Оптимальная идентификация судовых автоматизированных систем на основе планирования вычислительного эксперимента Зубарев, Юрий Яковлевич

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем.возникающих при исс-довании и проектировании судовых автоматизированных систем (АС), яв-ется проблема повышения качества процессов в АС и формирования опти-льных проектных решений. Решение указанной проблемы сталкивается с дом трудностей, связанных прежде всего со сложностью математического исания большинства судовых АС и большим числом противоречивых требо-ний, предъявляемых к АС.

Классические методы теории оптимального управления во многих слу-ях не применимы для сложных судовых АС, а упрощение математической рмулировки задачи, в частности, линеаризация исходных дифференциаль-!х уравнений, описывающих поведение судовых АС, понижение их порядка, учет ограничений на значения отдельных показателей или отказ от учета огокритериальности АС может привести к качественно неверным результа-м.

Одними из наиболее сложных судовых АС являются автоматизированные ектроэнергетические системы (АЭЭС), при проектирование которых возни-,ет проблема повышения и обеспечения заданного качества электромагнит-іх процессов (ЭМП), характеризующих поведение АЭЭС в стационарных, азистационарных и переходных режимах.

При решении проблемы повышения качества процессов в АС необходимо уществлять большой объем расчетов. Применение для этой цели традици-ных методов моделирования процессов АС, основанных.на несвязанных жду собой специализированных вычислительных моделях (ВМ), не предс-ивляется целесообразным по следующим причинам:

процессы в судовых АС обычно описываются системами нелинейных [фференциальных, трансцендентных и алгебраических уравнений высокого ірядка, что существенно затрудняет исследование на ЭВМ указанных провесов, в особенности на персональных компьютерах.

специализированные модели процессов в АС, как правило, записыва-"ся в различных математических терминах, что в подавляющем большинстве іучаев делает невозможным их одновременное использование при исследо-шии влияния отдельных параметров судовых АС на показатели качества «личных процессов;

применение указанных традиционных моделей для решения оптимиза-

расчета на ЭВМ.

Указанные свойства ВМ ДС существенно усложняет'разработку совр< менных методов,автоматизированного проектирования АС в диалоговом реж ме на основе персональных компьютеров^

При созданий комплекса моделей АС целесообразно использовать КО; цепцию активной идентификации сложных систем, основанную на планиров; нии вычислительного ./эксперимента. Планирование вычислительного экспер: мента, осуществляемого с помощью ЭВМ на основе ВМ, и обработка лолуче: ных результатов в соответствии с принятым критерием оптимальности по; воляет осуществить активную идентификацию процессов в АС, то есть пол; чить комплекс согласованных полиномиальных моделей процессов (ПМП.) судовых АС,, представляющих собой полиномиальные зависимости различні показателей качества процессов от исследуемых параметров АС и приложи ных к ним внешних воздействий.

Вопросам планирования эксперимента посвящено большое.число раб( отечественных и зарубежных авторов. '' Однако большинство указанных рабе 'посвящено планированию регрессионного эксперимента, ориентированного, і экспериментальные исследования реальных объектов, а не вьічислительні моделей. Применение планов.регрессионного эксперимента, разработка га торых осуществлялась на основе статистических критериев оптимальное^ без учета ошибки аппроксимации, не позволяет получить ПМП АС, обеспечі ваюшие необходимую точность расчетов для широкого диапазона изменен* исследуемых параметров. Встречающиеся в отдельных работах планы.: мині-мизирующие ошибки аппроксимации (смещение), предназначены для получеш достаточно простых зависимостей первого или, в отдельных частных случе ях, второго порядка и не могут быть использованы для определения ІЙ сложных судовых АС.

Идентификация в классе полиномиальных моделей таких сложных еж тем, какими являются судовые АС, требует развития общей теории планира вания вычислительного эксперимента с учетом, специфических . особенноете судовых АС и процесса их проектирования.

Указанная проблематика определила актуальность основного направле
ния настоящей работы. \ .: Л/'v\₀

Цель диссертационного исследования, состоит в_:совершенствовании аг томатизированного проектирования судовых АС путем решения.;проблемы ог тимальнои идентификации АС в классе аппроксимирующих полиномиальных мс делей, положенных в основу оперативных методов расчета процессов, коте

-з-іе используются для повышения качества АС и формирования оптимальных

ІШЄНИЙ.

В соответствии с указанной целью в диссертации' сформулированы, іоснованьї и решены следующие задачи:

1. Анализ существующих методов идентификации сложных систем в іассе полиномиальных моделей и разработка нового научного подхода к ітимальной идентификации судовых АС.

2. Развитие теории и методов планирования вычислительного экспери-шта для создания теории аппроксимирующих полиномиальных моделей, >едставляющей собой научную основу оптимальной идентификации процессов судовых АС.

3. Идентификация АЭЭС переменного тока со статическими преобразо-ітелями для определения комплекса согласованных ПМ ЭМП.

4. Создание и практическая реализация в отраслевых нормативных до-ментах и компьютерных диалоговых системах оперативных методов расчета жазателей качества ЗМІ в автоматизированных ЭЭС, основанных на ІМІ и зедназначенных для решения задач повышения качества ЭМП и формирования иимальных решений.

Методы исследования^- Решение поставленных задач базировалось на ^пользовании методов теории планирования эксперимента, оптимального іравления, оптимальной идентификации и математического ПрограммироваОбъектом исследования в диссертации являются судовые автоматизиро-анные системы, характеризуемые сложным математическим описанием, мно-эрежимностью и многокритериальностью. При этом благодаря универсаль-эсти полиномиальных моделей допускается широкое разнообразие принципов эстроения судовых АС, их назначения, физической природы элементов и арактера управляющих и возмущающих воздействий. Это позволяет исполь-эвать разработанную методологию при автоматизированном проектировании

льшинства судовых АС. Предметом диссертационной работы являются аппроксимирующие полино-альные модели процессов в судовых АС, а также оперативные методы рас-ста этих процессов, основанные на полиномиальных моделях. [ Научная новизна Диссертации состоит в создании теории аппроксими-ующих полиномиальных моделей процессов, представляющей собой научную снову оптимальной идентификации судовых АС в классе полиномиальных мо-елей. Наиболее значительными научными результатами, впервые получении-

-4-ми автором', являются следующие:

5. Сформулирован и математически обоснован новый научный подход оптимальной идентификации судовых АС в классе аппроксимирующих пол номиальных моделей.

6. Определены в явном виде необходимые и достаточные условия опт мальной идентификации судовых АС, включающие¹

общие условия оптимальной идентификации, справедливые для любы областей изменения нормированных значений исследуемых параметров АС;

- условия оптимальной идентификации, справедливые для случаев, к
гда область изменения нормированных значений параметров исследуем*
АС представляет собой гиперкуб;

- частные условия оптимальной идентификации для типовых IMI в АС
В отличие .от известных достаточных (но не необходимых ) услов:

оптимальной идентификации разработанные автором необходимые и достато¹ ные условия накладывают менее жесткие ограничения на оптимальные плаї вычислительного эксперимента, что позволяет существенно упростить синт< оптимальных планов и уменьшить затраты на вычислительный эксперимен:

3. Произведен синтез симметричных непрерывных планов вычислител] ного эксперимента (%Э)₅ минимизирующих интегральную оценку ошибки аі проксимации для оптимальной идентификации судовых АС в классе полином] альных моделей второго и третьего порядков.

4. Предложены новые типы полиномиальных моделей процессов в суде вых АС, в частности:

- многофакторные полиномиальные модели второго и третьего поря;
ков, представляющие собой композиции полиномов первого, второго

третьего ПОРЯДКОВ;

кусочно-полиномиальные модели, обеспечивающие достаточно высок} точность идентификации в любых подобластях области изменения параметре судовых АС.

мультипликативно-полиномиальные модели, положенные в основу ГРс фо-аналитических методов оценки качества АС.

Разработаны условия оптимальной идентификации и произведен сшш несимметричных оптимальных планов для определения вышеуказанных ІШП сі довых АС.

5. Разработаны научные основы активно-пассивной идентификации
учитывающей взаимосвязь между параметрами АС. Получены условия опта
мальной идентификации и осуществлен синтез полноблочных и неполнобло^

зых планов активно-пассивного эксперимента.

6. Произведена идентификация электромагнитных процессов в АЭЭС, в результате которой разработан комплекс согласованных полиномиальных моделей несинусоидальных, несимметричных и переходных процессов, включаю-ций:

модели несинусоидальных процессов, определяющие коэффициент искажения кривой напряжения АЭЭС, амплитуды гармонических составляющих напряжения в АЭЭС, гармонических составляющих.токов и электромагнитных' моментов синхронных генераторов и асинхронных двигателей.

модели переходных электромагнитных процессов в АЭЭС при внезапном изменении статической симметричной нагрузки и запуске асинхронных двигателей.

модели несимметричных процессов б АЭЭС, учитывающие наличие однофазных потребителей и несимметрию тока трехфазных потребителей, в (частности асинхронных двигателей и статических преобразователей.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Предложеный новый научный подход к АС, основанный на разработанной автором теории аппроксимирующих полиномиальных моделей, позводя-!ет осуществлять оптимальную идентификацию судовых АС, практически любой ютепени сложности в классе полиномиальных моделей.

2. Полученные автором в явном виде соотношения между моментами ПВЭ к закоггами распределения параметров, характеристиками отдельных конфигураций и частотами проведения эксперимента в этих конфигурациях дают возможность достаточно просто осуществлять синтез непрерывных симметричных и несимметричных планов второго и третьего порядков, обеспечивающих оптимальную идентификацию АС.

3. Разработанные автором модели и методы расчета позволяют на различных этапах автоматизированного проектирования осуществлять решение проблемы повышения качества ЭМП в судовых АЭЭС и Формирования оптимальных решений при ограниченных затратах времени расчета на ЭВМ.

Реализация работы. Разработанные автором модели положены в основу автоматизированных систем расчета показателей качества ЭМП "РЭМП", "Диск", "Диалог", реализованных на персональных компьютерах и ЕС ЭВМ.

Разработанные автором методы расчета показателей качества "№ были включены в следующие ОСТ, РД и методики:

" - OCT 5.6130-78 и РД 5.6130-85 "Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета коэффициента искажения синусоидальности кривої напряжения".

"Методика определения качества электрической энергии в судовы электроэнергетических системах по таблицам, графикам и номограммам."

методические указания по расчету коэффициента искажения АЭЭС бу ровых установок (для ЦКБ "Коралл").

.'......- "Методика оценки влияния статических выпрямителей на дискретны

составляющие виброакустических характеристик (ВАХ) синхронных генерато ров и асинхронных двигателей! "

Указанные нормативные документы и автоматизированные системы ис пользовались для оценки и повышения качества ЭМП в АЭЗС перспективны судов, кораблей и буровых установок на следующих предприятиях: ЦНШ СЗ ЦНИИ им. А, И. Крылова, ЦКБ МТ "Рубин", ЦКБ "Малахит", "Коралл", "Ал маз", НИИ ЖВО "Электросила".

'..,' Теоретические исследования _ь и практические разработки, обобщен ные в диссертации, проводились при реализации трех комплексных целевых программ и более двадцати важнейших научно-исследователь ских работ, выполняемых в соответствии с Решениями Высших Правк тельственных Органов, Решением, Приказами и Планами МСП и друг& министерств.

Результаты диссертационой работы использовались в учебном прс цессе:

в ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) (кафедра электрофикации и автоматизации судов) в курсе "Теория управления и АСУ".

в Институте повышения квалификации руководящих работников v специалистов судостроительной промышленности (кафедра проектирована энергетических комплексов и систем жизнеобеспечения судов) в курс* "Электроэнергетические системы судов".

В Мордовском Государственном Университете (кафедра САПР) в курсе "Основы САПР и технического творчества".

Материалы диссертации использовались при написании учебного пособия с грифом МБ и ССО СССР "Автоматизация процессов управления в судостроении" (Л. ,Судостроение) и методических разработок "Комплексна оценка качества судовых ЭЭС" и "Определение показателей качества ЭЭ на основе численного эксперимента".

Апробация работы. Основные научные положения и результаты до;

'. ^; ". --7-иадывались и обсуждались на 20 всесоюзных, городских и отраслевых конференциях, симпозиумах и семинарах, в частности*.на Всесоюзной научно-технической конференций "Автоматизация и пути развития судовых злектро-знергетических систем" (Севастополь,1976 г.), Третьей Всесоюзной конфе-эенции "Совершенствование проектирования судовых ЭЭС и технологии электромонтажных работ" (Ленинград, 1979 г.), Всесоюзной научно-технически конференции "Проблемы создания мощных электроэнергетических систем цля судов ледового плавания и плавучих буровых, установок" (Ленинград, L983 г.), Второй и Пятой Всесоюзных конференциях "Технические средства изучения и освоения океана" (Ленинград 1978 и 1985 гг.), межотраслевой гаучно-технической конференции "Применение: ЭВМ:в проведении научных исследований при создании сложных технических объектов в судостроении" ;Ленинград,1985 г.), Четвертом и Шестом координационных совещаниях "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения мирового океана" (Севастополь, 1983 г. и Геленджик, 1987.г.), [їервой и Второй Всесоюзных конференциях "Системные исследования проблем управления качеством и автоматизация процессов управления качеством" (Львов, 1977 и 1980 гг.), Всесоюзной научно-исследовательской конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания гренажеров" (Пенза, 1982г.), Пятом Всесоюзном симпозиуме "Проблемы системотехники" (Ленинград, 1984г.), Научно-технической конференции 'Вопросы совершенствования организации и технологии ремонта судового электрооборудования (Владивосток, 1981 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость судовых технических средств (Ленинград, 1990 г.), Всесоюзной научно-практической конферен-даи с международным участием "Акустическая эколория-90" (Ленинград, L990 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 печатных работ, в гом числе две монографии, учебное пособие с грифом MB и ССО ССР и справочник.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Общий объем работы - 371 страниц сквозной нумерации, в гом числе основного текста - 311 машинописных страниц, 20 рисунков и 17 таблиц. Список использованных источников содержит 119 наименования отечественных и иностранных публикаций. Приложения объемом 34 страниц включают в себя 27 таблиц.