Вход

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ, АДАПТАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Рекомендуемая категория для самостоятельной подготовки:
Курсовая работа*
Код 214402
Дата создания 14 марта 2017
Страниц 58
Мы сможем обработать ваш заказ (!) 29 марта в 12:00 [мск]
Файлы будут доступны для скачивания только после обработки заказа.
3 430руб.
КУПИТЬ

Описание

Теоретическая часть по теме
Содержит формулы и технические рисунки ...

Содержание

ВВЕДЕНИ………………………………………………………………………..3
ГЛАВА I АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ, АДАПТАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ……4
1.1 Оптимальное управление ……………………………………………………4
1.2 Методы оптимизации………………………………………………………16
1.3 Адаптивные САУ ……………………………………………………………21
1.4 Экстремальные самонастраивающиеся системы …………………………27
1.5 Адаптивные авторулевые…………………………………………………..32
1.6 Основные задачи контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния СЭУ…………………………………………………40
1.7 Эффективность и качество судовых автоматизированных систем………51
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………58

Введение

Характерной особенностью современного судового энергомашиностроения является повышение степени автоматизации энергетических установок на базе печатных схем, микропроцессорной техники с применением электронно-вычислительных систем и программируемой логики. На судах устанавливаются электронные регуляторы частоты вращения, давления, температуры вместо традиционных, механических.
Меняется и характер эксплуатации систем автоматического управления. Благодаря применению комплексных систем управления появилась возможность обеспечить оптимальные режимы работы судовых энергетических установок. Ремонтные работы в судовых условиях практически сводятся к поиску поврежденного блока или электронной карты и их замене, а также к настройке системы автоматического управления.
В связи с этим возросли требования к подготовке судовых специалистов, в том числе и электромехаников, которых в настоящее время начинают привлекать в качестве вахтенных для несения постоянной вахты в центральном посту управления. Это накладывает дополнительные требования к их подготовке. Они должны знать не только сам объект управления – главный двигатель, но и все системы, обеспечивающие его работу их свойства и характеристики.

Фрагмент работы для ознакомления

4, а). В качествe пробных сигналов могут использоваться типовые воздействия вида единичного ступенчатого l(t) импульсного δ(t), гармонического sin ωt , случайного сигнала «белого шума», а также естественного воздействия х'пр = хзд. Таким образом, СУ осуществляет стабилизацию переходной характеристики h(t), импульсной (весовой) характеристики hϑ(t), амплитудно-частотной характеристики A(ω) и т.п. Вычислительное устройство ВУ по входному пробному воздействию хпр, и реакции упр ОУ из него вычисляет ошибку ∆l критерия качества и подает сигнал на исполнительное устройство ИУ, изменяющее соответствующий параметр до ликвидации ошибки. К контуру самонастройки (СНС) предъявляются следующие требования: — быстродействие контура должно быть больше быстроты изменения стабилизируемых динамических свойств основной САУ; — пробные сигналы должны быть достаточно малы, так как они представляют собой помеху для работы основной САУ. Большое распространение получили модели СНС, которые имеют эталонные динамические характеристики реальной САУ (рисунок 8.4, 6). В таких СНС в ВУ сравнивается реакция упр реального объекта от пробного сигнала хпр и реакция ум математической модели на тот же сигнал хпр. При наличии расхождений между упр и ум производится коррекция параметров управления реальной САУ. В беспоисковых адаптивных САУ автоматическая перенастройка значений параметров СУ осуществляется на основе аналитического определения условий, обеспечивающих заданный критерий качества управления без применения пробных поисковых воздействий, благодаря чему сокращается время оптимизации. Однако такие системы требуют для вычисления достаточно полной текущей информации и могут быть как с настройкой по внешним воздействиям, так и по динамическим характеристикам ОУ. СНС с настройкой по внешним воздействиям предназначены для поддержания заданного оптимального режима работы системы при изменении свойств этих воздействий. При построении таких САУ необходимо разрабатывать: — устройства, автоматически анализирующие структуры и параметры внешних воздействий; — алгоритмы самонастройки, оптимизирующие системы в соответствии с выбранным критерием по результатам анализа характеристик внешних воздействий. Принципиальное решение задачи возможно (рисунок 8.5), если анализатор сигналов (АС) оценивает параметры и вероятностные характеристики полезного сигнала x(t) и возмущений z1(t) и z2(t). По результатам этого анализа с помощью вычислительного устройства ВУ рассчитываются и устанавливаются через ИУ оптимальные значения параметров СУ основного контура. СНС с настройкой на стабилизацию динамических характеристик ОУ определяют (идентифицируют) текущие характеристики ОУ (весовую функцию и т.п.) и по результатам анализа корректируют параметры СУ. 1541780184340500В беспоисковых адаптивных САУ может применяться программное изменение параметров СУ, если заранее известен характер влияния внешней среды на характеристики объекта. Он может быть определен с помощью специальных датчиков. С учетом этого и следует воздействовать на параметры СУ, вычислив их предварительно по формулам, заложенным в ВУ. 1766570197231000Рисунок 1.5 - Функциональная схема самонастраивающейся оптимальной беспоисковой системы. Здесь АС — анализатор сигналов Рисунок 1.6 - Функциональная схема самонастраивающейся оптимальной поисковой системы. Здесь Гп — генератор поисковых сигналов Поисковые САУ с оптимизацией управления могут вести автоматический поиск (самонастройку) экстремума величины, характеризующей критерий качества I управления при произвольном изменении внешних условий работы. Чаще всего поиск ведется в целях отыскания некоторого параметра (или нескольких параметров) СУ, который обеспечивал бы экстремальное значение показателя качества. Обобщенная функциональная схема оптимальной СНС показана на рисунок 1.6. Если в САУ со стабилизацией критерия качества ВУ выявляет отклонение его от заданного значения, то и данной схеме ВУ определяет отклонение ∆I от заранее неизвестного экстремального значения. Для его нахождения вводится дополнительный поисковый сигнал хп от специального поискового генератора Гп благодаря чему происходит автоматическое слежение за экстремумом критерия оптимизации. 'Как видно из рисунка 8.6, в общем случае используются два сигнала, хпр и хп. Под воздействием сигнала хпр определяется конкретное значение критерия качества I при фиксированном значении некоторого настроечного параметра ан системы управления. С помощью поискового сигнала хп определяется направление изменения ан соответствующее приближению к экстремуму критерия качества. В отдельных случаях вместо пробного сигнала xпр используется естественное изменение задающего сигнала x'пр = xзд , а вместо поискового сигнала — математическое описание экстремальной функции качества функционирования. Достижение экстремума возможно за счет изменения нескольких настроечных параметров. Одним из распространенных способов нахождения экстремума является метод градиента. Если критерий качества является многопараметрической функцией и условием экстремума будет где А* — значения параметров, при которых достигается экстремум. Практически значение экстремума удобнее достичь, поочередно применяя (покоординатно) изменения параметра аi, т.е. метод Гаусса — Зейделя или поочередное нахождение локального экстремума в направлении аi. Поиск экстремума градиентным методом включает в себя два этапа: определение градиента и организация движения к экстремуму в соответствии с информацией о градиенте.1.4. Экстремальные самонастраивающиеся системы Среди поисковых СНС с оптимизацией некоторого показателя функционирования реального объекта или показателя качества управления широко распространены экстремальные СНС. Их отличительным признаком является наличие у ОУ статической характеристики с явно выраженным экстремумом (рисунок 1.7), достигаемым при определенных значениях входных переменных. В таких системах экстремальность обеспечивается не за счет изменения параметров СУ, а за счет изменения сигналов управления, и сам критерий оптимальности определяется естественными свойствами ОУ, я не является искусственно вводимой мерой отклонения свойств реальной системы от се математической модели. Экстремальные СНС обеспечивают оптимальный режим работы ОУ. В качестве критерия оптимальности принимается значение максимума или минимума функции качества работы объекта, когда не известны ни число экстремумов, ни их положение. Рисунок 1.7 - Статические характеристики экстремальных систем: а — слежение за глобальным экстремумом; б — зависимость при ; в — зависимость при GTi =const; — температура в топке котла; GB — расход воздуха; GT— расход топлива Экстремальные СНС управления должны вывести рабочую точку (режим работы ОУ) на глобальный экстремум и удерживать ее в этом положении. От действия возмущений или других сигналов управления все экстремумы характеристики ОУ могут смещаться как по горизонтали, так и по вертикали (рисунок 1.7, а, кривые 1 и 2). Экстремальная СНС должна организовывать движение переменных при любых возмущениях таким образом, чтобы СУ, несмотря на перемещение глобального экстремума, удерживала рабочую точку в экстремальном значении и1* или и2*. Экстремальные характеристики присущи многим ОУ, в том числе и судовым, у которых, как правило, эти характеристики выпуклые или вогнутые, а следовательно, имеют один глобальный экстремум. На рисунке 1.7,б приведена характеристика изменения эффективного КПД в зависимости от нагрузки дизеля при , а на рисунке 1.7, в — температуры в топке котла от количества расхода воздуха GВ, при постоянных значениях расхода топлива GT. Как следует из рисунка 1.7, б и в, происходит смещение экстремумов. Линия 1 определяет наиболее экономичные соотношения величин и в первом случае и — во втором. Примерами судовых СУ с экстремальными характеристиками являются СУ успокоителями качки; движением судна по курсу; радиолокационными установками; размагничиванием судов; винтом регулируемого шага (ВРШ); энергетической установкой (ЭУ). На рисунке 1.8 показана зависимость удельного расхода топлива gT дизеля в зависимости от скорости судна vc при постоянной частоте вращения вала дизеля ni для судов с ВРШ. 164465012382500 Рис. 1.8. Статическая экстремальная характеристика при пi = const Изменение скорости судна vc происходит за счет изменения шага винта H и выражается зависимостью vc = f(H). Как следует из рисунка 1.8. минимальный удельный расход топлива gT при разных значениях пi = const будет при различной скорости судна. Кроме того, смещение точки минимума при данном значении пi = const возможно при изменении нагрузки, качества топлива, давления, температуры и др. Можно полагать, что на вход системы подается вектор управления и (многомерное управление), а выходная экстремальная координата и скалярная функция: y=I(u) , экстремум которой достигается при некотором значении u*, при этом Зависимости, подобные показанным на рисунке 1.8, позволяют определить, например, наиболее экономичный режим работы рыбопромысловых судов с тралом и выработать требования к системе регулирования напряжения и частоты вращения валогенератора при значительном снижении частоты вращения ГД. Кривая 1 позволяет определить программу оптимального управления при . В экстремальных СНС должна быть предусмотрена возможность непосредственного измерения экстремальной выходной координаты у или вычисление ее на основе измерения некоторой совокупности величин, характеризующих состояние ОУ. Как следует из рисунков 1.7 и 1.8, характеристики ОУ с определенной степенью точности можно представить в виде квадратичной формы, а в частном случае, при постоянных коэффициентах — в виде параболы y=au2+bu+c или y= au2Существуют разные способы поиска экстремумов: с запоминанием экстремума; вычисление градиента; шаговый (импульсного типа) и др. Рассмотрим некоторые алгоритмы поиска экстремума на конкретных примерах. Рисунок 1.9 - Одномерная экстремальная САУ с запоминанием. Здесь ЗУ — запоминающее устройство; УОП— устройство организации поиска; СА – система адаптации Рисунок 1.10 - Одномерная экстремальная САУ с измерением по градиенту. Здесь Д1, Д2 — дифференциаторы; ДУ — делительное устройство; У — усилитель Система поиска экстремума с его запоминанием (рисунок 1.9) оценивает разность между текущим значением выходного сигнала у объекта и его значением в предыдущий момент времени. Алгоритм работы системы следующий. Выходная величина у ОУ со статической характеристикой у=f(u) подается на запоминающее устройство ЗУ. Если у имеет максимум, ЗУ фиксирует только его увеличение, т. е. запоминание происходит только при увеличении у. На уменьшение у ЗУ не реагирует. Сигнал с ЗУ постоянно подается на элемент сравнения, где сравнивается с текущим значением сигнала. Сигнал разности с элемента сравнения поступает в устройство организации поиска (УОП), имеющего релейную характеристику с зоной нечувствительности . Когда разность превысит зону нечувствительности УОП , исполнительное устройство (ИУ) воздействует на входной сигнал и объекта в сторону его увеличения или уменьшения в зависимости от знака разности . После срабатывания УОП, значение Узап сбрасывается и запоминается новое, если оно будет больше предыдущего. Таким образом, схема поддерживает максимальное значение регулируемой величины. Система поиска экстремума с измерением по градиенту (рисунок 1.10), когда производная dy/du равна нулю при значении входного сигнала и = u*. Алгоритм работы системы следующий. Значения входного и выходного сигналов ОУ подаются на два дифференциатора Д1 и Д2 на выходе которых получаются сигналы соответственно du/dt и dy/dt. Сигналы производных поступают на делительное устройство ДУ, на выходе которого получается сигнал dy/du. Этот сигнал через усилитель воздействует на ИУ, которое меняет входной сигнал и до значения dy/du = 0. Система обладает рядом недостатком, которые делают ее практически малопригодной: — при du/dt → 0 производная dy/dt также стремится к нулю и задача отыскания экстремума становится неопределенной; — все реальные объекты обладают инерцией, поэтому необходимо делить друг на друга не одновременно замеренные производные dy/dt и du/dt, а сдвинутые на время задержки сигналов в объекте; 1455420110109000 — при сколь угодно малом дрейфе статической характеристики система теряет работоспособность. Система с измерением производной по времени (рисунок 1.11). Рисунок. 1.11 - Одномерная экстремальная САУ с измерением по производной времени В этой системе дифференцируется только выходной сигнал ОУ, который передается на УОП. Поскольку при переходе системы через экстремум знак dy/dt изменяется, то для отыскания экстремума необходимо реверсировать ИУ, когда производная dy/dt поменяет знак и превысит зону нечувствительности УОП. Рассмотренные алгоритмы поиска экстремума хорошо реализуется с применением микропроцессорных систем.1.5. Адаптивные авторулевые С начала 70-х гг. начались интенсивные работы по созданию новых эффективных систем автоматического управления движением судна. Объясняется это резким увеличением цен на топливо для судовых энергетических установок, требованиями безопасности мореплавания в условиях увеличивающейся интенсивности судоходства, строительством крупнотоннажных и скоростных судов. Качество работы САУ движением судна и технико-экономическая эффективность ее эксплуатации зависят от выбора оптимального соотношения регулируемых параметров авторулевого. Не существует удобного для ручной настройки комплексного показателя качества. Оценить все факторы, влияющие на качество автоматического управления, и выбрать оптимальные значения параметров настройки системы в процессе ее эксплуатации невозможно. Неоптимальное управление судном по курсу приводит к дополнительному расходу топлива. Потери полезной мощности СЭУ происходят по следующим причинам: — «следствие удлинения пути при отклонении от заданного курса на чистоте собственных колебаний судна; — из-за дополнительного сопротивления воды движению судна при появлении угла дрейфа; — в результате торможения судна под влиянием угловой скорости рыскания и линейной скорости бокового смещения судна с линии курса, возникающего при одновременном дрейфе и рыскании; — из-за дополнительного сопротивления воды движению судна за счет перекладки руля. Все это создает дополнительное сопротивление до 2,5 % полного сопротивления для крупнотоннажных танкеров и 1,2% — для обычных транспортных судов. Потери скорости достигают 2—3 %. Наметились два пути развития эффективных систем автоматического управления движением судном. 1. Создание автоматизированных комплексов навигации и управления на базе ЭВМ, которые решают задачи выработки оптимальных сигналов управления в различных режимах работы системы по заданным критериям качества. К таким системам относятся интегрирующие системы навигации и управления «Дейта Бридж» (Норвегия), «Аутомат» (США), «Наутомат» (Германия), «Тонак» (Япония) и др. 2. Применение автономных адаптивных авторулевых, обеспечивающих автоматическую настройку параметров системы с помощью специальной микропроцессорной системы. Такой принцип заложен в адаптивных авторулевых типа «Стирмастер-2000» (Швеция), «Rocal Decca DP-780» (Англия), «Диджи-Пайлот АП-9» (США) «Нью-Пайлот ПР-5000» (Япония) и др. Адаптивные авторулевые выполняют оптимальную настройку параметров системы при изменении состояния ОУ и внешних условий плавания (скорости, осадки судна, состояния погоды и т,д.), т.е, обеспечивают стабилизацию судна на заданном курсе с минимальными потерями полезной мощности на управление. Разработано несколько типов адаптивных авторулевых е. автоматической настройкой параметров: авторулевые, осуществляющие адаптацию системы с использованием эталонной математической модели ОУ или всей системы в целом; авторулевые, осуществляющие настройку оптимальных значений параметров системы непосредственно по заданному экономическому критерию качества; авторулевые, осуществляющие адаптацию системы путем анализа вероятностных оценок процесса управления. Широкое применение нашли авторулевые первого типа с эталонной математической моделью. В таких системах формирование сигналов, воздействующих на параметры управления, осуществляются на основе анализа качества удержания судна на курсе по наблюдаемым и моделируемым переменным состояния ОУ. Процесс адаптации протекает следующим образом. На вход эталонной модели (рисунок 1.12) поступает такое же управляющее воздействие, как и на реальный объект. Рисунок 1.12 - Функциональная схема адаптивного авторулевого I — авторулевой", 2 — рулевая машина; 3 — судно; 4 — блок адаптации; 5 — модель авторулевого; 6 – модель рулевой машины; 7 —модель судна; 8,9 - дифференцирующие блоки С выхода модели снимается рассчитанный сигнал угловой скорости , поворота судна. Осуществляется непрерывное сравнение фактической угловой скорости поворота судна с угловой скоростью , где — угол отклонения судна от заданного курса . Разность используется для формирования корректирующего сигнала, на основании которого система адаптации выполняет автоматическую настройку параметром управления. Функциональная схема одной из возможных адаптивных САУ показана на рисунке 1.12. В авторулевых второго и третьего типов используется дополнительный контур самонастройки, выполняющий следующие функции: — получение информации о внешних воздействиях и динамических свойствах основного контура системы в. процессе работы; — определение на основе полученной информации численного значения критерия качества; — формирование соответствующего управляющего сигнала для обеспечения оптимального режима работы САУ при минимизации заданного критерия. Функциональная схема подобных авторулевых показана на рисунке 1.3. Здесь СУ состоит из авторулевого и рулевой машины, а ОУ является судно. В систему адаптации, представляющую специализированную ЭВМ, поступает информация от судового гирокомпаса, лага, гироскопического измерителя угловой скорости поворота судна , маятникового креномера, измеряющего период бортовой качки, а также значения заданного и истинного углов перекладки руля. Данные, полученные от датчиков первичной информации, обрабатываются с помощью фильтра Калмана, служащего для выделения полезного сигнала управления на фоне помех, вызванных рысканием судна при волнении, а также для выработки оценок параметров движения судна, необходимых для оптимизации настройки авторулевого и прогнозирования желаемой реакции судна на управляющие воздействия. Алгоритм адаптации, т.е. порядок определения оптимальных значений параметров настройки авторулевого, следующий: 1) при выходе из порта определяются период бортовой качки судна и характеристики рыскания, вызванного волнением. Эти воздействия при расчете сигналов управления используются как помехи; 2) в качестве исходных принимаются значения коэффициентов пропорциональной и дифференциальной составляющих закона регулирования, рассчитанные по гидродинамическим характеристикам судна; 3) вычисляется сигнал управления, поступающий на рулевой привод; 4) в течение нескольких минут анализируется работа замкнутой системы и рассчитывается экономический критерий качества; 5) изменяются параметры авторулевого и анализируется их влияние на величину критерия; 6) вычисляется оптимальное соотношение параметров настройки, минимизирующее заданный критерий для данных условий плавания. Процесс адаптации занимает около 20 мин и повторяется снова при изменении состояния ОУ или условий плавания. Некоторые адаптивные авторулевые используют априорную информацию о динамике работы САУ движением судна по курсу в различных условиях плавания. Наборы параметров управления, рассчитанные с помощью ЭВМ, хранятся в блоке памяти судового микрокомпьютера в виде матрицы, ее используют для обеспечения устойчивости судна на курсе при любом соотношении параметров. Возможно решение оптимального управления движением судна по курсу па основе статистических методов.

Список литературы

1. Андрезен В. А. Комплекс автоматизированного управления техническими средствами газотурбохода «Капитан Смирнов» / В. А. Андрезен, В. В.Войтецкий, Ю. И. Колкунов. – Судостроение : 1980, № 3. - 33-36 с.
2. Бобылев В.П. Унифицированные судовые системы централизованного автоматического контроля / В. П. Бобылев – Судостроение : 1986. № 12 - 17-19 с.
3. Ланчуковский В. И., Козьминых А. В. Автоматизированные системы управления судовых дизельных и газотурбинных установок / В. И. Ланчуковский, А. В. Козьминых . - М : Транспорт, 1983. - 320 с.
4. Нелепин Р. А. Автоматическое управление судовыми энергетическими установками / Р. А. Нелепин. – Судостроение : 1986, - 294 с.
5. Орунов Г. П. Система управления вспомогательными механизмами главной энергетической установки / Г. П. Орунов.– Судостроение : 1986. № 10. - 23-25 с.
6. Суханов А.И. Опыт создания за рубежом распределенных комплексных систем централизованного управления и контроля судовых технических средств / А. И. Суханов. – Судостроение : 1987. № 9. - 23-29 с.
7. Тараторкин Б.С. Электронные устройства судовой автоматики / Б.С. Тараторкин – Судостроение : 1981. - 248 с.
8. Харьков А. М. Монтаж, эксплуатация и ремонт судовой автоматики / А. М. Харьков – Судостроение : 1977. - 158 с.
Очень похожие работы
Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.
* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.
bmt: 0.0048
© Рефератбанк, 2002 - 2024