Методи розрахунку і оптимізації маневрених режимів гребних енергетичних установок електроходів

+0,69N_XC₆₅ +1,045N_XC₆₁ -0,815N_XC_?21 -0,422C_M16C_?21;

L₁ =1,170- 0,507N_X - 0,07C₆₁ + 0,128C_?21 - 0,095N_XC_?21 ;

L₂ =0,351+ 0,052N_X - 0,016C_M16 - 0,018C_RY + 0,022C₂₂ .

Побудовані також графічні варіанти цих залежностей.

Досліджено вплив мілководдя на показники якості маневрених режимів енергетичних установок. Урахування глибини здійснюється зміною приєднаної маси води, опору руху судна і коефіцієнтів взаємодії гребних гвинтів з корпусом. Запропоновані в роботі аналітичні моделі дозволяють оцінювати ступінь зміни навантажень на теплові і гребні двигуни електроходу при циркуляційному русі по воді кінцевої глибини.

У ряді випадків показники якості виконання маневрів не можуть бути представлені поліномами першого порядку. У таких випадках потрібно скористатися поліномами більш високого порядку. Прикладом такої ситуації для двогвинтових електроходів є спільне маневрування стерном і гвинтами. Для оцінки основних показників енергетичних установок при спільному маневруванні (з різною мірою гальмування одного з гвинтів - параметр ?_ПТ ) розроблені аналітичні моделі другого порядку. Ці моделі і відповідні до них діаграми наведені в роботі. Наприклад, відносний (на початок циркуляції) приріст потужності теплових двигунів пропонується розраховувати за співвідношенням

?P_D1 = 0,2925-0,0830N_X +0,0671C_M16 +0,0123C_RY +0,0313?_R +0,0103?_ПТ -0,0136N_X²- 0,0115C_M16² +0,0110C_RY² +0,0142?_ПР² - 0,0308N_XC_M16 +0,0141N_X ?_R,

а зниження кутової швидкості обертання веслових двигунів - за рівнянням

??_М1 = 0,0729 - 0,0279N_X - 0,0259C_M16 +0,0036C_RY +0,0043?_ПТ + 0,0084C_M16² +0,0034?_ПТ² +0,0049N_XC_M16+0,0033N_X?_R -0,0025C_M16?_ПТ .

Було оцінено вплив параметрів енергетичних установок електроходів на діаграму керованості судном. Виявлені значущі параметри, визначені характер і ступінь їх впливу.

Застосування розробленого аналітичного EXPRESS методу проілюстровано на прикладі електроходу “Проект”. Розрахунки за наближеними аналітичними моделями задовільно збігаються з результатами, що отримуються EXACT - методом по повній математичній моделі (1) - (22). Похибки у визначених показниках знаходяться на рівні оцінок адекватності самих аналітичних моделей. Це підтверджує прийнятність створеного аналітичного методу для оцінки маневрених властивостей електроходів.

Створений метод має бути найбільш ефективним при експлуатації електроходів і на ранніх стадіях розрахунків та оптимізації, при пошуках шляхів поліпшення маневрених характеристик пропульсивних комплексів. Моделі і графіки, що запропоновані, показують характер і ступінь впливу кожного суттєвого чинника на основні показники маневрування, дозволяють швидко оцінювати маневрені характеристики комплексів. Рекомендації прийнятні для кожного конкретного електроходу з типом гребної установки, що розглядається. Для того, щоб ними скористатися досить підставити у відповідні рівняння значення параметрів комплекса, що досліджується, або отримати потрібні дані за допомогою графіків.

У п'ятому розділі розв'язанні задачі параметричної оптимізації енергетичних установок пропульсивних комплексів електроходів.

В основі створення критеріїв оцінки оптимальності розв'язувань було використовано системний принцип. За показники якості, на основі яких будувалися цільові функції, прийняті: тривалість маневру - Т; відносні витрати енергії на його виконання - W; відносне відхилення кутової швидкості обертання первинних двигунів від постійного режиму - _D; максимальна потужність первинних двигунів - P_{D max}; тривалість реверсу гребних електродвигунів і гвинтів - Т_{ГЕД рев.}

Вибрані показники якості розбиті ієрархично на дві групи: а) старшу, до якої відносяться Т і W, що характеризують енергетичну установку і електрохід загалом; б) молодшу, в яку входять ??_D, P_Dmax и T_{ВЕД рев.}, що характеризують роботу двигунів енергетичної установки електроходу на маневрах. Встановлено пріоритет показників старшої групи над молодшою.

Задачі, що розв'язуються, за своєю постановкою відносяться до області нелінійного програмування і полягають у пошуку екстремумів цільової функції f(x), при заданих обмеженнях g_j(х) у вигляді нерівностей. Необхідно мінімізувати деяку цільову функцію f (x), x О Eⁿ при p лінійних обмеженнях у вигляді g_j (x) і 0, j=1, ., p, де Eⁿ - допустима область n - мірного простору.

Оптимальним розв'язуванням є сукупність x_* i f(x_*), що складається з оптимальної точки x_*=[x_1*, x_2* , …, x_n*] і відповідного їй значення цільової функції f (x_*).

У ході оптимізаційних розрахунків розв'язувалися задачі як однокритеріальних, так і багатокритеріальних оптимізацій. У першому випадку у якості цільової функції виступає один з вказаних вище показників якості. У другому - вона будується як f(x) = ? m_j f_j(x), де m_j - ваговий коефіцієнт j-го показника. Інші показники якості, захисту і обмеження, що забезпечують нормальне функціонування пропульсивного комплексу, враховуються у вигляді обмежень g_j(x)і0. Аналогічно задаються граничні діапазони зміни параметрів комплексу, що визначають його фізичну реалізацію.

Результати аналізу розрахунків показали, що цільові функції, які побудовані з вибраних показників якості, мають багато екстремумів, крім того, кількість точок локальних мінімумів невідома. Тому в основу алгоритмів пошуку оптимальних розв'язувань були закладені методи глобальної оптимізації.

Визначальний вплив на створення методу оптимізації і структури його алгоритму надають властивості цільових функцій f(х). Значення f(х) відшукуються в результаті розрахунків маневрів, що описуються складною системою алгебраїчних і диференціальних рівнянь з численними обмеженнями у вигляді нерівностей. Отримання похідних f(х) є нереальним. Крім того, як показали результати досліджень, цільові функції мають вигляд крутих та довгастих ярів. Виходячи з цього, в основу розроблених алгоритмів глобальної оптимізації був закладений метод глобального випадкового пошуку - випадковий мультістарт. Для запобігання повторних спусків в алгоритм оптимізації була включена комбінація одного з пасивних методів покриттів (метода випадкової сітки) з модифікованим методом тунельного алгоритму. Після знайдення точки f_optлок. (х_лок) локального мінімуму область Eⁿ покривається сіткою з N незалежних реалізацій, рівномірно розподіленого в Eⁿ випадкового вектора х. Для кожної точки виконується розрахунок цільової функції f_j (x_j) і порівнюється f_j (x_j) з f_{opt. лок.}(x_лок). У разі f_j(x_j) > f_opt.лок.(x), j -я точка відкидається, як гірша. При зворотному співвідношенні - f_j(x_j) Ј f_opt.лок.(x) - здійснюється черговий пошук локального мінімуму. Пошук оптимального розв'язування припиняється, по закінченню вибірки N.

Алгоритми пошуку локальних оптимумів (внутрішніх процедур глобальної оптимізації) створювалися на базі комбінації методів локального спуску і пошуку ярів. Пошук довгастих ярів та руху вздовж їх організується таким чином. Виконують два локальних спуски з початкових точок x₁₀ ОEⁿ и x₂₀ ОEⁿ (?x₂₀ - x₁₀?Ј R, R - змінний параметр), які знаходяться поблизу. Стосовно них знаходяться проміжні локальні мінімуми f_1*(x_1*) і f_2*(x_2*). Потім визначається новий напрям s₀⁽*⁾, проведений з x_1* в x_2* (або навпаки), і вздовж нього відшукується мінімальне значення функції f_opt.лок,(x_*), яке і являє собою локальний оптимум.

При локальних спусках найбільш ефективними виявилися методи Пауелла і Нелдера-Міда - ті, що не вимагають обчислення похідних, та добре зарекомендували себе по числу обчислень цільової функції і по розв'язуванню “тестових” задач.

Методи оптимізації, що використовуються, поєднувалися з методом штрафних функцій, що дозволяє звести задачу нелінійного програмування з обмеженнями до еквівалентної послідовності задач без обмежень. Перетворення здійснюється за допомогою спеціально сконструйованих штрафних функцій

?(x, c_r) = f(x) +R(x, c_r) = f(x) +c_r?(x),

де c_r - параметр штрафу; R(x, c_r)=c_r?(x) - штраф; ?(x) - індикаторна функція.

Відповідно до вибраного системного підходу, пошук оптимальних параметрів пропульсивних комплексів повинен проводитися спочатку за критеріями старшої групи W_min, T_min і J_{WT min}= m_WW+ m_TT (m_W і m_T - змінні вагові коефіцієнти). Потім, дотримуючись принципу “непогіршення” з урахуванням заданого допуску показників старшої групи, потрібно проводити оптимізацію параметрів за критеріями молодшої групи - ??_D,, P_{D max} , T_{ГЕД рев.}

Виконані дослідження дозволили виявити параметри пропульсивних комплексів, що значним чином впливають на критерії оптимальності: N_X; N_D; c_DR; C_М16; C_M17; C_M18; C_M23; C_M20; C_M22; C_G7; C_M17. Вони і підлягають оптимізації.

На першому етапі оптимізація здійснювалася за багатокритеріальним показником J_{WT min} = m_W W + m_T T, при змінних вагових коефіцієнтах m_W і m_T. Основні обмеження, що накладаються на режимні показники енергетичної установки такі: потужність первинних двигунів - P_{D max} Ј 1; максимальне відхилення швидкості обертання первинних двигунів - ??_{D max} Ј 0,04; коливання напруги на виході головних генераторів - ?U_{G max} Ј 0,1; максимальне навантаження по струму головних генераторів - I_{G max} Ј 2; максимальне навантаження по струму гребних електродвигунів - I_{M max} Ј 2; максимальне навантаження ГЕД по обертаючому моменту - М_{М max} Ј 1,9; максимальна допустима напруга на вході ГЕД - U_{M max} Ј 1.

На другому етапі оптимізації за критеріями ??_D, P_{D max}, T_{ГЕД рев} були уточнені оптимальні значення параметрів, що оптимізувалися. На цьому етапі оптимізація проводилася двома способами: а) послідовно, виходячи з прийнятих ієрархічних сходів значущості критеріїв другої групи - за ??_D, потім - за P_{D max} і нарешті - за T_{ГЕД рев}; б) за багатокритеріальною цільовою функцією

J_?PT =m_???_D +m_PP_{D max} +m_TT_{ГЕД рев.},

де m_?, m_P і m_T - змінні вагові коефіцієнти показників якості.

Другий варіант оптимізаційних розрахунків було виконано при різних сполученнях щодо співвідношень між ваговими коефіцієнтами m_?, m_P і m_T. У обох випадках дотримувався принцип непогіршення з урахуванням заданого допуску критеріїв старшої групи. Результати, що були отримані обома способами, близькі.

Остаточні результати параметричної оптимізації наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Оптимальні параметри енергетичних установок пропульсивних комплексів

Було проілюстровано застосування результатів параметричної оптимізації. Проведені розрахунки перехідних процесів комплексу “Проект” і його оптимізованого варіанту на маневрі “розгін до v_зад=0,7 - реверс гребної установки до v=0”. Значення показників якості з обох варіантів розрахунків наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Показники якості виконання маневру

Як видно з табл. 2, два показники якості поліпшилися, а три - погіршилися. Ефективність параметричної оптимізації знаходиться в розрахункових межах, результати відповідають меті, що була поставлена у проведеному чисельному експерименті. Зі скороченням тривалості виконання маневру зростають витрати енергії на його виконання, а зменьшення T_{рев.ГЕД} викликає, цілком зрозуміло, зростання _D і P_{D max}.

Отримані результати охоплюють всі типи суден, що розглядаються. Для будь-якого конкретного електроходу, при відомих (або заданих) окремих параметрах можна розрахувати інші, забезпечуючі найбільшу ефективність всього комплексу.

У шостому розділі розв'язанні задачі оптимального управління енергетичними установками суден з електрорухом на маневрах. Відносна частота електричної напруги двигуна визначається положенням рукоятки поста управління. Закони зміни відносних напруги і частоти , разом з мірою затягування пружини регулятора первинного двигуна і моментом навантаження M_с() на валу повністю визначають режим роботи гребного двигуна і всієї енергетичної установки на маневрах.

Існуючі закони оптимального управління ? = ? (?) не відповідають вимогам оптимізації, оскільки при їх отриманні критеріями оптимальності приймалися чисто електричні показники. Дотримуючись принципів системного підходу, пропонується відшукувати оптимальні закони управління (Т) і ? = ? (?) за критеріями тривалость маневру - Т, відносних витрат енергії на виконання маневру - W, вибігу електрохода - (Х1_гальм.), та електромагнітних втрат у гребних електродвигунах - P_M у вигляді

;

,

при ,

де K₀, K₁, K₂, K₃, K₄, K₅ - параметри, що оптимізуються.

Оптимальне розв'язування, у такій постановці задач, дає можливість в повній мірі використати енергетичну установку для підвищення ефективності електроходів на маневрах.

Задачі пошуку оптимальних законів управління відносяться (як і при параметричній оптимізації) до області нелінійного програмування і полягають у пошуку екстремумів цільової функції f(K), K Eⁿ при p заданих обмеженнях у вигляді нерівностей g_j (K) 0, j=1, 2, .., р. Оптимальне розв'язування K_*=[K_0*, K_1*, K_2*, ..., K_n*], f_* (K_*) відшукували в аналітичному і в графічному виглядах.

Чисельні значення f(K) виходять як результат розв'язування системи рівнянь (1) - (22). Цільові функції задач пошуку оптимальних законів управління близькі за характером до цільових функцій параметричної оптимізації. Тому і пошуки оптимальних розв'язувань здійснюються тими ж запропонованими методами.

У ході пошуків оптимальних законів управління визначали оптимальні розв'язування стосовно до основних маневрених режимів роботи електроходів. Крім того, результати повинні охоплювати по можливості більший клас суден типу, що розглядається. Виходячи з цього, визначено напрям оптимізаційних розрахунків для кожного маневру за кожним критерієм оптимальності: аналіз цільових функцій; виявлення значущих параметрів та ефектів їх взаємодій, зовнішніх чинників і початкових умов виконання маневру на оптимальне розв'язування; пошук оптимальних законів управління енергетичними установками для широкого класу суден типу, що розглядається.

Проведені дослідження дозволили знайти розв'язок цих задач стосовно до наступних маневрів: розгону, гальмуванню, реверсу, циркуляційному рушенню, екстреному гальмуванню, екстреному гальмуванню з перекладкою стерна.

Для розгону пошуки оптимальних законів управління проведені за критеріями мінімуму тривалості розгону T_min , відносних витрат енергії W_min на його виконання, електромагнітних витрат у гребних електродвигунах P_Mmin і цільової функції W_{СУ min}= m_WW + m_P (P_M ) - з різними співвідношеннями вагомих внесків m_W і m_P. Результати оптимізації представлені таблицями з оптимальними розв'язуваннями і графіками з оптимальними законами управління, що охоплюють електроходи з частотно-керованими ГЕД. Як приклад, на рис. 5а показані оптимальні закони управління за мінімумом відносних витрат енергії на розгін. Тут наведені графічні залежності відносної напруги _* і оптимальні значення коефіцієнта K₄ закону зміни у часі відносної частоти _* для окремих сполучень значущих (за W_min) параметрів комплексів (при _D = _D0).

Для режиму гальмування пошуки оптимальних законів управління проводилися за критерієм мінімуму витрат часу на виконання маневру. У ході цих пошуків були знайдені оптимальні закони управління електричною напругою гребних електродвигунів при їх динамічному гальмуванні. Окремі результати представлені на рис. 5б.

При оптимізації законів управління в режимі реверса гребної установки були використані показники оптимальності - T _min , X_min , W_min , P_{M min}. При реалізації цього режиму всі перераховані показники, в тому або іншому випадку, є суттєвими. У ході пошуків оптимальних розв'язувань були виявлені змінні параметри комплексу, що також підлягають (крім коефіцієнтів K) оптимізації. Отримані оптимальні розв'язування охоплюють усі електроходи типу, що розглядається. Як приклад, на рис. 5в наведені оптимальні закони ? = ? (?) за критерієм мінімуму вибігу судна X_min (при K₄ = const; K₅ = 0) для деяких варіантів сполучень значущих параметрів комплексів.

Пошуки оптимальних законів управління при русі по криволінійній траєкторії здійснювалися для варіанту спільного маневрування стерном і гвинтами. Міра гальмування одного з гвинтів була одним з варійованих параметрів. Аналіз впливу законів управління на тривалость маневру T_min, відносні витрати енергії W_min, електромагнітні втрати P_{M min} і відносний діаметр циркуляції D_Ц показав, що на T_min, P_{M min} і D_Ц зміна законів управління гребною установкою впливає слабко. Однак, оптимізація цих законів істотно впливає на витрати енергії W_min. Внаслідок цього, пошуки оптимальних законів управління були проведені саме за цим критерієм. Окремі результати оптимізації (при K₄ = const; K₅ = 0) наведені на рис. 5г.

Оптимальні закони управління при екстреному гальмуванні відрізняються цільовою функцією від “звичайного” гальмування. По-перше, це передбачає наявність тільки одного критерію оптимальності - мінімуму вибігу судна - X_min. По-друге, при екстреному маневруванні має значення збільшити уставки захистів і блокувань з тим, щоб максимально використати можливості енергетичної установки для досягнення поставленої мети. Перевантажувальні здібності окремих елементів енергетичних установок дозволяють прийняти такі короткочасні обмеження на режимні показники: перевищення потужності первинних двигунів - 30 %; кратність струму головних генераторів - 2,5; падіння напруги на виході головних генераторів - 20 %; кратність струму гребних електродвигунів - 2,5; кидки напруги на вході гребних електродвигунів - 20 %; кратність обертаючого моменту ГЕД - 2,5.

Рис. 5. Оптимальні закони управління гребними енергетичними установками електроходів на маневрах

Маневр, що розглядається, може виконуватися за рахунок реверсу гребних гвинтів (при гальмуванні на прямолінійній траєкторії), або шляхом одночасного реверсу гвинтів і перекладкою стерна. Для обох варіантів маневрування проведені дослідження впливу різних чинників на вигляд законів управління, обґрунтована доцільність переходу від штатних уставок захистів і блокування до збільшених їх варіантів. Виявлена розумність проведення спільної оптимізації законів управління по напрузі, і по частоті (параметром, що оптимізується, є - _ст.) при _D = _D0. Це дає максимальний позитивний ефект. Виконані оптимізаційні розрахунки і знайдені оптимальні рішення, що забезпечують мінімум вибігу судна X_min. Як приклад, на рис. 5д і рис. 5е наведені деякі результати оптимізації при виконанні цього маневру відповідно до першого та другого його варіантів.

Використання розроблених рекомендацій проілюстроване на прикладі електроходу “Проект”. Пошуки оптимальних законів управління саме для цього судна дали результати, близькі до рекомендованих в таблицях і графіках. Розрахунки маневрів за “класичним” і рекомендованим оптимальним варіантами показують виграш у відносних витратах енергії від 14,6 % до 31,1 %. Всі режимні показники СЕУ знаходяться при цьому в допустимих (за збільшеним варіантом) межах.

Отримані результати охоплюють всі перспективні електроходи з частотно-керованими ГЕД. Оптимальні закони для конкретного судна можна вибрати з розроблених таблиць або графіків. Вони дозволяють у процесі експлуатації суден і на будь-яких стадіях їх розрахунків та оптимізації призначати оптимальні закони управління гребними установками електроходів і прогнозувати, при цьому, маневрені властивості суден.

У сьомому розділі наведені результати перевірки адекватності теоретичних досліджень шляхом порівняння розрахункових даних з натурними випробуваннями електроходів на маневрах.

У ході порівняльного аналізу були використані результати власних натурних випробувань і дані, отримані іншими дослідниками. Як об'єкти випробувань використані декілька електроходів з різними типами гребної енергетичної установки. Випробування проводилися для різних маневрів. У ході їх проведення контролювалися (а потім розраховувалися за допомогою розроблених методів) основні режимні показники енергетичної установки і інших елементів комплексу.

Порівняння експериментальних залежностей з теоретичними показує їх хорошу подібність. Розходження складає для основних показників 3 % - 13 %, що допустимо для маневрених режимів.

Таким чином, проведені експериментальні дослідження підтверджують адекватність розроблених теоретичних основ, методів розрахунку і оптимізації маневрених режимів роботи гребних енергетичних установок електроходів та отриманих на їх основі практичних рекомендацій.

ВИСНОВКИ

Представлена робота спрямована на розв'язання важливої для морського флоту прикладної проблеми: розвиток і вдосконалення методів розрахунку і оптимізації маневрених режимів перспективних гребних енергетичних установок, з метою створення ефективних та економічних суден з електрорухом. У результаті проведених досліджень створені умови для ефективного використування системного підходу до розрахунку і оптимізації маневрених режимів енергетичних установок електроходів. Розв'язання проблеми характеризується спільністю теоретичних основ, методів аналізу і результатів, що отримуються. Розроблені методи сприяють побудові послідовного аналізу перехідних режимів роботи гребних енергетичних установок в складі єдиного суднового пропульсивного комплексу і синтезу таких комплексів із зазделегідь заданими маневреними характеристиками. Практичні рекомендації спрямовані на створення економічних перспективних електроходів з маневреними якостями, що прогнозуються.

1. Обґрунтована доцільність використання принципів системного підходу і узагальнених методів аналізу при розрахунках перехідних режимів роботи енергетичних установок суден з електрорухом. Уперше створена узагальнена математична модель маневрених режимів гребних енергетичних установок електроходів. На відміну від відомих математичних описів, нова модель представляє СЕУ електрохода як невід'ємний елемент єдиного суднового пропульсивного комплексу. Вона охоплює всі сучасні та перспективні електроходи з реальними варіантами компонування енергетичної установки. Математичний опис маневрених режимів гребної установки кожного конкретного електрохода витікає як окремий випадок з узагальненої моделі, що і наведено в роботі.

Використання створеної моделі забезпечує реалізацію системного підходу до розрахунку і оптимізації маневрених режимів СЕУ. За допомогою єдиних математичних методів, з використуванням єдиних критеріїв оцінки якості виконання маневрів виявляється можливим проводити всебічний аналіз перехідних режимів енергетичних установок електроходів незалежно від типу гребної установки, при будь-якому варіанті її конструктивного виконання. Результати досліджень розповсюджуються на широкий клас суден типу, що розглядається. Такий підхід сприяє побудові науково-обгрунтованих методів порівняльного аналізу, показує можливі шляхи створення електроходів з маневреними властивостями, що прогнозуються.

2. Виявлені критерії динамічної подібності пропульсивних комплексів електроходів і розроблені правила їх створення. Саме ці критерії, узагальнені безрозмірні параметри пропульсивних комплексів, і визначають характер перехідних процесів в елементах СЕУ й показники якості виконання маневрів. Рівність критеріїв динамічної подібності забезпечує єдність законів зміни під час відносних режимних показників і однакові значення показників якості виконання маневрів.

3. На базі узагальненої математичної моделі створений новий метод розрахунку (за допомогою сучасної обчислювальної техніки) маневрених режимів гребних енергетичних установок в складі суднових пропульсивних комплексів (EXACT - метод). Він дозволяє оцінювати характер перехідних процесів і показники якості їх виконання. Відмітною особливістю методу є те, що він однаково прийнятний як для сучасних, так і для перспективних електроходів, що проілюстровано прикладами. Системний принцип, закладений в основу його створення, дозволяє проводити дослідження маневрених режимів не тільки енергетичних установок, але і інших елементів пропульсивних комплексів. Результати, що отримуються, можуть служити основою для розробки і побудови методів аналізу більш високого рівня, що і проілюстровано у роботі.

4. Досліджено вплив конструктивних параметрів пропульсивних комплексів на показники якості виконання маневрів. Виявлені істотно значущі параметри і ефекти взаємодій параметрів; проведене їх ранжирування за ступенем впливу на показники якості. Інші параметри обґрунтовано віднесені до шумових. Проведений аналіз накреслює число параметрів, на яких потрібно зосередити увагу при проектуванні гребних енергетичних установок електроходів, і показує ті, зміни значень яких не впливає істотно на кожний показник. Це дозволяє на багато знизити об'єм необхідних робіт в ході подальших розв'язувань конкретних практичних задач.

5. Уперше створений аналітичний EXPRESS - метод розрахунку показників якості виконання маневрів. Для електроходів з перспективним варіантом СЕУ отримані поліноміальні залежності показників якості від значущих параметрів комплексів, а також графічні інтерпретації цих залежностей.

Аналітичні моделі являють собою наочну і зручну у використанні форму представлення результатів досліджень, виконаних з допомогою EXACT - методу за спеціально спланованими серіями чисельних експериментів. Вони ілюструють в явному вигляді якісний і кількісний впливи кожного значущого параметра на показники якості виконання маневрів, показуючи тим самим можливі шляхи їх поліпшення. Для практичного користування моделями досить підставити значення параметрів конкретного електроходу у відповідну аналітичну залежність, або скористатися графіками, що додаються.

Запропонований EXPRESS метод є переважним на ранніх стадіях розрахунку маневрених режимів роботи і в процесі експлуатації електроходів.

6. Досліджено поведінку об'єктів, що вивчаються, в процесі розв'язування оптимізаційних задач. Показано, що цільові функції оптимізаційних задач мультимодальні, зі складною топографією, з невідомою кількістю локальних оптимумів і невизначеною стаціонарною областю.

У дисертаційній роботі синтезовано новий метод пошуку оптимальних розв'язувань. Він дозволяє для задач класу, що розглядається, домагатися успіху в найкоротший час, в порівнянні з добре відомими методами оптимізації. Метод є універсальним. Внутрішні процедури, що використовуються в ньому можуть обмежити його застосування лише по такому показнику, як кількість обчислень цільової функції. Практичне використання методу в даній роботі дозволило розв'язати задачі параметричної оптимізації і оптимального управління гребними установками на маневрах при самих різних функціях мети.

7. Розроблено метод параметричної оптимізації гребних енергетичних установок електроходів. На відміну від відомих праць оптимізація виконується за принципом системного підходу до оцінки якості роботи комплексу. Насамперед враховуються економічні показники ефективності пропульсивного комплексу і показники безпеки виконання маневрів, потім - основні технічні показники функціонування енергетичної установки.

Досліджений вплив критеріїв динамічної подібності (безрозмірних параметрів комплексу) на оптимальні розв'язування; з всієї сукупності параметрів виявлені ті, які в силу значущості їх впливу доцільно включати в процедуру оптимізаційних розрахунків. Це на багато знижує розмірність області простору цільових функцій, що оптимізуються, що в свою чергу, створює реальні передумови для успішної оптимізації в найкоротші терміни.

8. Уперше проведена параметрична оптимізація гребних енергетичних установок електроходів з перспективним варіантом гребного електроприводу. Досліджено вплив на критерії оптимальності кожного параметра, що оптимізується; оцінені їх внески в критерії і в цільові функції; визначені області зміни окремих параметрів, що близькі до стаціонарних. Виявлені загальні тенденції в зміні параметрів, що сприятимуть створенню ефективних суднових комплексів з електрорухом.

Знайдені оптимальні розв'язування відповідно до підходу, відображеного в п. 7 даних висновків. Розроблені рекомендації сприяють створенню економічних електроходів з високими маневреними характеристиками. Ефективність оптимізації складає від 12 % до 34 % по найважливіших показниках якості виконання маневрів. Оптимальні значення конструктивних параметрів для кожного конкретного електрохода можуть бути отримані як окремі випадки проведеної оптимізації. При наявності певної групи заздалегідь заданих конструктивних параметрів (наприклад, судна) можна розрахувати значення інших, що в сукупності забезпечує отримання найкращого конструкторського рішення. У роботі проілюстрований такий розрахунок. Для отримання більш точних результатів або для оптимізації інших, менш значущих (і тому неохоплених в отриманому розв'язуванні) параметрів, рекомендовано скористатися повною математичною моделлю і створеними методами оптимізації.

9. Досліджено вплив законів управління гребною енергетичною установкою електрохода на основні показники якості маневрування. Виявлені недоліки існуючих законів управління; запропоновано новий підхід до їх формування, який дозволяє, на відміну від існуючих методик, підвищити ефективність роботи не тільки гребної установки, але і електрохода загалом. Оцінена і обґрунтована доцільність оптимізації законів управління по маневреним показникам. Оптимальні закони необхідно формувати окремо по кожному маневру відповідно до поставленої мети.

10. На базі розробленого в даній роботі методу пошуку оптимальних розв'язувань, запропоновано новий метод оптимізації законів управління гребними установками, якій забезпечує спільність підходу до формування керуючих сигналів і широту обхвату отриманими результатами цілого класу суден з електрорухом.

11. Уперше отримані конкретні практичні рекомендації по вибору оптимальних законів управління гребними установками при різних функціях мети. Це серії таблиць і діаграм з оптимальними законами на основних маневрах електроходів (включаючи й екстрені). Ефективність оптимізації коливається від 2% до 50% в залежності від функції мети, маневру, що виконується, і співвідношень параметрів комплексу.

Результати оптимізації охоплюють всі судна з перспективним варіантом гребної енергетичної установки на базі частотно-керованих гребних електродвигунів. Вони прийнятні і для кожного конкретного електроходу цього типу, досить вибрати потрібний результат за відомими значеннями істотно впливаючих параметрів. Така процедура проілюстрована в роботі.

12. Рекомендації дисертаційної роботи за оцінкою маневрених характеристик суднових комплексів, оптимальних розрахунків і пошуку оптимальних законів управління використані в Казенному дослідницькому проектному центрі кораблебудування. Метод порівняльної оцінки маневрених якостей і рекомендації щодо пошуків оптимальних законів впроваджені і використовуються ВАТ “Чорноморсуднопроект”. Рекомендації щодо оптимізації параметрів суднових комплексів впроваджені в ВАТ “МП ЕРА”. Алгоритми і програми, ті, що використовуються при проектуванні суднових енергетичних установок, впроваджені в УкрНДІМФ.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Яровенко В.А. Расчет и оптимизация переходных режимов пропульсивных комплексов электроходов. - Одесса: Маяк, 1999. - 188 с.

Небеснов В.И., Давыдов И.В., Яровенко В.А. Динамика пропульсивных комплексов ледоколов при работе в тяжелых ледовых условиях: Учебное пособие. - М.: ”Мортехинформреклама”, 1985. - 55 с.

Небеснов В.И., Давыдов И. В., Яровенко В.А. Оптимальная дистанция разгона ледокола // Морской транспорт. Сер. Техническая эксплуатация флота. Экспресс-информация. - 1983. - Вып. 15(563). - С. 15-18.

Яровенко В.А. О работе ледоколов в условиях портов // Проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений и портовых комплексов. - М.: “Мортехинформреклама”. - 1984. - С. 91-92.

Небеснов В.И., Яровенко В.А. Показатели пропульсивных комплексов ледоколов при работе в портах // Инженерные сооружения и оборудование морских портов. - М.: “Мортехинформреклама”. - 1985. - С. 55-57.

Яровенко В.А. К вопросу вскрытия припая и льда акватории порта ледоколами // Вопросы проектирования и эксплуатации инженерных сооружений и оборудования портов. М.: “Мортехинформреклама”. - 1986. - С. 30-33.

Яровенко В.А., Фань Иньхай. К вопросу оптимизации управления электроходами технического и вспомогательного флота // Технические средства освоения шельфа. - Н. Новгород: НГТУ. - 1995. - № 2. - С. 129-134.

Яровенко В.А. Математическая модель переходных режимов электроэнергетических установок электроходов с асинхронными гребными электродвигателями // Придніпровський науковий вісник. - 1998. - № 27. - С. 22-29.

Яровенко В.А. Влияние параметров пропульсивных комплексов на показатели качества работы ГЭУ // Придніпровський науковий вісник. - 1998. - № 66. - С. 79-83.

Яровенко В.А. Оценка нагрузок на силовую установку электрохода при циркуляции // Автоматизация судовых технических средств: научн.- тех. сб. - Одесса: ОГМА. - 1999. - Вып. 3. - С. 160-165.

Яровенко В.А. Оптимизация управления судовыми гребными электродвигателями при динамическом торможении // Автоматизация судовых технических средств: науч.-техн.сб. - Одесса: ОГМА. - 1999. - Вып. 4. - С. 95-102.

Яровенко В.А. Расчет маневренных характеристик пропульсивных комплексов перспективных электроходов // ТЕМА. - 1999. - № 2. - С. 56-60.

Яровенко В.А. Экстренное торможение электроходов в условиях ограниченной траектории // ТЕМА. - 1999. - № 3. - С. 17-21.

Яровенко В.А. Моделирование маневренных режимов работы энергетических установок электроходов при движении во льдах // ТЕМА. - 1999. - № 4. - С. 12-17.

Яровенко В.А. Влияние параметров пропульсивных комплексов на показатели качества работы силовых установок электроходов на маневрах // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 1999. - № 3 (363). - С. 79-87.

Яровенко В.А. Математическая модель переходных режимов работы силовых установок электроходов // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 1999. - № 4 (364). - С. 44-54.

Яровенко В.А. Приближенный способ расчета основных показателей качества работы тепловых двигателей электроходов на маневрах // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 1999. - № 5 (365). - С. 82-87.

Яровенко В.А. Оптимизация параметров силовых установок пропульсивных комплексов электроходов // Судовые энергетические установки: науч.-техн.сб. - Одесса: ОГМА. - 1999. - № 3. - С. 3-7.

Яровенко В.А. Оптимальное управление силовыми установками электроходов с целью сокращения выбега судна при экстренном торможении // Судовые энергетические установки: науч.-техн.сб. - Одесса: ОГМА. - 1999. - № 4. - С. 151-155

Яровенко В.А. Расчет показателей качества работы силовой установки пропульсивного комплекса электрохода на циркуляции // Вісник Одеського державного морського університету. - Одеса: ОДМУ. - 1999. - № 3. - С. 185-195.

Яровенко В.А. Экономичный режим управления частотно-регулируемыми гребными электродвигателями // Автоматизация судовых технических средств: науч.-техн.сб. - Одесса: ОГМА. - 2000. - Вып. 5. - С. 145-152.

Яровенко В.А. Методы поиска оптимальных решений при проектироваении энергетических установок электроходов // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 2000. - № 1 (367). - С. 29-36.

Яровенко В.А. Оптимальное управление силовыми установками электроходов при криволинейном движении // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 2000. - № 2 (368). - С. 48-55.

Яровенко В.А. Влияние мелководья на показатели качества работы силовых установок электроходов на маневрах // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 2000. - № 3 (369). - С. 60-66.

Яровенко В.А., Фань Иньхай. Экспериментальные исследования маневренных режимов работы пропульльсивных комплексов электроходов // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 2000. - № 4 (370). - С. 54-61.

Яровенко В.А. Влияние параметров энергетических установок на диаграмму управляемости электроходов // Зб. наук. пр. УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 2000. - № 5 (371). - С. 60-65.

Яровенко В.А. Способ расчета маневренных режимов работы пропульсивных комплексов электроходов // Судовые энергетические установки: науч.-техн.сб. - Одесса: ОГМА. - 2000. - № 5. - С. 54-58.

АНОТАЦІЇ

Яровенко В.А. Методи розрахунку і оптимізації маневрених режимів гребних енергетичних установок електроходів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.08.05 - суднові енергетичні установки. - Одеська державна морська академія, Одеса, 2001.

В дисертації розв'язана проблема створення методів розрахунку і оптимізації маневрених режимів гребних енергетичних установок електроходів. Уперше розв'язування здійснено за принципами системного підходу, характеризується спільністю теоретичних основ, методів аналізу і результатів, що отримуються. Створені нові методи розрахунку маневрених режимів гребних енергетичних установок в складі пропульсивних комплексів електроходів, методи параметричної оптимізації і методи пошуку оптимальних законів управління гребними установками на маневрах. Отримані рекомендації сприяють створенню високоманеврених, надійних і економічних перспективних електроходів.

Ключові слова: енергетичні установки електроходів, маневри, системний підхід, розрахунок, оптимальне проектування і управління.

Yarovenko V. A. Calculation and optimization methods of manoeuvre regimes of electric ships' rowing power plants. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 05.08.05 - Ship Power Plants. - Odessa State Marine Academy, Odessa, 2001.

The problem of developing calculation methods and optimization of manoeuvre regimes of electric ships' rowing power plants is solved in the thesis. For the first time the solution is taken on the basis of systematic approach, is characterized by common theoretical principles, methods of analysis and obtained results. New calculation methods of manoeuvre regimes of rowing power plants inside electric ships' propulsive complexes, parametrical optimization methods and methods of search of optimal regulation laws of rowing plants on the manoeuvres are elaborated. The obtained recommendations add to the design of highly manoeuvrable, reliable and economically perspective electric ships.

Key words: electric ship's power plants, manoeuvres, systematic approach, calculation, optimal design and control.

Яровенко В.А. Методы расчета и оптимизации маневренных режимов гребных энергетических установок электроходов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.08.05 - судовые энергетические установки. - Одесская государственная морская академия, Одесса, 2001.

В диссертации решена проблема разработки методов расчета и оптимизации маневренных режимов гребных энергетических установок электроходов. Впервые решение осуществлено на принципах системного подхода, характеризуется общностью теоретических основ, методов анализа и полученных результатов. Разработаны новые методы расчета маневренных режимов гребных энергетических установок в составе пропульсивных комплексов электроходов, методы параметрической оптимизации и методы поиска оптимальных законов управления гребными установками на маневрах. Полученные рекомендации способствуют созданию высокоманевренных, надежных и экономичных перспективных электроходов.

Впервые разработана обобщенная математическая модель маневренных режимов работы гребных энергетических установок в составе пропульсивных комплексов электроходов, охватывающая все современные и перспективные суда с электродвижением. Математические описания маневренных режимов конкретных электроходов вытекают как частные случаи этой модели. Выявлены критерии динамического подобия пропульсивных комплексов. Именно они и определяют характер протекания переходных процессов и показатели качества выполнения маневров. Разработаны правила их составления.

На базе обобщенной модели разработаны новый метод расчета маневренных режимов. Он позволяет рассчитывать законы изменения во времени режимных показателей и оценивать показатели качества выполнения маневров как гребных энергетических установок, так и остальных элементов пропульсивных комплексов электроходов.

Предложена совокупность показателей качества выполнения маневров, комплексно оценивающая поведение всех элементов СЭУ, инерционно-тормозные характеристики пропульсивного комплекса и отдельные показатели управляемости электроходов на основных маневрах. Исследовано влияние параметров пропульсивных комплексов на эти показатели. Выявлены существенные параметры и существенные эффекты взаимодействий, проведено их ранжирование по степени влияния. Это очерчивает круг параметров, на которых следует сосредоточивать внимание при анализе и проектировании СЭУ электроходов.

Создан новый аналитический метод расчета показателей качества выполнения маневров. Разработаны полиномиальные их зависимости в функции значимых параметров, а также графические интерпретации этих зависимостей. Метод нагляден и удобен в использовании. Он иллюстрирует в явном виде качественное и количественное влияние каждого значущего параметра на показатели качества выполнения маневров. Метод предпочтителен на ранних стадиях расчетов.

Синтезирован новый метод поиска оптимальных решений. Он позволяет успешно и в кратчайшие сроки решать задачи параметрической оптимизации и оптимального управления гребными установками электроходов на маневрах.

Разработан метод учета маневренных свойств пропульсивных комплексов электроходов при параметрической оптимизации гребных энергетических установок. В качестве критериев, на основе которых строились целевые функции, использованы показатели, характеризующие эффективность работы комплекса на маневрах и основные технические показатели функционирования энергетической установки. Найдены оптимальные решения в соответствии с системным подходом. Эффективность оптимизации велика. Оптимальные значения параметров для конкретного электрохода получаются как частные случаи проведенной оптимизации.

Предложен новый подход к формированию законов управления гребными установками электроходов на маневрах. Разработан метод оптимизации, обеспечивающий единый принцип формирования управляющих сигналов и широту охвата своими результатами целого класса судов. Получены конкретные практические рекомендации по выбору оптимальных законов управления гребными установками на маневрах при различных функциях цели. Результаты охватывают все суда с перспективным вариантом гребной установки - на базе частотно-управляемых гребных электродвигателей.