Optimal Control of the Electric Propulsion Systems of Vessels on the Criterion of Minimum Losses

Abstract

Задача оптимального управления в системе электродвижения судна по критерию минимума потерь, обеспечивающего желаемые переходные процессы и заданное значение выходной целевой функции, решена с использованием методов теории автоматического регулирования. Судовая электроэнергетическая система судна с системой электродвижения рассмотрена как совокупность подсистем управления в соответствии с основными элементами судовой системы. Сформулирована цель оптимального управления-повышение эффективности передачи энергии от двигателя к движителю за счет снижения потерь энергии. При этом судовая электроэнергетическая система с системой электродвижения рассмотрена как единая система с множеством переменных управления, каждая из которых настроена на свой оптимум. Предложено решение задачи оптимального управления как совокупность систем с контурами оптимального управления, настроенных на технический оптимум, и оптимальным регулятором. Представлена структура построения системы оптимального управления динамической системы. Получено аналитическое решение для формирования оптимального регулятора с оптимальным управлением. Построена математическая модель судовой электроэнергетической системы с системой электродвижения гребной дизель-электрической установки с униполярными машинами. Для реализации был использован математический редактор SIMULINK (приложение MATLAB). При этом целевой выходной функцией была принята скорость вращения винта. Проведено исследование работы модели при раздельном управлении подсистемами и оптимального управления по критерию минимума потерь энергии. Показана эффективность построения оптимальных систем управления при передаче энергии от теплового двигателя к исполнительному механизму, зависимости потерь от скорости вращения винта по сравнению с раздельным управлением системами судна. Ключевые слова: система электродвижения судна, математическая модель судовой электроэнергетической системы, гребная дизель-электрическая установка с униполярными машинами, функция оптимального управления, оптимальный регулятор, критерий минимизации потерь энергии, эффективность построения оптимальных систем управления. Keywords: ship propulsion system, the mathematical model of the ship's electric power system, rowing diesel-electric system with unipolar machines feature optimal control, optimal control, the criterion of minimizing energy losses, effects of constructing optimal control systems.

Modeling of the System of Energy Efficient Control of the Electrical Propulsion Installation With Homopolar Machines

“…Для формирования системы оптимального управления ГЭУ необходимо сформировать динамическую модель. Динамическая модель гребной дизель-электрической установки с униполярными машинами формируется на базе динамических моделей ее элементов: дизеля, генератора-двигателя и винта [18], [19]. Структурная схема гребной дизель-электрической установки с униполярными машинами приведена на рис.…”

Optimization of the Motion River Vessels Regimes Control

“…Известно, что движение судна по внутренним водным путям происходит в самых разнообразных и постоянно изменяющихся путевых и гидрометеорологических условиях, к которым относятся ширина и извилистость фарватера, течения разных направлений и интенсивности, ограничения по глубине акватории, разнообразные по направлению и силе ветра, различная загрузка самого судна, а также путевые ограничения, рассмотренные в работе [1]. Как показывает практика эксплуатации речных судов, для каждого из сочетаний этих условий характерны свои целесообразные режимы движения судна и, следовательно, параметры работы его энергетической установки.…”

“…При этом целесообразные режимы работы судового комплекса могут значительно отличаться от номинальных. Одновременно наблюдается резкое снижение нагрузки на судовые двигатели, что приводит к существенной экономии топлива, а также снижению вредных выбросов и сбросов в окружающую среду согласно исследованиям, выполненным работе [2].…”

“…Сложность динамических процессов управления судном требует создания информационного обеспечения, позволяющего на качественно новом уровне, с использованием современных компьютерных технологий, решать задачи оптимизации технологических процессов управления сложным динамическим объектом, моделировать поведение судна в сложившихся путевых условиях с целью обеспечения безопасности и безаварийности плавания, использовать при управлении движением речных судов автоматизацию движения судна по заданному маршруту, динамическое позиционирование судна, а также глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS. Подробно преимущества и недостатки показаны в работе [1]. Поэтому задача исследования и разработки автоматических систем управления движением судном (СУДС), которые предназначены не только для обеспечения курса судна, но и для динамического позиционирования при наличии значительных ветровых и волновых возмущений, является весьма актуальной.…”

“…Методы и материалы В СУДС (рис. 1) с обратной связью по наблюдаемым переменным ȳ 1 (t), ȳ 2 (t) входят, согласно данным источников [1], [3], следующие элементы:…”