CC BY-NC
85
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-109-120 УДК 629.5.061:681.51
И.М. Калинин1 , M.K. Иванова1 , Л.Г. Паутов1, А.В. Рудецкий2
1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
2 Военно-морской политехнический институт ВУНЦ ВМФ ВМА им. Н.Г. Кузнецова, Санкт-Петербург, Россия
КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СУДНА
Объект и цель научной работы. Объектом работы является система динамического позиционирования судна c электродвижением, целью - создание компьютерного инструмента для отладки алгоритмов работы системы управления динамическим позиционированием судна.
Материалы и методы. Применяется отечественная среда моделирования SimInTech. Используются модель плоскопараллельного движения судна и методы компьютерного моделирования сложных технических объектов. Основные результаты. Концепция и компьютерная модель системы управления судовыми техническими средствами в отечественной среде моделирования, математическая и схемотехническая модели объекта управления для проведения расчетных исследований режимов управления судном, разработки и отладки алгоритмов управления динамическим позиционированием судна, в том числе с учетом оптимального использования ресурсов электроэнергетической системы.
Заключение. Разработанная компьютерная модель судна с системой динамического позиционирования является гибким инструментом для создания и отладки систем управления судна и алгоритмов управления. Она обеспечивает проведение большого количества расчетных исследований режимов управления судном для создания и отладки алгоритмов управления движением судна при его позиционировании с учетом оптимального использования ресурсов судовой электроэнергетической системы, что снижает трудоемкость разработки и отладки алгоритмов управления, минимизирует количество физических экспериментов, необходимых для создания систем динамического позиционирования судна.
Ключевые слова: система динамического позиционирования, модель движения судна, система управления движением судна, компьютерная модель.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-109-120 UDC 629.5.061:681.51
I. Kalinin1, M. Ivanova1, L. Pautov1, A. Rudetsky2
1 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
2 Naval Polytechnic Institute, Military Educational and Scientific Center, N.G. Kuznetsov Naval Academy, St. Petersburg, Russia
COMPUTER MODEL OF THE SHIP'S DYNAMIC POSITIONING SYSTEM
Object and purpose of research. The object of the research is the dynamic positioning system of a vessel with electric propulsion, the purpose is to create a computer tool for debugging the algorithms for the operation of control system for the ship's dynamic positioning.
Materials and methods. The indigenous simulation environment SimInTech is used. The model of vessel's planeparallel motion and methods of complex technical objects computer modeling are used.
Main results. The concept and computer model of the ship technical means control system in the domestic modeling environment, mathematical and circuit models of the control object for conducting computational studies of ship control modes, developing and debugging algorithms for controlling the dynamic positioning of the ship, taking into account the optimal use of electric power system resources.
Для цитирования: Калинин И.М., Иванова М.К., Паутов Л.Г., Рудецкий А.В. Компьютерная модель системы динамического позиционирования судна. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; 4(394): 109-120. For citations: Kalinin I., Ivanova M., Pautov L., Rudetsky A. Computer model of the ship's dynamic positioning system. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; 4(394): 109-120 (in Russian).
Conclusion. The developed computer model of ship with the dynamic positioning system is a flexible tool for creating and debugging ship control systems and control algorithms. It provides a large number of computational studies of ship control modes for the creation and debugging of algorithms for controlling ship movement during its positioning, taking into account the optimal use of the resources of the ship's electric power system, which reduces the complexity of development and debugging of control algorithms, minimizes the number of physical experiments necessary to create ship's dynamic positioning systems. Key words: dynamic positioning system, ship motion model, ship motion control system, computer model. The authors declare no conflicts of interest.
Введение
Introduction
Система динамического позиционирования (СДП) -многоконтурная автоматическая система управления, предназначенная для удержания судна в заданной позиции, на заданном курсе или для смены позиции преимущественно на малых и предельно малых скоростях [1]. На основании данных от измерительных систем СДП обеспечивает сохранение угловой ориентации и текущего местоположения судна (т.е. управление по всем горизонтальным степеням свободы: вращению вокруг вертикальной оси, продольному и боковому перемещению) с учетом влияния внешних возмущающих воздействий (ветер, волнение, течение) посредством использования судовых движителей и/или средств активного управления (САУ). СДП способна надежно функционировать при изменениях внешних сил, а также при потере одного или нескольких каналов управления или измерения, учитывать минимизацию расхода топлива и поддерживать работу всех элементов управления движением судна в оптимальном режиме работы в соответствии с заданными критериями.
При разработке и освоении морского шельфа России СДП оснащают следующие типы судов [2]: научно-исследовательские (осуществляют поиск и разведку с оценкой эффективности эксплуатации нефтегазовых месторождений и определяют природно-климатические условия в районе строительства, а также условия обустройства морского нефтегазопромысла); технические (осуществляют производственные процессы при разведывательном и эксплуатационном бурении, строительстве и обустройстве, технической эксплуатации и ликвидации морского нефтегазопромысла); подводные аппараты и суда обеспечения подводно-технических работ (ориентированы на выполнение водолазных и ремонтных работ на всех этапах освоения и эксплуатации нефтегазопромыслов); служебно-вспомогательные, суда обслуживающего флота (совокупность судов, обслуживающих и обеспечивающих эксплуатацию производственных объектов нефтегазопромыслов).
В числе известных компаний, разрабатывающих СДП, следует отметить Alphatron Marine, Alstom, Honeywell, Naudeq, Praxis Automation Technology, Reygar LTD, Rolls-Royce, Twin Disc, Twin Disc DP, Wärtsilä, Navis, Sonardyne. Среди отечественных разработок известна система «Магнетит», созданная АО «Концерн «НПО «Аврора» [3].
Важнейшими задачами при эксплуатации морских объектов, оснащенных СДП, являются [4]:
■ обеспечение безаварийной работы технических средств (ТС) для точности удержания морского объекта над точкой морского дна или относительно надводного объекта при выполнении технологических операций в морских условиях, включая противоаварийные задачи, грузовые операции в море, прокладку кабельных трасс и трубопроводов и другие работы в море;
■ обеспечение защиты электроэнергетической системы (ЭЭС) от перегрузок средствами надежной автоматизации процессов управления ЭЭС, такими как запуск и остановка гребного электродвигателя (ГЭД), работа и синхронизация подключения судовых дизель-генераторов (ДГ) к шинам питания приводов ТС, диагностика и контроль состояния ТС, эффективная манипуляция САУ со стороны СДП;
■ экономия энергоресурсов, потребляемых ТС САУ, и обеспечение экологической безопасности окружающей среды при выполнении работ в море;
■ экономия технического ресурса оборудования энергоустановки и пропульсивных устройств;
■ снижение износа и увеличение ресурса оборудования ТС;
■ уменьшение бросков потребляемой мощности ТС для повышения эффективности использования ДГ и улучшения качества электроэнергии в ЭЭС;
■ учет динамики изменения мощности ГЭД. Перечисленные задачи решаются при создании
алгоритмов управления судном и системой его движения, в частности алгоритмов СДП, их отработке и отладке. При этом возникает проблема, связанная со сложностью и трудоемкостью физического и натурного экспериментов. Проведение вычис-
лительного эксперимента на компьютерной модели (КМ) позволяет исследовать большое количество вариантов и в результате сократить трудоемкость разработки и отладки алгоритмов управления.
При работе СДП происходит обработка информации о местоположении объекта относительно заданной точки, вычисление сил и моментов с учетом параметров внешних возмущений, действующих на положение объекта, и рассчитываются управляющие сигналы средств активного управления (винтору-левых колонок (ВРК), подруливающих устройств (ПУ)). Поведение судна при динамическом позиционировании имеет нелинейный характер, его предсказание с необходимой для управления судна точностью возможно преимущественно только при использовании в составе системы регулирования нелинейной математической модели, которая должна описывать состояние объекта в текущий момент времени и с опережением.
Компьютерное моделирование
системы динамического
позиционирования судна.
Концепция и принцип действия
Computer modeling of the ship's dynamic positioning system. Concept and operating principle
Концепция компьютерного моделирования судна с СДП является научно-техническим заделом для создания программного обеспечения разработки и отладки алгоритмов СДП и заключается в создании моделей СДП, судна как объекта управления, и внешних воздействий с дальнейшей отладкой алгоритмов управления СДП и проведением виртуальных испытаний ее функционирования. На рис. 1 (см. вклейку) представлена структура КМ суда с СДП, которая состоит из четырех взаимосвязанных моделей: судна, внешних воздействий, системы управления, СДП.
Модель судна
Модель судна реализует математическую модель плоскопараллельного движения судна, учитывающую гидродинамические характеристики корпуса судна, силы и моменты волнового и ветрового дрейфа, позволяет имитировать движение судна заданной конструкции при воздействии внешней среды [5-8].
Модель судна включает в себя модели корпуса, движителей и средств активного управления - ВРК и ПУ, приводящих судно в движение и задающих его направление.
Как и реальный объект, модель судна оснащена датчиками:
■ положения и курса для определения координат судна в пространстве (Хс и Yc) и угла курса (Фс);
■ движения, отражающими скорость судна (Ус) и проекции вектора скорости на осях x и у (Ухс, Уус), а также круговую скорость (^с);
■ частоты вращения винтов ВРК (и1,2) и ПУ (п34), угла поворота ВРК (а^г) и ПУ (а34);
■ внешних воздействий: ветра - определяет скорость ветра и направление (Ра, аа), волнения -определяет балльность волнения и направление волн (Ем>, т).
Модель внешних воздействий
При движении судно подвержено влиянию сил окружающей среды - ветра, волнения и течения (рис. 2). Модель внешних воздействий представляет собой имитатор возмущающих воздействий окружающей среды, оказывающих влияние на положение судна. К таким воздействиям относятся волнение при различной балльности Ем> и направлении аw и ветер, действующие на судно с определенной силой ^а в направлении аа [9].
Параметры считываются соответствующими датчиками модели судна и являются исходными
Рис. 2. Силы, воздействующие на судно, и его смещения
Fig. 2. Forces acting on the vessel and its displacement
данными для расчета сил, вызывающих перемещение судна в продольном и поперечном направлениях, обусловленных ветром (Ха, Га) и волнением (Хм, Ум?). Полученные силы передаются для дальнейшего учета и компенсации в расчетные блоки модели СДП судна.
Модель системы управления судном
Модель системы управления (СУ) судном представляет собой набор связанных расчетных элементов, главной функцией которого является формирование задающих воздействий ВРК и ПУ (заданная частота вращения - пг1,2,3,4, заданный угол поворота - ок12д4) и их передача на пропульсив-ные устройства судна, а также настройка блоков математической модели, задание коэффициентов уравнений и т.д.
Приборная панель модели СУ обеспечивает взаимодействие оператора с СУ судна. Она содержит все необходимые для визуализации данных элементы, индикаторы, экраны и позволяет непрерывно отслеживать информацию о параметрах движения судна, его текущем положении, состоянии систем и др.
Панель управления состоит из управляющих видеокадров, при помощи которых осуществляется задание команд, настройка моделей, ввод параметров элементов системы и коэффициентов.
Система управления движением судна реализует два режима: режим ручного управления и режим динамического позиционирования [2]. Переключение между режимами работы СУ выполняется селектором. При этом осуществляется переключение между двумя потоками управляющих сигналов, формируемых в соответствующих режимах.
В ручном режиме управление движением судна осуществляется установкой параметров движитель-ных и рулевых устройств рукоятками на панели управления и последующей передачей через селектор на элементы управления.
Режим динамического позиционирования представляет собой отдельную сложную подмодель. Входными данными для функционирования системы являются координаты точки позиционирования Хг, Уг и курс судна Фг, задаваемые на панели системы управления динамическим позиционированием (СУДП), и данные с датчиков судна. На выход модели СДП поступают рассчитанные оптимальные значения параметров элементов управления движением судна, которые обеспечивают перемещения судна с заданным курсом в точку позиционирования.
Модель системы динамического позиционирования
Модель реализует режим СДП, обеспечивающий автоматическое управление перемещением судна из точки текущего положения в заданную точку позиционирования путем расчета требуемых параметров средств активного управления. Заложенные в модель СДП алгоритмы позволяют динамически определять значение упора, которое необходимо обеспечить ВРК и ПУ для компенсации всех противодействующих сил и достижения точки позиционирования с заданным курсом.
Модель СДП включает в себя расчетные модули коррекции по расстоянию и курсу, коррекции по скорости, коррекции по моментам, учета компенсируемых сил, расчета оптимального распределения упоров, преобразования упоров в углы и частоты вращения гребных винтов.
Входными данными модели СДП являются:
■ данные с датчиков судна о его текущих координатах Хс и Ус, угле курса Фс, скорости движения Ухс и Уус, Жс, параметрах ветра (скорость ^а и направление аа) и волнения (балльность ¥м> и направление ам);
■ данные системы управления о координатах точки позиционирования Хг, Уг и заданном угле курса Фг.
Выходные данные модели СДП - рассчитанные оптимальные значения управляющих сигналов частот вращения (пг12,34) и углов поворота (аг1 2 3 4) для каждого активного пропульсивного устройства.
Модуль коррекции по расстоянию и курсу определяет отклонение между заданными и фактическими координатами судна по осям - Ах и Ау и углу курса - Аф. Расчет производится на основе данных с датчиков модели судна о текущих координатах судна (Хс, Ус, Фс) и данных от СУ о заданных параметрах позиционирования (Хг, Уг, Фг).
Модулем коррекции по скорости учитываются действующая в текущий момент скорость судна, продольная и поперечная составляющие (Ухс, Уус), угловая скорость Жс, а также отклонения по расстоянию Ах и Ау, полученные в модуле коррекции по расстоянию и курсу. В расчете используются поправочные коэффициенты и коэффициенты, обусловленные параметрами самого судна. На выходе модуля формируются составляющие компенсируемой силы по перемещению судна в пространстве по осям х и у.
Модуль коррекции по моментам учитывает факторы, влияющие на угловую скорость судна, т.е. вызывающие изменение курса. В расчет включены:
■ момент, создаваемый гидродинамикой судна, его движительными и рулевыми устройствами;
■ моменты, обусловленные аэродинамикой и волновым дрейфом (т.е. воздействием внешней среды).
На выходе модуля формируются составляющие компенсируемой силы по курсу.
Модуль учета компенсируемых сил содержит набор регуляторов и сумматоров, позволяющих рассчитать суммарное значение силы, которую необходимо скомпенсировать для достижения судном заданной точки позиционирования с указанным курсом.
За счет поправочных коэффициентов осуществляется регулировка точности и скорости позиционирования. На выход модуля поступают значения суммарного упора в проекциях на осях х и у - Тх и Ту, которые необходимо обеспечить судну.
Модуль оптимального распределения упоров на основе применения методов оптимизации рассчитывает оптимальное распределение упоров Тх и Ту между находящимися в работе средствами активного управления по одному или нескольким критериям. При распределении упоров учитываются технические характеристики и ограничения пропульсив-ных элементов.
Применение алгоритма оптимального распределения упоров (тяги) повышает надежность и эффективность системы в целом, а также позволяет минимизировать расход топлива и снизить износ механизмов.
Выходными данными блока являются значения упоров для каждого элемента управления движением судна по осям Тх1>2д4 и Ту1>2д4.
На основе рассчитанного суммарного упора судна и его оптимального распределения между пропульсивными устройствами модулем преобразования упоров осуществляется пересчет полученных значений упоров в задающие воздействия для каждого ПУ и ВРК судна с учетом технических возможностей пропульсивных устройств во избежание их перегрузки. На выходе модуля формируются управляющие сигналы заданных частот вращения винтов (пг12д4) и углов поворота (ск1>2д4) для каждого элемента активного пропульсивного элемента (ВРК и ПУ), удовлетворяющие всем ограничениям.
Реализация компьютерной модели судна с системой динамического позиционирования
Implementation of ship's computer model with dynamic positioning system
КМ судна с СДП разработана в отечественной среде динамического структурного моделирования технических систем, создания алгоритмов управления, интерфейсов управления и автоматической генерации кода для программируемых контроллеров SimlnTech [10]. В структуру КМ входят следующие составные элементы:
■ объект управления (ОУ): модели судна и дви-жительно-рулевого комплекса;
■ система управления: пульт ручного управления и СДП;
■ система визуализации и отображения;
■ модель внешних воздействий ветра и волнения;
■ база данных сигналов.
Объект управления
Модель ОУ - это модель судна (рис. 3) с двумя ВРК и двумя ПУ (активные элементы СДП). В модели ОУ рассчитываются гидродинамические характеристики корпуса судна, аэродинамические характеристики надводной части корпуса, силы и момент волнового дрейфа, а также характеристики ВРК и ПУ. Движение данного судна описывается системой дифференциальных уравнений, связанной с судном системой координат. Блоки системы электродвижения (СЭД) включают в себя модели преобразователя частоты, регулятора частоты вращения, гребного электродвигателя и отвечают за обеспечение требуемой частоты вращения на валах соответствующих ВРК и ПУ. В блоках ВРК и ПУ формируются упоры и моменты соответствующих
Рис. 3. Модель судна Fig. 3. Ship model
Эксперимент в режиме ручного управления судном Experiment with manual control of the vessel
Время, с Описание события
0 Запуск модели на расчет. По умолчанию ВРК и ПУ отключены, угол поворота отсутствует (0°), координаты судна (0, 0)
0-5 Судно находится в состоянии покоя
5 Команда СУ: частота вращения правой и левой ВРК = 1 о.е.
5-35 Запуск правой и левой ВРК на 100 % мощности. Судно начинает движение вперед
35 Частота вращения ВРК достигла заданного значения. Судно переместилось из точки (0, 0) в точку (0, 160). Команда СУ: частота вращения правой и левой ВРК = 0 о.е.
35-50 Снижение частоты вращения винтов правой и левой ВРК до полной остановки (подготовка ВРК к вращению)
50 Частота вращения ВРК достигла заданного значения. Команда СУ: угол поворота правой и левой ВРК 80°
50-60 Изменение угла поворота ВРК до 80°
60 Заданный угол поворота ВРК достигнут. Команда СУ: частота вращения правой и левой ВРК = 0,3 о.е.
60-80 Запуск ВРК на 30 % мощности для совершения маневра. Судно поворачивает влево
80-145 Судно вышло на заданные обороты. Установившееся движение (поворот влево) судна со скоростью 1,5 м/с
145 Команда СУ: частота вращения правой и левой ВРК = 0 о.е.
145-155 Снижение частоты вращения винтов ВРК до 0 об/мин, подготовка к вращению ВРК
155 Частота вращения ВРК снижена до 0. Команда СУ: угол поворота правой и левой ВРК = 30°
155-170 Снижение угла поворота ВРК до 30°
170 Угол поворота ВРК достиг значения 30°. Команда СУ: частота вращения правой и левой ВРК = 0,3 о.е.
170-200 Запуск ВРК на 30 % мощности для совершения маневра. Выравнивание курса судна до 90° влево
200 Выполнен поворот судна на 90°, маневр завершен. Команда СУ: частота вращения правой и левой ВРК = 0 о.е.
200-215 Снижение частоты вращения винтов ВРК до 0 об/мин, подготовка к вращению ВРК
215 Частота вращения ВРК достигла заданного значения. Команда СУ: угол поворота правой и левой ВРК = 0°
215-225 Изменение угла поворота ВРК до 0°
225 Колонки выровнены, угол поворота ВРК достиг значения 0°. Команда СУ: частота вращения правой и левой ВРК = 0,3 о.е.
225-270 Запуск ВРК на 30 % мощности. Установившееся прямолинейное движение судна со скоростью 2,5 м/с
270 Судно достигло заданной координатной точки (-300, 310). Команда СУ: частота вращения правой и левой ВРК = 0 о.е.
270-280 Снижение частоты вращения винтов ВРК до 0
280-340 Работа правой и левой ВРК остановлена. Судно движется по инерции
340 Команда блока внешних воздействий: сила ветра = 6 м/с, угол ветра = 150°
340-360 Смещение судна под действием ветра
360 Остановка расчета модели
пропульсивных устройств, а также реализована функция их поворота на заданный угол.
Для расчета аэродинамических характеристик, сил и момента волнового дрейфа на вход блока судна подаются сигналы с датчиков ветра и волнения, транслирующие силу и направление соответствующего внешнего возмущения. Датчик положения позволяет определить координаты местоположения судна на основе текущих данных о скорости перемещения судна по осям X и 7 и его курсе. За нулевую точку принята точка начала движения с координатами (0, 0).
Для демонстрации работы модели судна в режиме ручного управления решим задачу расчета перемещения судна из точки (0, 0) в точку (0, 160), а затем в точку (-300, 310) за счет манипуляции правой и левой ВРК. При достижении конечной точки ВРК останавливаются, после чего на положение судна оказывает влияние ветер. Детализированный сценарий эксперимента приведен в таблице.
Значение величины
Север, м
320 280 240 200 160 120 80 40
-300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Восток, м
Рис. 4. Траектория перемещения судна Fig. 4. Ship movement pattern
На рис. 4 приведена траектория перемещения судна в ходе эксперимента. На рис. 5 и 6 отражены частоты вращения на валах ВРК и углы поворотов
Рис. 5. Частота вращения винтов правой и левой винторулевых колонок
Fig. 5. Rotation frequency
of the propellers of the right and left
azimuth thrusters
0,8 0,6 0,4 0,2 0
0,8 0,6 0,4 0,2 0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Время, с
Значение величины
Рис. 6. Угол поворота правой и левой винторулевых колонок
Fig. 6. Angle of rotation of the right and left azimuth thrusters
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Время, с
Значение величины
Рис. 7. Скорость движения судна
Fig. 7. Vessel speed
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Время, с
колонок. График скорости движения судна на протяжении эксперимента представлен на рис. 7. На рис. 8 (см. вклейку) зафиксирована приборная панель системы управления с параметрами движения судна на момент окончания эксперимента.
Система управления
Управление движением судна в КМ организовано двумя способами: вручную и при управлении от СДП. Панель управления движением судна представлена на рис. 9.
В режиме ручного управления задание управляющих воздействий ВРК и ПУ осуществляется на пульте управления (на рис. 9 слева) посредством поворота соответствующих рукояток. Каждому ПУ и ВРК соответствуют две рукоятки. Первой рукояткой задается значение частоты вращения винта в относительных единицах от 0 до 1, второй - угол поворота в пределах от минус 180° до 180°. Положительный угол поворота откладывается по часовой стрелке. Повороту 0° соответствует установленное по умолчанию положение, параллельное продольной оси судна.
Включение режима автоматического управления движением судна СДП в КМ реализуется нажатием соответствующей кнопки на панели СУДП, представленной на рис. 9 справа.
Блоком «Селектор» осуществляется переключение управляющих сигналов ВРК и ПУ от передаваемых с пульта управления судна на формируемые в СДП. Ручное управление отключается полностью.
Для управления позиционированием требуется задать в поле СУДП координаты точки позиционирования и угол курса судна. Частоты вращения и углы поворота ВРК и ПУ рассчитываются согласно алгоритмам, заложенным в систему в блоке «СДП блок расчета».
В блоке «СДП блок расчета» вычисляется разница между фактическими и требуемыми параметрами, на ее основе рассчитываются суммарные упоры по осям X и У и момент, которые необходимо создать судну для преодоления расстояния от точки настоящего положения до заданной точки позиционирования. Разложение упора ВРК и ПУ на продольную и поперечную составляющие представлено на рис. 10.
Следующим шагом СДП суммарный упор распределяется между всеми активными пропульсив-ными устройствами судна по алгоритму распределения с использованием метода оптимизации, в качестве которого выбран симплекс-метод - универсальный метод оптимизации для решения линейной системы уравнений или неравенств и линейного функционала [11-12].
На основе результатов распределения упоров между всеми движительными элементами производится расчет управляющих сигналов для ВРК и ПУ (частоты вращения и углы поворота для каждого элемента) - выходных значений блока СДП. Для защиты ПУ и ВРК от недопустимых механических воздействий в СДП предусматриваются ограничения по моментам, создаваемым гребными винтами. Вращение ВРК и ПУ органи-
Рис. 9. Панель управления движением судна
Fig. 9. Vessel Traffic Control Panel
зовано таким образом, что вне зависимости от знака заданной величины угла поворот будет производиться по кратчайшей траектории.
Система визуализации и отображения
Приборная панель
Приборная панель судна отображает параметры движения судна и данные датчиков положения, ветра и волнения (рис. 11, см. вклейку). Она оснащена стрелочными приборами, цифровыми индикаторами и анимированными элементами отображения. Панель можно разделить на несколько условных частей. Левая верхняя часть относится к параметрам движения судна и содержит следующую информацию:
■ скорость судна - цифровой индикатор и стрелочный прибор;
■ угол курса судна - цифровой индикатор и стрелочный прибор;
■ угловая скорость - цифровой индикатор;
■ пройденный путь - цифровой индикатор. Приведены следующие датчики:
■ положения судна (координаты по ^ и п - цифровые индикаторы);
■ ветра (угол и скорость - цифровые индикаторы);
■ волнения (угол и балльность - цифровые индикаторы).
Левая нижняя часть приборной панели предназначена для отображения состояния ПУ и ВРК судна. На ней размещены как стрелочные приборы, так и дублирующие цифровые индикаторы частот вращения винтов и углов поворота двух ВРК и двух ПУ. Справа расположена область дополнительных значений, предоставляющая данные о продольной и поперечной составляющих скорости судна в виде цифровых индикаторов и стрелочных приборов.
Приборная панель оснащена многофункциональным индикатором, наглядно отражающим курс судна и направление влияния внешних сил - ветра и волнения (стрелки розового и синего цветов соответственно) - по данным, передаваемым с датчиков (рис. 12, см. вклейку). Также индикатор оснащен цифровым полем, дублирующим значение фактического угла курса судна.
Все положительные значения углов откладываются при вращении по часовой стрелке, отрицательные - против часовой. Нулевому углу соответствует направление на север.
Для отображения траектории перемещения судна предусмотрено поле графика (рис. 4). Точке начала движения судна соответствует координата (0, 0).
Рис. 10. Проекции упора на оси X и Y Fig. 10. Projections of the thrust on the X and Y axes
Диаграммы упоров
При работе СДП осуществляется расчет упора, который необходимо обеспечить судну для преодоления расстояния до точки позиционирования. Также производится распределение этого суммарного упора между движителями судна. Векторы упоров имеют разложение на составляющие по осям X и 7. Для отображения данных векторов и отслеживания динамики их изменения в процессе позиционирования, определения численных значений и направления векторов созданы круговые диаграммы упоров, представленные на рис. 13 (см. вклейку). Каждая из 5 диаграмм соответствует суммарному упору судна, упорам правого и левого ПУ, упорам правой и левой ВРК. Векторы упора по оси Х обозначены розовым цветом, векторы упора по оси Y - синим, результирующие векторы соответствующего элемента - зеленым.
Анимированные элементы визуализации
К анимированным элементам визуализации относятся мнемосхемы двух ПУ и двух ВРК, приведенные на рис. 14. Они наглядно отображают характеристики и положение соответствующих элементов в режиме как ручного управления, так и СДП. В верхней части каждой из четырех областей расположена метка, идентифицирующая элемент. Круговая шкала со стрелкой и изображение пропуль-сивного элемента отражают угол поворота этого элемента. В нижней части каждой из областей находятся цифровые индикаторы для отображения численного значения частоты вращения винта (слева) и угла поворота (справа).
Модель внешних воздействий
При движении на судно оказывает возмущающее воздействие окружающая среда (ветер, волнение). Для отладки и отработки алгоритмов систе-
л nv ✓ 4 • /, 11 V " ППУ / s " "Ml "
1 "О i u 1-й« 1 1 U [ -2W
Л В PK „ ч\ ' 1 1 !, „ ч / П ВРК ■у*'7"'-
1-1 u ! сто 1 ™ 1 " 1 6L«
Рис. 14. Анимированные элементы отображения винторулевых колонок и подруливающих устройств судна
Fig. 14. Animated display elements of propellers and ship thrusters
мы управления и СДП в условиях не только стоячей воды, но и приближенных к реальным, появляется необходимость ввода и учета влияния на движение судна сил окружающей среды: ветра и волнения. На рис. 15 изображены модели ветра и волнения, при помощи которых имитируется соответствующее возмущение. В моделях предусмотрены кнопки включения/выключения, рукоятки задания направления действия и задания
силы воздействия. Для ветра это скорость (диапазон от 0 до 20 м/с), для волны - интенсивность (от 1 до 7 баллов).
База данных сигналов
Для КМ судна с СДП разработана база данных (БД) сигналов, посредством которой осуществляется взаимный обмен данными между составными элементами КМ. На рис. 16 изображено окно редактора БД. Использование БД позволяет обеспечить более простой и быстрый способ обращения к данным, а также значительно снизить количество линий связи и элементов на поле моделирования. В настоящий момент в БД внесены и используются 74 сигнала.
Заключение
Conclusion
Концепция компьютерного моделирования судна с СДП реализована в отечественной среде динамического моделирования SimInTech. КМ судна с СДП состоит из взаимосвязанных моделей судна, внешних воздействий, системы управления и СДП. Модель судна реализует математическую модель плоскопараллельного движения судна. Модель СДП включает в себя расчетные модули коррекции по расстоянию и курсу, коррекции по скорости, коррекции по моментам, учета компенсируемых сил, расчета оптимального распределения упоров, преобразования упоров в углы и частоты вращения гребных винтов.
Выполнена демонстрация работы модели судна в режиме ручного управления посредством реше-
Рис. 15. Модели ветрового и волнового воздействия Fig. 15. Models of wind and wave action
Рис. 16. База данных сигналов Fig. 16. Signal database
ния задачи расчета перемещения судна в заданную точку за счет управления правой и левой ВРК.
КМ обеспечивает проведение большого количества расчетных исследований режимов управления судном для создания и отладки алгоритмов управления движением судна при его позиционировании с учетом оптимального использования ресурсов ЭЭС, что снижает трудоемкость разработки и отладки алгоритмов управления.
Список использованной литературы
1. Вагущенко Л.Л., Цымбал Н.Н. Системы автоматического управления движением судна. 3-е изд., пере-раб. и доп. Одесса: Феникс, 2007. 328 с.
2. Барахта А.В., Юдин Ю.И. Структура и принципы работы систем динамического позиционирования // Вестник Мурман. гос. техн. ун-та. 2009. Т. 12, № 2. С. 255-258.
3. Шилов К.Ю., Черныш Ю.Н., Ляпин Ю.Н. Базовые решения при создании систем управления движением и динамическим позиционированием судов // Морской вестник. 2010. № 1(33). С. 26-28.
4. Азаров М.М., Ляпин В.И. Управление динамическим позиционированием с обеспечением ограничения потребляемой мощности комплексом технических средств // Системы управления и обработки информации. 2013. № 27. С. 3-13.
5. Тумашик А.П. Расчет гидродинамических характеристик судна при маневрировании // Судостроение. 1978. № 5. С. 13-15.
6. Юдин Ю.И., Сотников И.И. Математические модели плоскопараллельного движения судна. Классификация и критический анализ // Вестник Мурман. гос. техн. ун-та. 2006. Т. 9, № 2. С. 200-208.
7. Mathematical model [Electronic resource] // Encyclopaedia Britannica: [site]. Chicago, 2018. URL: https://www.britannica.com/science/mathematical-model (Accessed: 20.10.2020).
8. HolvikJ. Basics of Dynamic Positioning [Electronic resource] // Proceedings of Dynamic Positioning Conference. Houston: Marine Technology Society, 1998. URL: https://dynamic-positioning.com/proceedings/dp1998/ BHolvik.PDF (Accessed: 20.10.2020).
9. Лукомский Ю.А., Корчанов В.М. Управление морскими подвижными объектами. Санкт-Петербург: ЭЛМОР, 1996. 317, [1] с.
10. Калачев Ю.Н. SimInTech: моделирование в электроприводе: [инструкция по пониманию]. Москва: ДМК Пресс, 2019. 95, [1] с.
11. Амбросовский В.М., КореневА.С. Алгоритмы управления в задачах позиционирования динамических объектов // XII всероссийское совещание по проблемам управления: труды ВСПУ-2014. Москва: ИПУ РАН, 2014. С. 3523-3533.
12. Алексеева Е.В., Кутненко О.А., Плясунов А.В. Численные методы оптимизации: учеб. пособие. Новосибирск: Новосибирский гос. ун-т, 2008. 128 с.
References
1. L. Vagushchenko, N. Tsymbal. Automatic ship traffic control systems. 3rd ed., Rev. and add. Odessa: Phoenix, 2007. 328 p. (in Russian).
2. A. Barakhta, Yu. Yudin. The structure and principles of dynamic positioning systems // Bulletin of the Murmansk State Technical University. 2009. T. 12, No. 2. P. 255-258 (in Russian).
3. K. Shilov, Yu. Chernysh, Yu. Lyapin. Basic solutions for the creation of traffic control systems and dynamic positioning of ships // Morskoy Vestnik. 2010. No. 1(33). P. 26-28 (in Russian).
4. M. Azarov, V. Lyapin. Dynamic positioning control with the provision of limiting the power consumption by a complex of technical means // Control systems and information processing. 2013. No. 27. P. 3-13 (in Russian).
5. A. Tumashik. Calculation of the hydrodynamic characteristics of the vessel during maneuvering // Sudostroenie. 1978. No. 5. P. 13-15 (in Russian).
6. Yu. Yudin, I. Sotnikov, Mathematical models of planeparallel movement of the vessel. Classification and critical analysis // Bulletin of the Murmansk State Technical University. 2006. T. 9. No. 2. P. 200-208 (in Russian).
7. Mathematical model [Electronic resource] // Encyclopaedia Britannica: [site]. Chicago, 2018. URL: https://www.britannica.com/science/mathematical-model (accessed: 20.10.2020).
8. J. Holvik. Basics of Dynamic Positioning [Electronic resource] // Proc. of Dynamic Positioning Conference. Houston: Marine Technology Society, 1998. URL:https://dynamic-positioning.com/proceedings/ dp1998/BHolvik.PDF (accessed: 20.10.2020).
9. Yu. Lukomsky, V. Korchanov. Management of marine mobile objects. St. Petersburg: ELMOR, 1996. 317, [1] p. (in Russian).
10. Yu. Kalachev. SimInTech: Simulation in an electric drive: [instructions for understanding]. Moscow: DMK Press, 2019. 95, [1] p. (in Russian).
11. V. Ambrosovsky, A. Korenev. Control algorithms in the problems of positioning dynamic objects // XII All-Russian meeting on control problems: Proc. of VSPU-2014. Moscow: IPU RAN, 2014. P. 3523-3533 (in Russian).
12. E. Alekseeva, O. Kutnenko, A. Plyasunov. Numerical optimization methods: tutorial. Novosibirsk: Novosibirsk State University, 2008.128 p. (in Russian).
Сведения об авторах
Калинин Игорь Михайлович, д.т.н., начальник отдела перспективного развития и инновационных разработок ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (911) 935-03-11. E-mail: kaigmi@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-4509-2557. Иванова Мария Константиновна, инженер 2 категории отдела перспективного развития и инновационных разработок ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (950) 009-79-29. E-mail: golife@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-4509-2557. Паутов Леонид Геннадьевич, заместитель директора по электротехнике и технологии филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, Благодатная ул., д. 6. Тел.: +7 (921) 992-67-00. E-mail: I_Pautov@ksrc.ru. Рудецкий Артем Валерьевич, адъюнкт очной адъюнктуры ВУНЦ ВМФ ВМА. Адрес: 197045, Россия, Санкт-Петербург, Ушаковская наб., д. 17/1. Тел.: +7 (931) 343-45-18. E-mail: artem.rudetsky@yandex.ru.
About the authors
Igor M. Kalinin, Dr. Sci. (Eng.), Head of the Prospective Development and Innovative Developments Department, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskov-skoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (911) 935-03-11. E-mail: kaigmi@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-4509-2557. Maria K. Ivanova, Engineer of the 2nd category of the Prospective Development and Innovative Developments Department, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (950) 009-79-29. E-mail: golife@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-4509-2557. Leonid G. Pautov, Deputy Director for Electrical Engineering and Technology, "TsNII SET" Branch of the Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya str., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: +7 (921) 992-67-00. E-mail: I_Pautov@ksrc.ru.
Artem V. Rudetskiy, Adjunct of the postgraduate studies, Military Educational and Scientific Center, N.G. Kuznetsov Naval Academy. Address: 17/1, Ushakovskaya emb., St. Petersburg, Russia, post code 197045. Tel.: +7 (931) 343-45-18. E-mail: artem.rudetsky@yandex.ru.
Поступила / Received: 07.08.20 Принята в печать / Accepted: 24.11.20 © Коллектив авторов, 2020
