;
- на основании введенных коэффициентов влияния разработан метод
расчета диапазонов возможньк вариаций параметров
математической
модели.
Научная новизна
Научная новизна предлагаемой работы заключается:
- в полном структурировании всех элементов математической модели
с основным требованием адекватности, а не простоты, с использованием
возможностей современных вычислительных средств;
- применении метода максимума Понтрягина для интервального,
а не точечного определения параметров математической модели судна;
- определении маневренных характеристик по результатам натурных
испытаний в реальных условиях действия ветра;
- введении коэффициентов влияния параметров модели на маневрен­
ные характеристики судна;
- предложении метода последовательной вариации параметров для
приведения маневренных характеристик к натурным значениям.
Методы исследования
В работе применялся экспериментально-теоретический метод иссле­
дования. Для выполнения теоретической части использовался аппарат
дифференциального исчисления, теории оптимального управления, мате­
матической статистики, теории аппроксимаций. Экспериментальная часть
заключалась в обработке результатов натурных экспериментов по манев­
рированию крупнотоннажных судов в различных условиях плавания с ис­
пользованием для обработки специально разработанного с участием автора
комплекса программ для Э В М [6] в системе программирования Visual
Basic (VB). На всех этапах работы широко использовалась вычислительная
техника, так, например, при аппроксимации всех аналитических зависимо­
стей применялся пакет MathCad 7.0.
Практическая ценность
Результаты диссертационной работы могут быть использованы при
практическом построении математических моделей судов, для нахождения
расчетных значений маневренных элементов судна согласно перечню тре­
бований Международной морской организации (ИМО), а также при по­
строении компьютерных тренажеров стыковок в море в сложных условиях
или маневрировании на гибких связях.
Внедрение
Результаты работы нашли практическое применение при разработке
рекомендащ1Й по определению маневренных элементов, стандартизован­
ных ИМО. Результаты расчета в соответствии с этими рекомендациями были
внедрены на ряде судов ОАО "Мурманское морское пароходство" (ММП)
и способствовали повышению безопасности мореплавания. Кроме того, они
были использованы при создании учебных тренажеров на кафедре судовож­
дения Морской академии МГТУ и в тренажерном центре ОАО "ММП".
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и отдельные ее ре­
зультаты были доложены на III международной конференции "Управление
безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN"
(Калининград, ноябрь 2002 г ) , а также на научно-технических конферен­
циях профессорско-преподавательского состава МГТУ (2002 - 2003 гг.).
Публикации
Основные результаты работы отражены в пяти публикациях и отчете
в рамках госбюджетной НИР "Разработка теоретических основ безопасно­
го судовождения в условиях повышенных рисков" № ГР 01200210970
от 1 ноября 2002 г.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка лите­
ратуры. Основной текст диссертации содержит 162 машинописные стра­
ницы, 36 таблиц и 25 рисунков. Библиография включает 52 наименования.
К Р А Т К О Е СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Во введении обосновывается актуальность и необходимость решения
задач, связанных с построением математической модели (ММ) судна,
определяются цель и основные задачи исследования.
Рассматриваемая в настоящей работе проблема идентификации мате­
матической модели судна легко погружается в общую проблему модели­
рования и идентификации моделей.
На первом этапе построения математической модели любого процесса
необходимо выбрать общую структуру модели и класс уравнений, кото­
рыми предполагается описать наблюдаемый процесс, т. е. решить так на­
зываемую задачу структурной идентификации. На этом этапе построения
математической модели ставится задача оценки числовых значений неизмеряемых констант по имеющимся экспериментальным данным, т. е. по
значениям измеряемых переменных (откликам). Данную задачу и принято
называть задачей параметрической идентификации.
Не существует споров по вопросу важности создания адекватной ма­
тематической модели каждого конкретного судна. Когда модель уже вы­
брана тем или иным способом на основе гидродинамической теории, воз­
никает проблема определения параметров - коэффициентов модели.
На этом этапе предпочтение отдается не теоретическому вычислению па­
раметров модели, а их определению на основе натурных испытаний судна.
Особенно перспективна эта идея, если идентификация проводится в реаль­
ном масштабе времени, когда найденные (идентифицированные) парамет­
ры могут сразу же использоваться для прогнозирования ближайшего
маневра. Изменения обстоятельств предполагаемого маневра непосредст­
венно скажутся на идентифицируемых параметрах и, следовательно,
на качестве предсказания траектории маневра. Именно это представляет
главный интерес для практического судовождения.
В первой главе в соответствии с поставленной целью рассмотрен об­
щий подход к описанию процесса движения судна с помощью системы
дифференциальных уравнений. Структурированы более детально, чем
обычно, отдельные составляющие сил, действующих на судно. В первую
очередь это относится к упору винта и к силе сопротивления продольному
движению, которые традиционно упрощаются для достижения максималь­
ной простоты. Зависимость упора винта от шага ВРШ, его оборотов и ско­
рости хода построена более точно, чем обычно применяемая зависимость
с использованием формулы профессора В.И. Небеснова.
Для этого кривые действия винта были оцифрованы с помощью ком­
пьютера. Кривая для определенного шагового отношения PID была разбита
на две ветви, и каждая ветвь аппроксимирована параболой третьего или чет­
вертого порядка. Так, например, для PID = 0.7 эти аппроксимации для коэф­
фициента упора выглядят следующим образом:
А.<-0.402, К, = 4.156 + 29.847 X + 81.955 >? + 97.407 Х' +43.167 Х\
X > -0.402, К, = 0.287 - 0.138 ^ - 0.599 А.^ + 0.513 Х^ - 0.181 X*.
Отдельные аппроксимации были сведены в общую формулу, которая
позволяет получать с высокой степенью адекватности значение коэффици­
ента упора для любых пар значений относительной поступи винта X и ша­
гового отношения P/D:
ЩР/D, X) = -0.006448 + 0.265 (P/D) - 0.022 (P/Of + 0/191 (P/Df +
+ 0.033 (P/Df X + 0.082 (P/D) A. - 0.159 Я. - 0.079 X^ - 0.246 X' -0.026 (P/D) X\
(1)
Более детальная структуризация относится и к силе продольного со­
противления судна, которая аппроксимирована для передних и задних хо­
дов, причем отдельно для малых и полных ходов. Простое выражение со­
противления (Ry = KV^) не отвечает результатам натурных испытаний.
Представленные в табл. 1 данные показывают, что коэффициент К в по­
следнем столбце, рассчитанный по таким результатам, не остается посто­
янным, а изменяется довольно существенно.
Таблица!
Расчетные значения коэффициента пропорциональности К для П Х
Р«кН
F,M/C
PID
8.09
0.845
127
0.517
578
7.96
0.845
123
0.525
6.08
0.816
90
532
0.547
251
4.38
0.531
85
0.417
7.56
2.58
85
145
0.245
0.245
83
12.47
п, об/мин
J
К
8.83
8.40
6.79
Непостоянство коэффициента приводит к необходимости использовать
более сложную структуру для описания этой силы. Аппроксимация резуль­
татов с расчетом упора винта по формуле (1) дает выражения:
- передний ход:
Лг =(22.925-5.391 F+0.45 f^)-f^,
K>4.38;
Я^.= (1.89+ 15.064К-5.699 f^+0.588^^)P^,
F<4.38;
- задний ход:
Л^, =(-l008-1109F+409.4921f^-48.443f^)-f^,
Ry =(-56.Z0\+14.91V-93,\9]^)-<V,
F<-1.85;
F>-1.85.
(2)
Таблица 2
Результаты уравнивания упора винта и силы сопротивления
Передний ход
Задний ход
Л
Rv
691
111
540
626
659
251
251
253
270
145
152
165
174
83
86
91
90
Р,
Ry
578
574
532
Обработкой результатов натурных испытаний по разгону судна (тан­
кера типа "Астрахань"), его инерционному выбегу и торможению построе-
10
ны зависимости скоростей и ускорений этих процессов как функций вре­
мени. Чтобы они соответствовали друг другу не только кинематически,
но и динамически, были рассчитаны соответствующие присоединенные
массы на каждый момент времени как функции скорости и ускорения. На
основе таких расчетов были получены аппроксимационные формулы вида
m]\=J{V, W), где возможны любые комбинации знаков скорости V и уско­
рения W, отвечающие передним и задним ходам при разгоне и торможении:
niiKf', >Ю =-Ь599-lO^Ff^^ + 6.079-lOV -3.861 • 1 0 V +
+ 6.262-10'»'-2.258-10^ FF+1.131-10'I^ff-1.455-10' +
+ 5.011 - l O V - 1.23 - 10V+ 699.521 ]^.
(3)
Итак, в первой главе при решении задачи структуризации модели на­
ми получены три важнейшие аппроксимации элементов уравнения про­
дольного движения судна, которые позволяют адекватно моделировать
маневрирование судна переменными ходами. Усложнение полученных
формул оправдано возможностью эффективного применения современной
вычислительной техники.
После идентификации структур описанных выше элементов появи­
лась возможность записать дифференциальное уравнение продольного
движения судна, т. е. создать модель этого процесса в виде
М [1 + w„(F, W)]dV/dt = PJiPiD, к) - Ri{V),
(4)
где PcRi^nniu определены выражениями (1) - (3).
Эта модель адекватно, с нашей точки зрения, описывает маневрирова­
ние судна с переменными передними и задними ходами.
Во второй главе предпринята попьггка параметрической идентифи­
кации обшей модели для двух дифференциальных уравнений, описы­
вающих боковое перемещение судна и его поворот вокруг вертикальной
оси. Идентификации подлежат 13 констант Q, и минимизирующий
функционал задачи выглядит так:
inf {Ii[P'4 - (Ci ah + Ci alk + C3 аЪк + Сд аЛ^ + Cs а5* + Cs a6k)f +
+ [co't - (C7 a7i + Cs a^k + C9 а9* + Сю яЮ* + Сц al Ь +
+ С,2 al2* + Ci3 aUk)f} = inf {Ф(С)}.
(5)
Сама задача не является оригинальной, для ее реализации примене­
ны известные методы спуска, позволяющие использовать возможности
современной вычислительной техники. Нами был применен метод наис­
корейшего спуска, после замедления сходимости произведен переход на
метод покоординатного спуска. Результаты такого расчета проверены на
траектории модели и приведены на рис. 1. Мы не может считать их удов­
летворительными с практической точки зрения, так как отклонения даже
в 10 м могут оказаться фатальными.
—
tlKc t
- - «wei
Рис. 1. Сравнительные траектории судна на циркуляции
(1 - модельная траектория, 2 - идентифицированная траектория)
12
На основании этого сделан вывод о том, что при достигаемой в на­
стоящее время точности исходной информации следует отказаться от
идентификации модели в целом и перейти к идентификации отдельных
маневренных характеристик судна.
Сделан также важный вывод о том, что в силу плохой обусловленно­
сти задачи следует определять не точные значения параметров модели,
а устанавливать интервалы их изменения для получения маневренных ха­
рактеристик в некоторых заданных диапазонах. Для решения такой
задачи был использован аппарат принципа максимума Понтрягина. В дис­
сертационной работе намечены направления использования этого аппара­
та; его последовательное применение должно явиться предметом отдель­
ных исследований.
В третьей главе показано, что практика судовождения при соверше­
нии определенных маневров часто не требует знания полной модели судна.
Для решения конкретных практических задач обычно достаточно знания
либо упрощенных, частных, моделей, либо отдельных маневренных харак­
теристик судна. И то, и другое представляет собой более простую задачу
и, следовательно, может решаться более эффективно, чем задача иденти­
фикации общей модели.
Этот подход традиционно применяется в теории управления судном.
Так, для решения задач ходкости рассматривается только первое уравне­
ние общей математической модели. В этом случае считается, что движение
судна происходит неизменным курсом с постоянным, в том числе и нуле­
вым углом дрейфа, и при нулевой угловой скорости вращения вокруг
вертикальной оси. Судоводителя-практика в этом случае интересуют
разгонные и тормозные характеристики своего судна: время набора хода
и пройденное при этом расстояние при разгоне, время торможения до за­
данной скорости и потребное для этого расстояние (выбег). Эти маневрен­
ные характеристики нормативно включены в перечень обязательных для
каждого судна и снимаются при сдаточных испытаниях в виде функций
скорости и расстояния от времени хода.
Характерной является проблема идентификации некоторых маневрен­
ных характеристик судна по результатам натурных испытаний на устано­
вившейся циркуляции. Эта проблема не столь проста, как это кажется на
первый взгляд. Хотя установившаяся циркуляция и входит в стандартные
испытания судна, но определяемые по ее результатам характеристики,
прежде всего радиус установившейся циркуляции, содержат существенные
пофешности. Последние связаны с обработкой "на глаз" результатов ис­
пытаний, при этом весь объем траекторной информации, полученной в хо­
де испьгганий, практически не используется.
Еще одна проблема связана с невозможностью провести испытания
в идеальных гидрометеорологических условиях, поскольку на любой аква­
тории действует ветер той или иной силы, "сминающий" траекторию.
Именно эти проблемы рассмотрены в настоящей главе. Нами предло­
жены новые способы обработки результатов натурных испытаний для по­
лучения маневренных характеристик судна на циркуляции. Их суть состо­
ит в минимизации суммарного квадрата отклонения точек реальной траек­
тории от точек выбранной окружности:
mm{F(Xc, Yc, Re)) = min{I*dL' } =
= m i n { I m-Xcf
+ {Yt- Ycf-RcY)-
(6)
В ходе решения задачи определяется не только радиус циркуляции Re,
но и координаты центра циркуляции Хс, Yc, которые другими способами
вообще не находятся. При этом используется весь объем траекторных из­
мерений, выполненных в ходе испытаний.
Предложенный метод позволяет научно обоснованно находить важ­
нейшие маневренные характеристики судна, связанные с циркуляцией. Ре­
зультаты такой идентификации приведены на рис. 2 для натурного экспе­
римента, выполненного на судне "Борис Зайцев".
Особым преимуществом метода является возможность его примене­
ния в условиях действия ветра. При этом сама задача усложняется, так как
приходится в процессе минимизации находить еще два параметра - вели­
чину и направление ветрового сноса судна. Но и в этом случае метод рабо­
тает достаточно хорошо.
Рис. 2. Идентификация параметров натурной циркуляции
по урезанному массиву точек эксперимента (точки с 5 по 43,
Хс = -69 м, Ус = -61 м, Лс = 44 м, ветер 10 м/с 90 град., руль 15 фад. п/б)
Особым преимуществом метода является возможность его примене­
ния в условиях действия ветра. При этом сама задача усложняется, так как
приходится в процессе минимизации находить еще два параметра - вели­
чину и направления ветрового сноса судна. Но и в этом случае метод
работает достаточно хорошо.
Еще лучше оказываются результаты, когда исходная траектория не
является натурной, а генерируется программно. Тогда пофешность исход­
ной информации мала и соответствие траекторий улучшается. На рис. 3
15
хорошо видно совпадение сгенерированной и модельной траекторий при
идентификации параметров циркуляции предложенньш методом.
Рис. 3. Идентификация параметров модельной циркуляции
при ветре (направление ветра О град., скорость 16 м/с.
Re = 290 м, <в= 22.4 градУмин)
Процедура минимизации была реализована в виде специальной ком­
пьютерной программы [6], которая разработана при участии автора и заре­
гистрирована в РосАПО.
В
четвертой главе введено понятие определения коэффициентов
влияния параметров математической модели судна на его основные манев­
ренные элементы и приведена методика его использования. Это относится
к таким параметрам, как диаметр установившейся циркуляции, тактиче­
ский диаметр циркуляции, выдвиг, параметры движения при одерживании
и параметры движения "зигзаг". В качестве примера приведем результаты
16
влияния параметров модели на циркуляцию. На рис. 4 показаны траектории
судна при базовых значениях параметров модели и увеличенных и умень­
шенных на 10 % их значениях.
— т
so
^^-^ '-
1 . , , ^ " '!
" '1
-
"J
\ А.
/ п
т
/ ц
'
0
iOO
-
зж
чi
1
-
1\
-
/
1
i \
/ / ^
У/ /
\
^^„^■•^'^^Zt-»^
ко
■*=^-'^
^.-^
1
1
1
у
/'
1
-
1
Рис. 4. Сравнительные траектории при +10% вариации
параметров модели судна (кладка руля 15 фад.,
начальный курс 30 град., кривая 1 - базовая)
Для правильной оценки описанного влияния введены специальные
коэффициенты. Их структура показана на примере коэффициента влияния
параметров на радиус установившейся циркуляции Re:
Mc-^lMij-'^",
,
(7)
где a,j - параметры модели;- коэффициенты влияния.
Коэффициенты К ^ рассчитываются при пробном изменении каждого
параметра, последующем моделировании движения и измерении радиуса
траектории и равны отношению изменения радиуса к изменению самого
параметра. Результаты такого расчета представлены в табл. 4.
Таблица 4
Коэффициенты влияния на радиус установившейся циркуляции
aO,j
0.4
0,46
0,39
0,94
2,4
3
4,5
6,2
К^у
-36.6
49.2
28.0
-17.2
-37.4
49.6
-26.2
11.5
Результаты табл. 4 позволяют легко определить, какие коэффициенты
в большей степени влияют на определенную характеристику установив­
шейся циркуляции и в какую сторону - увеличения или уменьшения. Так,
на радиус установившейся циркуляции наиболее сильно влияют парамет­
ры al2 и а22 в сторону увеличения. Это позволяет, например, выбрать из
возможного диапазона значений параметров Оу те из них, которые увели­
чивают расчетный радиус циркуляции с тем, чтобы можно реально впи­
саться при повороте судна в ограниченную акваторию маневра. Аналогич­
ные таблицы составлены для всех маневренных элементов, которые стан­
дартизованы ИМО.
Например, для важной маневренной характеристики, называемой на­
чальной
поворотливостью,
получены
результаты,
представленные
в табл. 5. Здесь в последней строке таблицы показаны значения коэффици­
ентов влияния, выраженные в процентной форме. При этом изменения са­
мих параметров считаются равными 10 %. Так, при изменении параметра
al2 на 10 % начальная поворотливость изменяется на 18 %. В данном слу­
чае это самый "активный" в плане влияния коэффициент модели.
18
Таблица 5
Коэффициенты влияния параметров на начальную поворотливость
ell
all
al3
aU
al\
a22
ali
a24
Значение
0.44
0.48
0.43
1.02
2.45
3.3
4.9
6.5
По
10.4
37.8
21.9
21.2
111
9.8
22.3
21.2
-270
830
17.5
0
120
-38
2.75
0
-5.1
18.0
0.3
0
13.6
-5.4
0.6
0
^j
0/
/0
Знаки коэффициентов влияния позволяют качественно определить,
какие параметры модели могут ухудшить исследуемую маневренную ха­
рактеристику. Так, начальная поворотливость судна увеличивается при
увеличении параметров модели a l 2 и а21, при этом судно становится ме­
нее устойчивым.
Можно
констатировать,
что
введенные
коэффициенты
влия­
ния-позволяют значительно упростить и ускорить процесс идентифика­
ции. Действительно, для точной идентификации параметров математиче­
ской модели судна приходится затрачивать значительные временные и ма­
териальные ресурсы. К ним относится постановка самих натурных испы­
таний, начиная с разработки методики их проведения, собственно натур­
ные испытания и последующая обработка их результатов. Возможно, такая
обработка покажет необходимость новых испытаний с повторением всего
технологического цикла. Если же мы будем знать, что конкретный пара­
метр модели слабо влияет на данную маневренную характеристику, то не
будем уточнять его многократно, сократив тем самым процесс "подгонки".
Все коэффициенты влияния собраны в специальные таблицы, пред­
ставлены в процентной форме и позволяют корректировать параметры ма­
тематической
модели
для
максимального
соответствия
полученных
с ее помощью маневренных характеристик согласно перечню И М О .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе рассмотрены проблемы, которые связаны с идентификацией
общей математической модели судна или его отдельных маневренных ха­
рактеристик и вытекают из общей теории моделирования и идентификации
моделей. В рамках поставленных задач:
1. Получены структуры важнейших элементов уравнения продольного
движения судна - упора винта, гидродинамического сопротивления про­
дольному движению судна, присоединенной массы судна в продольном
движении в виде уточненных формул (1), (2) и (3) соответственно.
2. Решение задач по структурированию (1) - (3) позволило создать мо­
дель (4), адекватно описывающую продольное движение судна на малых
передних и задних ходах и использовать модель для создания тренажера по
маневрированию судна на гибкой связи и различных швартовых операций.
3. Произведена оценка требующейся точности определения координат
судна при проведении натурных испытаний для достоверного определения
параметров математической модели. В рамках такой оценки выбран опти­
мальный метод аналитического представления траектории маневра, выбор
решен в пользу сплайновых аппроксимаций. Показано, что требуемая точ­
ность обсервации координат может бьпъ достигнута только специальными
техническими средствами навигации. Например, при работе судна вблюи
опорной станции дифференциальной спутниковой навигационной системы
(DGPS).
4. Предложены способы оптимальной обработки траекторных измере­
ний в условиях действия ветра, которые позволяют свести его искажающее
действие к минимуму и получать объективные значения ряда маневренных
характеристик на циркуляции, а также параметры самого ветрового сноса его величины и направления.
20
5. Введено понятие коэффициентов влияния параметров математиче­
ской модели на маневренные характеристики судна. Вычислены коэффи­
циенты влияния на характеристики установившейся циркуляции, эволю­
ционного периода циркуляции, на начальную поворотливость судна, его
способность к одерживанию и тормозные характеристики при переходе
с большей скорости судна на меньшую скорость при выполнении сложных
швартовных операций. Для всех этих характеристик коэффициенты влия­
ния получены как в абсолютном, так и в процентном выражении.
6. Рассмотрена теоретическая проблема использования принципа мак­
симума Понтрягина для решения задач параметрической идентификации.
Как результат применения этого принципа получен важный вывод о том,
что при идентификации общей модели достоверна только интервальная
(а не точечная) оценка параметров моделей. Внутри этих интервалов сле­
дует выбирать такие значения параметров модели, которые определяют
маневренные характеристики с определенным запасом безопасности ма­
неврирования.
Все полученные результаты легко обозримы, имеют простую форму
и могут быть применены в реальных судовых условиях или в рамках учеб­
ных занятий при подготовке судоводителей. Кроме того, все результаты
наших исследований были применены (и могут применяться для аналогич­
ных целей) при создании электронных тренажеров, отрабатывающих
сложное маневрирование в стесненных условиях, В диссертационной ра­
боте приводятся как теоретические решения, так и практические алгорит­
мы идентификации частных моделей конкретных судов, получаемые на
основе их ходовых испьгганий. Они дают возможность совершенствования
маневрирования крупнотоннажных судов с использованием технических
средств судовожцения.
21
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
1. Степахно, Р.Г. Оценка необходимой точности натурных испьгганий
для достоверной идентификации параметров модели судна / Р.Г. Степахно
// Наука и образование - 2002 : Материалы Всерос. науч.-техн. конф. (Мур­
манск, 16-29 апр. 2002 г.) / Мурман. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2002. С. 671-€73.
2. Юдин, Ю.И. Обработка результатов натурных испытаний с учетом
траекторных наблюдений маневров / Ю.И. Юдин, Р.Г. Степахно // Вестник
М Г Т У : Труды Мурманского гос. техн. ун-та. - 2002. - Т. 5, № 2. С. 213-218.
3. Степахно, Р.Г. Еще раз об уравнении управляемости Номото /
Р.Г. Степахно // Вестник МГТУ : Труды Мурманского гос. техн. ун-та. 2003. - Т. 6, № 1. - С. 69-74.
4. Степахно, Р.Г. Построение диаграммы управляемости судна по ре­
зультатам трех установившихся циркуляции / Р.Г. Степахно, Ю.И. Юдин //
Наука и образование - 2003 : Материалы Всерос. науч.-техн. конф. (Мур­
манск, 2-16 апр. 2003 г.) / - Мурман. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2003. 4.5.-С. 12-13.
5. Юдин, Ю.И. Идентификация модели судна - важнейший элемент
управления безопасностью мореплавания / Ю.И. Юдин, Р.Г. Степахно //
Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специали­
стов SSN, 2002 : Материалы III меяадунар. конф. (Калининград, 27-29 но­
ября 2002 г.) / Калининград, 2003. - С. 274-283.
6. Обработка экспериментальных данных циркуляции судна и иден­
тификация параметров ММ в отклонениях при действии ветра : свидетель­
ство об офиц. регистр, программы для Э В М № 2003511469, Россия /
С В . Пашенцев,
Р.Г. Степахно,
А.Ю.
заявл. 24. 04. 2003 ; зарег. 19.06.2003.
Юдин;
заявитель
МГТУ;
Издательство М Г Т У , 183010 Мурманск, Спортивная, 13.
Изд. лиц. № 020681 от 16.12.97. Полиграф, лиц. № 54-20 от 10.06.99.
Сдано в набор 10.10.2005. Подписано в печать 30.09.2005. Формат 60x84^^.
Бумага типографская. Усл.-печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,00. Зак. 340. Тираж 100 экз.
i!!>1132
РНБ Русский фонд
2006-4
22577
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
704 Кб
Теги
bd000102522
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа