CC BY
22
УДК 629.127 DOI 10.23683/2311-3103-2019-1-223-238
Л.А. Мартынова
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА БОЛЬШОЙ ДАЛЬНОСТИ*
Рассмотрено функционирование гибридной системы энергообеспечения перспективного автономного необитаемого подводного аппарата большой автономности. Отличительной особенностью аппарата является использование гибридной системы энергообеспечения, включающей в себя литий-ионную аккумуляторную батарею и один или несколько электрохимических генераторов. Гибридная система энергообеспечения позволяет аппарату осуществлять попеременное движение в различных скоростных режимах, используя то один, то другой источник энергии. Однако использование аккумуляторной батареи требует ее полного заряда для обеспечения движения в высокоскоростном режиме в течение всего заданного периода времени, что не всегда возможно из-за ограниченности переходного периода между скоростными режимами. Целью работы явились разработка математической модели функционирования гибридной системы энергообеспечения и выявление особенностей работы системы энергообеспечения при переходе от движения в экономичном режиме к движению в высокоскоростном режиме в течение всего заданного периода времени. Задачами исследования являлись: разработка математических моделей функционирования разнородных источников электроэнергии системы энергообеспечения; разработка алгоритмов совместного функционирования разнородных источников электроэнергии системы энергообеспечения на основе модели функционирования гибридной системы энергообеспечения; разработка алгоритмов функционирования системы энергообеспечения аппарата; разработка программной реализация алгоритмов функционирования системы энергообеспечения; проведение численных экспериментов, направленных на исследование переходных процессов. Результаты моделирования работы гибридной системы энергообеспечения позволили получить зависимости, позволяющие прогнозировать время движения аппарата в высокоскоростном. Результаты проведенных численных экспериментов позволили оценить допустимые диапазоны параметров источников электроэнергии системы энергообеспечения, время переходных процессов и связанные с этим ограничения. Математическая модель функционирования гибридной системы энергообеспечения может быть использована на последующих этапах отработки системы энергообеспечения путем масштабирования математической модели и большей детализации воспроизводимых процессов. Разработанный дружественный интерфейс программной реализации математической модели функционирования гибридной системы энергообеспечения может быть впоследствии взят за основу при разработке программного обеспечения автоматизированного рабочего места оператора на имитационных, стендовых, полунатурных и натурных испытаниях.
Автономный необитаемый подводный аппарат большой автономности; гибридная система энергообеспечения; электрохимический генератор; математическая модель; численный эксперимент.
L.A. Martynova
MATHEMATICAL MODEL OF HYBRID ENERGY SYSTEM IN LONG-DEPTHS AUTONOMOUS UNDERWATER APPARATUS
The hybrid power supply system functioning in a perspective autonomous underwater vehicle of high autonomy is considered. A distinctive feature of the device is the use of a hybrid power supply system, which includes a lithium-ion battery and one or more electrochemical generators. The hybrid power supply system allows the device to carry out alternate movement in differ-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, проекты № 17-08-00666, № 19-08-00253.
ent speed modes, using one or the other energy source. However, the use of a rechargeable battery requires its full charge to ensure movement in high-speed mode for the entire specified period of time, which is not always possible due to the limited transition period between speed modes. The aim of the work was to develop a mathematical model of the hybrid energy supply system functioning and identify the features of the energy supply system during the transition from movement in economy mode to movement in high-speed mode during the entire specified period of time. The objectives of the study were the following: development of mathematical models for the operation of dissimilar energy sources of the energy supply system; development of algorithms for the joint operation of dissimilar energy sources of the energy supply system based on the functioning model of the hybrid energy supply system; development of algorithms for the operation of the power supply system of the apparatus; development of software implementation of algorithms for the operation of the energy supply system; carrying out numerical experiments aimed at the study of transients. The results of the hybrid power supply system simulation allowed us to obtain dependencies that allow us to predict the time of the vehicle movement in high-speed. The results of the conducted numerical experiments allowed us to estimate the permissible ranges of the parameters of the sources of electric power of the energy supply system, the time of transient processes and the associated limitations. The mathematical model of the functioning of the hybrid energy supply system can be used in the subsequent stages of developing the energy supply system by scaling the mathematical model and more detailed reproducible processes. The developed user-friendly interface of the software implementation of the mathematical model of the functioning of the hybrid power supply system can subsequently be taken as the basis for developing software for the operator's automated workplace for imitation, bench, semi-natural and field tests.
Autonomous unmanned underwater vehicle of high autonomy; hybrid power supply system; electrochemical generator; mathematical model; numerical experiment.
Введение. Одним из направлений совершенствования АНПА является повышение его автономности. Разработка автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) большой дальности (БД) [1-5] включает в себя ряд новых решений, одним из которых является совместное использование в системе энергообеспечения (СЭО) наряду с традиционной литий-ионной аккумуляторной батареей (ЛИАБ) [6-12] также одного или нескольких электрохимических генераторов (ЭХГ) [13-19], потребляющих реагенты из криогенного хранилища (КХ). Основным режимом работы СЭО является режим экономичного хода (ЭХ-режим), обеспечиваемый ЭХГ. Другим периодически используемым режимом является высокоскоростной режим (ВС-режим), в котором движение АНПА обеспечивает ЛИАБ. Переход из одного режима в другой осуществляется по результатам обработки данных системы освещения обстановки или по команде оператора, находящегося на судне обеспечения АНПА.
Сложности управления гибридной СЭО связаны как с управлением разнородными по физическому принципу и условиям эксплуатации источниками энергии, так и с встраиванием управления гибридной СЭО в мультиагентную систему управления АНПА [20], в которой СЭО представляет собой самостоятельного агента. Особенность встраивания связана не только с синтезом алгоритмов, но и с тем, что именно агент СЭО может оказаться источником возникновения конфликта в мультиагентной системе при распределении энергоресурса, вырабатываемого СЭО, между агентами.
В связи с вышесказанным на этапе проектирования и разработки АНПА необходим тщательный анализ работы гибридной СЭО АНПА.
Однако АНПА представляет собой объект морской среды, в связи с чем проведение натурных испытаний сопряжено с большими трудностями, связанными с экономическими затратами и существенным влиянием условий проведения испытаний и среды на полученные результаты. Поэтому на начальных этапах проектирования гибридной СЭО АНПА целесообразно проанализировать протекающие процессы путем математического моделирования.
Необходимость моделирования работы гибридной СЭО вызвана следующими причинами:
♦ наличием разнородных по физическому принципу и условиям эксплуатации источников электроэнергии;
♦ наличием переходных процессов при замене одного источника энергии на другой;
♦ нелинейностью зарядно-разрядных характеристик аккумуляторной батареи.
В связи с вышесказанным целесообразна следующая последовательность
проведения исследований:
♦ предварительное моделирование;
♦ моделирование на имитационном стенде;
♦ полунатурное моделирование на стенде;
♦ морские испытания.
Поскольку реализация гибридной СЭО в АНПА представляет собой совершенно новую разработку и выполняется впервые, то и все, что связано с моделированием гибридной СЭО - также выполняется впервые. Этим определяется актуальность и новизна работы.
Целью работы явилась разработка математической модели функционирования гибридной СЭО и получение с ее помощью предварительных результатов функционирования гибридной СЭО.
Для достижения цели решены следующие задачи:
♦ разработаны математические модели функционирования разнородных источников электроэнергии гибридной СЭО;
♦ разработаны алгоритмы совместного функционирования разнородных источников электроэнергии гибридной СЭО на основе модели функционирования гибридной СЭО;
♦ разработана программная реализация алгоритмов функционирования гибридной СЭО, с использованием которой проведены исследования переходных процессов;
♦ проведены численные эксперименты, направленные на исследование наиболее критичного для гибридной СЭО процесса перехода АНПА из ЭХ-режима движения в ВС-режим, в результате которого получены вероятность полного заряда ЛИАБ за заданный промежуток времени перед переходом в ВС-режим и вероятность движения АНПА в ВС-режиме в течение всего заданного периода времени.
1. Особенности работы гибридной СЭО. Команды на переход АНПА из одного скоростного режима в другой выдает система управления (СУ) АНПА на основании команд от оператора пульта управления, расположенного на судне обеспечения, или от систем АНПА: системы освещения обстановки, навигационной системы.
Источниками электроэнергии являются ЛИАБ и ЭХГ, при этом ЭХГ вырабатывает электроэнергию с использованием реагентов, находящихся в криогенном хранилище. ЛИАБ после разряда подлежит подзаряду с использованием ЭХГ. Электроэнергия, вырабатываемая ЭХГ, всегда расходуется на внутренние нужды АНПА, кроме системы маршевого движительно-рулевого комплекса (МДРК). Энергию, подаваемую на МДРК, вырабатывает ЭХГ при движении АНПА в режиме экономичного хода и ЛИАБ - при движении АНПА в высокоскоростном режиме. Сказанное поясняет рис. 1. Заряд ЛИАБ может осуществляться одним ЭХГ (рис. 2,а) и двумя ЭХГ (рис. 2,б).
Рис. 1. Схема энергопитания источниками электроэнергии: а - режим экономичного хода, б - высокоскоростной режим
Рис. 2. Схема энергопитания источниками электроэнергии: а - подзаряд одним ЭХГ, б - подзаряд двумя ЭХГ
Если от СУ в гибридную СЭО поступает команда на движение АНПА в режиме экономичного хода, то в КХ выдается команда на подачу реагентов в разогретый ЭХГ. Постоянно в гибридную СЭО выдаются сообщения о текущих параметрах КХ: удельный расход реагентов и их текущий остаток. ЛИАБ при этом находится в состоянии саморазряда. Зарядно/разрядные характеристики ЛИАБ являются ее неотъемлемой частью и выдаются разработчиками ЛИАБ вместе с ЛИАБ. Разрядная характеристика ЛИАБ приведена на рис. 3.
Рис. 3. Разрядная характеристика ЛИАБ
Если напряжение ЛИАБ оказалось меньше предельно допустимого уровня ^Дшт (рис. 3), то в ЭХГ выдается команда на повышение его выходного напряжения с тем, чтобы параллельно с энергообеспечением АНПА обеспечивать подзаряд ЛИАБ. Характеристика подзаряда ЛИАБ представлена на рис. 4.
Подзаряд длится до тех пор, пока напряжение ЛИАБ не достигнет уровня ^Дтах (рис. 3).
Рис. 4. Характеристика подзаряда ЛИАБ
Если от СУ поступило сообщение о переходе с заданного момента времени в скоростной режим, то за время ДТ0 до наступления заданного момента гибридная СЭО задает для ЭХГ такой уровень выходного напряжения, чтобы к заданному моменту степень заряда ЛИАБ достигла 100 %. Достижение этого уровня означает повышение напряжения ЛИАБ до уровня üj00% (рис. 3).
При этом могут быть задействованы как один ЭХГ, так и оба ЭХГ. Для проверки достаточности времени на полный заряд ЛИАБ оценивается достигаемый заряд ЛИАБ с использованием одного ЭХГ за имеющееся до ВС-режима время. Подзаряд поясняет рис. 4 и 5. Если при текущем уровне заряда ЛИАБ и возможностям ЭХГ времени недостаточно для полного заряда ЛИАБ одним ЭХГ, то для подзаряда подключается второй ЭХГ. При этом, поскольку он находился в холодном резерве, то на разогрев потребуется некоторое время, в течение которого он еще не будет участвовать в подзаряде ЛИАБ.
Рис. 5. Зависимость напряжения ЛИАБ от времени при заряде одним ЭХГ (сплошная линия) или двумя ЭХГ (пунктирная линия)
Тогда зарядная кривая примет вид, представленный на рис. 5 пунктиром.
В режиме скоростного хода источником питания маршевого двигателя является ЛИАБ, на нужды АНПА продолжает работать ЭХГ.
При движении АНПА в ВС-режиме, вне зависимости от текущего уровня заряда ЛИАБ, происходит переход на потребление от ЛИАБ и резкое увеличение удельного разряда ЛИАБ. Так длится до тех пор, пока от СУ не поступит команда на прекращение ВС-режима или пока заряд ЛИАБ не снизится до минимально допустимого уровня разряда Цдтт.
Если от СУ поступила команда на переход АНПА в режим экономичного хода, то СЭО выдает команду в блок управления ЭХГ на разогрев ЭХГ для приведения его в работоспособное состояние.
После поступления команды от СУ об окончании высокоскоростного режима и перехода в режим экономичного хода происходит смена уставки выходного напряжения ЭХГ 1 на значение, которое позволит обеспечивать питанием потребителей АНПА и подзаряжать ЛИАБ, не превышая уровня полезной мощности, отбираемой с ЭХГ с учетом работы одного ЭХГ или двух ЭХГ одновременно.
Зарядная кривая в общем случае имеет вид, представленный на рис. 5. Сплошная линия соответствует заряду ЛИАБ с использованием одного ЭХГ, пунктирная линия соответствует заряду с использованием двух ЭХГ.
Если ЭХГ 1 и ЭХГ 2 находятся в состоянии «не готов», а ЛИАБ работоспособна и заряжена выше минимально допустимого уровня, то источником энергии в АНПА становится ЛИАБ.
При необходимости включения/выключения технических устройств АНПА от гибридной СЭО передаются команды или сигналы на соответствующие контакторы, секционные автоматические выключатели, преобразователи постоянного тока и автоматические выключатели.
Исходя из приведенного описания работы гибридной СЭО, ее состояние определяется набором источников электроэнергии и режимом их работы.
Граф переходов гибридной СЭО из одного состояния в другое представлен на рис. 6.
Рис. 6. Граф переходов гибридной СЭО из одного состояния в другое
Формирование графа переходов позволило разработать математическую модель работы СЭО.
2. Математическая модель работы СЭО. Поскольку гибридная СЭО представляет собой систему с разнородными по физическому принципу источниками энергии, то для проведения исследований целесообразно использовать имитационное моделирование.
Состояния АНПА и СЭО будем описывать разностными уравнениями.
Модель источников электроэнергии СЭО. Опишем состояние источников электроэнергии КХ и ЛИАБ разностными уравнениями.
Текущее состояние КХ E^Xi в /-ом такте имитации длительностью At по
отношению к предыдущему состоянию в (/-1)-ом такте имитации описывается выражением:
ЕКХ i = ЕКХ i-1 - ЕЗХЛ - E3Xn при ЕКХ i - ЕКХ min ,
где
- ресурс КХ, потребляемый ЭХГ 1;
ЕЭХП _,
2
Еэхп ресурс КХ, потребляемый ЭХГ 2; Екх min - минимально допустимый запас КХ.
Уравнения определения еэхг} и ЕЭхт имеют вид:
ЕЭхГi = АЕаНПЛ! + кМДРК i • ДЕМдРК i + кЗЛИАБi • ДЕЗлИАБ i, ЕЭхгг = AEАНПАг + кМдрк г 'ЬЕмщркг + кзлИАБг -АЕзлиабi, где АеАнпл - расход энергии, вырабатываемой ЭХГ 1, на нужды АНПА; ДЕ'анпл - расход энергии, вырабатываемой ЭХГ 2, на нужды АНПА; АЕ\1дРК. - расход энергии, вырабатываемой ЭХГ 1, на работу маршевого движительно -рулевого комплекса (МДРК) при движении АНПА в ЭХ-режиме;
аемдрк- - расход энергии, вырабатываемой ЭХГ 2, на работу МДРК при движении АНПА в ЭХ-режиме;
ДЕ ЗлиАБ - расход энергии, вырабатываемой ЭХГ 1, на подзаряд ЛИАБ, определяется зависимостью разряда с течением времени (рис. 4); 2
ДЕ2ЛИАБ - расход энергии, вырабатываемой ЭХГ 2, на подзаряд ЛИАБ, определяется зависимостью подразряда с течением времени (рис. 4);
кМДРК'kЗлиАБ , кМДРК'kЗлИАБ - коэффициенты, указывающие на наличие/отсутствие соответствующего слагаемого; k принимает одно из двух значений: k=0 или k=1 в зависимости от состояния СЭО (табл. 1).
Расход на нужды АНПА ДЕ¿^цд определяется тем, что в каждом такте имитации потребляемая энергия расходуется между j потребителями, каждый из которых характеризуется силой тока j Потребителями в АНПА являются системы АНПА: навигационная система, система связи, система освещения обстановки и т.д.
- кроме системы МДРК. Потребляемая АНПА электроэнергия от ЭХГ 1 ДЕанпА 2
или ЭХГ 2 АЕднпА в каждом /-ом такте имитации определяется выражением:
ДЕшпа i = IiU At при Ij < I max , где I max - максимально допустимый ток. Ток, потребляемый системами-потребителями АНПА:
j=1
где Ij - ток, потребляемый j-м потребителем;^,- - количество потребителей в /-ом такте имитации.
Расход на МДРК АЕмдрк i определяется скоростным режимом движения АНПА.
При высокоскоростном режиме АЕмдрк i = Евс,
при ЭХ - режиме АЕ^дрк i = ЕЭХ .
Подзаряд ЛИАБ происходит при выполнении условия:
иД min " иЛИАБ ^ ид max ,
где
UЛИАБ - текущее напряжение ЛИАБ;
U^min, U^max - минимально и максимально допустимые значения текущего напряжение ЛИАБ (рис. 3).
Текущее напряжение ЛИАБ UЛИАБ определяется зарядно/разрядным характером процессов.
Разряд ЛИАБ наступает в следующих случаях:
♦ при движении АНПА в ЭХ-режиме ЛИАБ не используется, в результате чего происходит саморазряд;
♦ при движении АНПА в ВС-режиме ЛИАБ расходует энергию на МДРК;
♦ при выходе из строя ЭХГ 1 и ЭХГ 2 ЛИАБ становится основным источником энергии АНПА и МДРК.
Необходимость подзаряда ЛИАБ наступает в следующих случаях:
♦ при переходе АНПА от ЭХ-режима к ВС-режиму;
♦ после разряда ЛИАБ в ВС-режиме;
♦ после саморазряда ЛИАБ в ЭХ-режиме.
В зависимости от зарядно/разрядного характера процесса уравнения состояния ЛИАБ имеют следующий вид:
♦ при разряде ЛИАБ в ходе движения АНПА в ЭХ-режиме (саморазряд):
ЕЛИАБ i = EЛИАБ i-1 - АЕЭХ,,
где АЕэх, - удельный разряд ЛИАБ, определяется разрядной характеристикой ЛИАБ (рис. 3);
♦ при разряде ЛИАБ в ходе движения АНПА в ВС-режиме:
ЕЛИАБ i = ЕЛИАБ i-i - ^ММДрЮ , где АЕМщрю - удельный разряд ЛИАБ при расходе на МДРК, определяется зависимостью разряда с течением времени (рис. 3);
♦ при разряде ЛИАБ в ходе движения АНПА в ЭХ-режиме при неработоспособных ЭХГ:
ЕЛИАБi = ЕЛИАБi-i - АЕАНПА, - АЕМДРК,, где АЕАНПАг - расход энергии, вырабатываемой ЛИАБ, на нужды АНПА;
АЕ^ДРЮ - расход энергии, вырабатываемой ЛИАБ, на работу МДРК для
движения АНПА в ЭХ-режиме;
♦ при подзаряде ЛИАБ в ходе движения АНПА в ЭХ-режиме:
ЕЛИАБ i = ЕЛИАБ i-i + kЭХ,i • АЕЭХ,,
где АЕэху - удельный заряд ЛИАБ в ходе движения АНПА в ЭХ-режиме определяется зависимостью изменения заряда ЛИАБ с течением времени (рис. 4), оказы-
1 ?
вает влияние на расход энергии АЕзлиаб и АЕ2лиаб , вырабатываемой ЭХГ 1 или ЭХГ 2 соответственно, для подзаряда ЛИАБ;
кэху - коэффициент, указывающий на наличие слагаемого при подзаряде ЛИАБ в режиме ЭХ одним из ЭХГ (по каким-то причинам подзаряда может и не происходить);
♦ при подзаряде ЛИАБ одним или двумя ЭХГ для перехода АНПА в движение в ВС-режиме:
при
ЕЛИАБ I - ЕЛИАБ 1-\ + кЭХ1 ' АЕЭХГУ + кЭХ1 ' АЕЭХГУ
иД шт - иЛИАБ - и100% ,
где АЕэхл - удельный заряд ЛИАБ от ЭХГ, определяется зависимостью подзаря-да ЛИАБ от времени (рис. 4);
кЭхг - коэффициент, указывающий на наличие слагаемого при подзаряде ЛИАБ с использованием ЭХГ 1 перед переходом АНПА в ВС-режим;
2
кЭХ1 - коэффициент, указывающий на наличие слагаемого при подзаряде ЛИАБ с использованием ЭХГ 2 перед переходом АНПА в ВС-режим;
оо% - уровень напряжения, соответствующий полному заряду ЛИАБ.
При выборе использования для подзаряда ЛИАБ одного ЭХГ или двух ЭХГ оценивается объем энергии Е\у, который будет получен при подзаряде за время АТдовс до ВС режима одним ЭХГ:
ЕЗУ - аЕЗЛИАБУ ' АТдоВС .
Если через заданное время до ВС-режима АТдовс окажется, что: подзаряда одним ЭХГ недостаточно, то есть выполняется условие:
иЛИАБ + Е3г < и100% ' то принимается решение о подзаряде ЛИАБ двумя ЭХГ. В этом случае, пока длится разогрев ЭХГ 2 в течение времени АТраз, подзаряд ЛИАБ продолжается с использованием ЭХГ 1:
^31 -АЕЗЛИАБУ ■АТраз при АТдоВС > АТраз , и после перехода ЭХГ 2 в рабочее состояние путем разогрева происходит подзаряд ЛИАБ с помощью двух
2
ЭХГ; объем передаваемой ЛИАБ энергии Е^ определяется выражением: 72
Е32 - 2 • АЕЗЛИАБг • {АТдоВС - АТраз ).
В результате энергия, формируемая при заряде ЛИАБ двумя ЭХГ, будет определяться выражением:
ЕЗУ - ЕЗУ + ЕЗУ .
Значение Е^. должно к моменту начала ВС-режима быть близко к 100 %.
Математическая модель движения АНПА. Состояние АНПА как движущегося объекта, в /-ом такте имитации описывается системой разностных уравнений изменения его координат (ХанпА, ^АНПА, НАНПА):
XАНПАi = XАНПАi + VАНПАi' А?' ^ QАНПАi) < YАНПАi = YАНПАi + VАНПАi'А' cos(QАНПАi) > Н АНПА = HАНПАi + Ун 'А?' ^ 6 АНПАi)
где
VАнпАi - скорость АНПА;
^нпа - курс АНПА;
6АНПАi - дифферент АНПА;
А? - длительность такта имитации АНПА.
Скорость АНПА определяется скоростным режимом его движения:
♦ в режиме ЭХ VАнПАi = УЭХ ;
♦ в режиме ВС VАНПАi = ^С ■
В имитационной модели учитываются разгон/торможение АНПА, в результате которого текущая скорость АНПА определяется выражением:
VАНПАi = VАНПАi-l + а1 ' А? > где а, - ускорение АНПА в /-ом такте имитации.
При движении со скоростью VАнпАi за время А? АНПА проходит расстоя-
ADi
ние АД, на преодоление которого затрачивает энергии АЕ =-■
А?
3. Результаты моделирования. Начальные условия моделирования включали в себя запас КХ в энергетическом эквиваленте, достаточный для преодоления АНПА заданного расстояния, удельные характеристики заряда/разряда ЛИАБ. Задавались расстояние, необходимое для преодоления, период времени для перехода АНПА в ВС-режим и период времени движения АНПА в ВС-режиме.
При проведении численного эксперимента предполагалось, что запаса КХ достаточно для преодоления заданного маршрута.
Рассматривался наиболее критичный для гибридной СЭО процесс перехода из ЭХ-режима в ВС-режим движения АНПА, при котором периодически происходит этап постепенного подзаряда ЛИАБ до максимального уровня (7юо%. Поскольку моменты перехода гибридной СЭО из ЭХ-режима в ВС-режим и обратно заранее неизвестны, то неизвестно текущее напряжение ЛИАБ к моменту начала подготовки к переходу в ВС-режим, поэтому заранее невозможно прогнозировать успешность заряда ЛИАБ до максимального значения в течение заданного периода времени. В связи с этим проводилась оценка успешности заряда ЛИАБ до максимального уровня напряжения за заданное время до начала ВС-режима.
Кроме того, проводилась оценка влияния напряжения ЛИАБ, достигнутого к моменту перехода АНПА в ВС-режим, на вероятность того, что напряжения ЛИАБ окажется достаточно для движения АНПА в ВС-режиме в течение всего заданного периода времени ТЗ.
Определение требуемых вероятностей происходило с использованием метода статистических испытаний. По методу статистических испытаний проводилась серия испытаний, в каждом испытании текущий уровень напряжения ЛИАБ к моменту начала ее заряда разыгрывался равновероятно на отрезке [идтт , идтах] (рис. 3). Вероятность определялась как отношение количества результативных испытаний
к общему количеству испытаний в серии. При расчете вероятности того, что заряд ЛИАБ достигнет требуемого значения июо% за отведенное до ВС-режима время, результативным считалось испытание, при котором напряжение ЛИАБ достигало уровня и100% за отведенное до ВС-режима время. При расчете вероятности того, что АНПА сможет двигаться в ВС-режиме весь заданный период времени, результативным считалось испытание, в котором напряжения ЛИАБ оказалось достаточно для движения АНПА в ВС-режиме в течение всего заданного периода времени Тз.
Ход моделирования представлен на рис. 7 и 8: на рис. 7 показано отображение результатов работы программной реализации математической модели на экране при работе гибридной СЭО в ходе движения АНПА в режиме экономичного хода (а) и в высокоскоростном режиме (б); на рис. 8 показано отображение результатов работы программной реализации математической модели при подзаряде ЛИАБ одним ЭХГ (а) и двумя ЭХГ (б).
а) Режим экономичного хода б) Высокоскоростной режим
Рис. 7. Варианты использования источников энергии в различных режимах функционирования АНПА
Режим экономичного хода Режим экономичного хода
с одновременным подзарядом АБ од- с одновременным подзарядом АБ
ним ЭХГ двумя ЭХГ
Рис. 8. Варианты использования источников энергии в различных режимах функционирования АНПА
На рис. 9 представлены результаты численного эксперимента по оценке вероятности того, что за оставшееся до ВС-режима время удастся зарядить ЛИАБ до 100 %.
Рис. 9. Вероятность достижения 100 % напряжения перед ВС-режимом
Результаты, представленные на рис. 9, показали, что текущее напряжение ЛИАБ на момент начала подготовки к ВС-режиму оказывает существенное влияние на уровень напряжения ЛИАБ к моменту перехода в ВС-режим. Так при максимально возможном в ЭХ-режиме значении напряжения ЛИАБ вероятность полного ее заряда равна 1, но при снижении текущего напряжение ЛИАБ, например, до 50 % от максимума вероятность полного заряда ЛИАБ снижается до 0,6 от требуемого.
На рис. 10 представлены результаты оценки вероятности того, что текущего напряжения ЛИАБ окажется достаточно для движения АНПА в ВС-режиме в течение заданного периода времени Тз.
Длительность ВС-режима, %
Рис. 10. Вероятность того, что движение АНПА в ВС-режиме происходит в течение заданного периода времени
Результаты, представленные на рис. 10, показали, что:
♦ уровень напряжения ЛИАБ на момент перехода в ВС-режим оказывает влияние не только на степень заряда ЛИАБ к этому моменту, но и на результат движения в ВС-режиме в течение всего заданного времени;
♦ длительность ВС-режима оказывает влияние на возможность движения АНПА в ВС-режиме в течение всего заданного времени.
Таким образом, по результатам, представленным на рис. 9 и 10, можно сделать вывод о том, что на результативность движения АНПА в ВС-режиме влияние оказывает как текущее напряжение ЛИАБ к моменту начала подготовки к ВС-режиму, так и продолжительность самого ВС-режима.
Заключение. Резюмируя изложенное, можно сделать следующие выводы.
На основе разработанных математических моделей функционирования разнородных источников электроэнергии гибридной СЭО, разработанных алгоритмов совместного функционирования разнородных источников электроэнергии гибридной СЭО на основе модели функционирования гибридной СЭО разработана про-
граммная реализация алгоритмов функционирования гибридной СЭО, с использованием которой проведены исследования переходных процессов. Проведены численные эксперименты, направленные на исследование наиболее критичного для гибридной СЭО процесса перехода АНПА из ЭХ-режима движения в ВС-режим.
Результаты проведенных численных экспериментов позволили оценить допустимые диапазоны параметров источников электроэнергии СЭО, время переходных процессов и связанные с этим ограничения.
Результаты моделирования работы гибридной СЭО позволили получить зависимости, позволяющие прогнозировать время движения АНПА в высокоскоростном режиме и принимать дополнительные меры для обеспечения достаточности энергоресурса на преодоление всего маршрута в целом.
Математическая модель функционирования гибридной СЭО может быть использована на последующих этапах отработки системы энергообеспечения путем масштабирования математической модели и большей детализации воспроизводимых процессов.
Разработанный дружественный интерфейс программной реализации математической модели работы гибридной СЭО может быть впоследствии взят за основу при разработке программного обеспечения автоматизированного рабочего места оператора на имитационных, стендовых, полунатурных и натурных испытаниях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Апполонов Е.М., Бачурин А.А., Горохов А.И., Пономарев Л.О. О возможности и необходимости создания сверхбольшого необитаемого подводного аппарата // Сб. материалов XIII Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». - Ростов-на-Дону - Таганрог: ЮФУ. - 2018. - С. 34-42.
2. Илларионов Г.Ю., Лаптев К.З., Матвиенко А.П. Дополнительные требования к автономным необитаемым подводным аппаратам дальнего радиуса действия // Матер. 7-ой Всероссийской конференции «Технические проблемы освоения мирового океана», 2-6 октября. - Владивосток, 2017. - С. 25-33.
3. Лаптев К.З., Илларионов Г.Ю. Что может помешать подводному мореходству автономного необитаемого подводного аппарата: // Сб. материалов XIII Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». - Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2017. - С. 138-146.
4. Наумов Л.А., Илларионов Г.Ю., Лаптев К.З., Бабак А.В. К вопросу о принципах планирования и особенностях формирования глобальных маршрутов автономных подводных роботов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 11: в 2 ч. Ч. 2. - Тула: Изд-во Тул-ГУ, 2015. - 219 с.
5. Бриллиантов А.Н. Разработка и исследование основ построения энергетических систем подводных аппаратов: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2005. - 207 с.
6. Матвиенко Ю.В., Инзарцев А.В., Киселев Л.В., Щербатюк А.Ф. Перспективы повышения эффективности автономных подводных роботов // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2016. - № 1 (174). - C. 123-141.
7. Encyclopedia of electrochemical power sources / Editor-in-chief Jürgen Garche. Amsterdam; Boston: Academic Press: imprint of Elsevier, 2009. - 4538 p.
8. World Robotics 2015 Service Robots: Service Robot Statistics. IFR International Federation of Robotics. - Свободный режим доступа: http://www.ifr.org/service-robots/statistics (дата обращения: 25.02.2019).
9. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2013-2038. - Washington, D.C.: Department of Defense, 2013. - Свободный режим доступа: http://www.defense.gov/pubs/ DOD-USRM-2013.pdf (дата обращения: 25.02.2019).
10. Игнатиус Д. Новое экзотическое оружие, которым Пентагон хочет сдержать Россию и Китай (The Washington Post, США) 26.02.2016 ИноСМИ // Новости ВПК: офиц. сайт. - Свободный режим доступа: http://vpk.name/news/150328_novoe_ekzoticheskoe_ oruzhie_kotoryim_pentagon_hochet_sderzhat_rossiyu_i_kitai_the_washington_post_ssha.html (дата обращения: 29.02.2018).
11. A Roadmap for U.S. Robotics From Internet to Robotics. - 2013. - Свободный режим доступа: archive2.cra.org/ccc/files/docs/2013-Robotics-Roadmap (дата обращения: 29.02.2018).
12. Костенко В. В., Михайлов Д. Н. Определение параметров энергосиловой установки автономного необитаемого подводного аппарата по заданной дальности хода // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2013. - № 3 (140). - С. 70-73.
13. Бакуменко Л.Г., Дядик А.Н., Сурин С.Н. Использование электрохимических генераторов на автономных необитаемых подводных аппаратах // Системы управления и обработки информации. - СПб., 2018. - Вып 1 (40).
14. Бакуменко Л.Г., Дядик А.Н., Кармазин А.С., Крятов А.Ю., Сурин С.Н. Определение характеристик автономного необитаемого аппарата на основе 3-D моделирования // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - № 1 (39). - Т. 1.- С. 244-248.
15. Бакуменко Л.Г., Губанов Ю.А. Системы управления корабельными электрохимическими воздухонезависимыми энергоустановками // Системы управления и обработки информации: научн. техн. сб. ОАО «Концерн «НПО «Аврора». - 2015. - Вып. 30. - С. 13-21.
16. Critical Infrastructure for Ocean Research and Societal Needs in 2030. The National Academies Press. Washington, D.C. www.nap.edu.
17. Helge Weydahl, Oistein Hasvold, Oyvind Midtgaard, Kenneth Gade E Energiforsyning, styling og kontroll i ubemannede undervannsfarkoster og nye ubater // Harlan-seminar. - 2015. - Свободный режим доступа www.sms1835.no/mig/harlan/2015/Harlan-foredrag.pptx (дата обращения: 25.02.2019).
18. Nicholas B. Pulsone, Douglas P. Hart, Andrew M. Siegel, Joseph R. Edwards, Kristen E. Railey. Aluminum-Water Energy System for Autonomous Undersea Vehicles // Lincoln Laboratory Journal. - 2017. - Vol. 22, No. 2. - P. 79-90.
19. Фоменко Н.Ю. Электрохимические генераторы (топливные элементы). - Свободный режим доступа http://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C82/032.pdf (дата обращения 11.11.18).
20. Мартынова Л.А., Машошин А.И. Построение системы управления автономных необитаемых подводных аппаратов на базе мультиагентной технологии // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2016. - № 2 (175). - С. 38-48.
REFERENCES
1. Appolonov E.M., Bachurin A.A., Gorokhov A.I., Ponomarev L.O. O vozmozhnosti i neobkhodimosti sozdaniya sverkhbol'shogo neobitaemogo podvodnogo apparata [On the possibility and necessity of creating an ultra large uninhabited underwater vehicle], Sb. materialov XIII Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Perspektivnye sistemy i zadachi upravleniya» [Collection of materials of the XIII All-Russian Scientific and Practical Conference "Perspective Systems and Control Problems"]. Rostov-on-Don - Taganrog: SFedU, 2018. pp. 34-42.
2. Illarionov G.Yu., Laptev K.Z., Matvienko A.P. Dopolnitel'nye trebovaniya k avtonomnym neobitaemym podvodnym apparatam dal'nego radiusa deystviya [Additional requirements for autonomous uninhabited long-range underwater vehicles], Materialy 7-oi Vserossiiskoi konferentsii "Tekhnicheskie problemy osvoeniya mirovogo okeana [Proceedings of the 7th All-Russian Conference "Technical Problems of the Development of the World Ocean"], October 2-6. Vladivostok, 2017, pp. 25-33.
3. Laptev K.Z., Illarionov G.Yu. Chto mozhet pomeshat' podvodnomu morekhodstvu avtonomnogo neobitaemogo podvodnogo apparata [What can prevent the autonomous uninhabited underwater vehicle from underwater navigation], Sbornik materialov XIII Vserossiiskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Perspektivnye sistemy i zadachi upravleniia " [Collection of materials of the XIII All-Russian Scientific and Practical Conference "Perspective Systems and Control Problems"]. Rostov-on-Don: YuFU. 2017, p. 138-146.
4. NaumovL.A., Illarionov G.Yu., Laptev K.Z., BabakA.V. K voprosu o principakh planirovaniya i osobennostyakh formirovaniya globalnykh marshrutov avtonomnykh podvodnykh robotov [On the Question of Planning Principles and Features of the Formation of Global Routes of Autonomous Underwater Robots], Izvestiia TulGU Tekhnicheskie nauki [Izvestiya TSU. Technical science], Issue 11: at 2 part. Part 2. Tula: Publishing House of TSU, 2015, 219 c.
5. Diamonds A.N. Razrabotka i issledovanie osnov postroeniya ehnergeticheskih system podvodnyh apparatov [Development and study of the foundations of the construction of the energy systems of underwater vehicles: cand. of eng. sc. diss.]. Moscow, 2005, 207 p.
6. Matvienko Yu.V., Inzartsev A.V., Kiselev L.V., Scherbatyuk A.F. Perspektivy povysheniya effektivnosti avtonomnykh podvodnykh robotov [Prospects for increasing the efficiency of autonomous underwater robots], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016, No. 1 (174), p. 123-141.
7. Encyclopedia of electrochemical power sources, ed. in chief Jürgen Garche. Amsterdam; Boston: Academic Press: imprint of Elsevier, 2009, 4538 p.
8. World Robotics 2015 Service Robots: Service Robot Statistics. IFR International Federation of Robotics. Mode of Access: http://www.ifr.org/service-robots/statistics/. (Accessed 25 February 2018].
9. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2013-2038. Washington, D.C.: Department of Defense, 2013. Mode of Access: http://www.defense.gov/pubs/ D0D-USRM-2013.pdf. (accessed 31 March 2014).
10. Ignatius D. Novoe ekzoticheskoe oruzhie kotorym Pentagon khochet sderzhat' Rossiyu i Kitay [New exotic weapons with which the Pentagon wants to hold back Russia and China], The Washington Post, USA. 02.26.2016 InoSMI, News of the Military Industrial Complex: official. site. Access mode: http://vpk.name/news/150328_novoe_ekzoticheskoe_ oruzhie_kotoryim_pentagon_ hochet_sderzhat_rossiyu_i_kitai_the_washington_post_ssha.html. Title from the screen. - (accessed 02/29/2018).
11. A Roadmap for U.S. Robotics From Internet to Robotics. 2013. Mode of Access: ar-chive2.cra.org/ccc/files/docs/2013-Robotics-Roadmap.
12. Kostenko V.V., Mikhailov D.N. 0predelenie parametrov energosilovoy ustanovki avtonomnogo neobitaemogo podvodnogo apparata po zadannoy dal'nosti khoda [Determination of parameters of an energy power installation of an autonomous, uninhabited underwater vehicle for a given range of the course], Izvestiya TuGU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya TuGU. Engineering Sciences], 2013, No. 3 (140), pp. 70-73.
13. Bakumenko L.G., Dyadik A.N., Surin S.N. Ispol'zovanie elektrokhimicheskikh generatorov na avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatakh [The use of electrochemical generators on autonomous uninhabited underwater vehicles], Sistemy upravleniia i obrabotki informatsii [Information Management and Processing Systems]. Saint Petersburg, 2018, Vol. 1 (40).
14. Bakumenko L.G., Dyadik A.N., Karmazin A.S., Kryatov A.Yu., Surin S.N. Opredelenie kharakteristik avtonomnogo neobitaemogo apparata na osnove 3-d-modelirovaniya [Characterization of an autonomous uninhabited apparatus based on 3-D modeling], Morskie intellectu-al'nye tekhnologii [Marine Intellectual Technologies], 2018, No. 1 (39). Vol. 1, pp. 244-248.
15. Bakumenko L.G., Gubanov Yu.A. Sistemy upravleniya korabel'nymi elektrokhimicheskimi-vozduhonezavisimymi-energoustanovkami [Control systems for ship based electrochemical air independent power plants], Sistemy upravleniya i obrabotki informatsii [Information management and processing systems: scientific. tech. Sat]. OJSC Concern NPO Avrora, 2015, Vol. 30, pp. 13-21.
16. Critical Infrastructure for the National Academies Press. Washington, D.C. www.nap.edu.
17. Weydahl H, Hasvold O., Midtgaard O, Gade K. Energiforsyning, styring og kontroll i ubemannede undervannsfarkoster og nye ubáter, Harlan-seminar 2015. Available at: www. sms1835 .no/mig/harlan/2015/Harlan-foredrag.pptx.
18. Pulsone N.B., Hart D.P., Siegel A.M., Edwards J.R., Railey K.E. Aluminum-Water Energy Systems for Autonomous Undersea Vehicles, Lincoln Laboratory Journal, 2017, Vol. 22, No. 2, pp. 79-90.
19. Fomenko N.Yu. Ehlektrohimicheskie generator toplivnye ehlementy [Electrochemical generators (fuel cells)]. Available at: http://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C82/032.pdf (accessed 11.11.18).
20. Martynova L.A, Mashoshin A.I. Postroenie sistemy upravleniya avtonomnykh neobitaemykh-podvodnykh apparatov na baze mul'tiagentnoy tekhnologii [Building a control system for autonomous, uninhabited underwater vehicles based on multi-agent technology], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016, No. 2 (175), pp. 38-48.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. Э.В. Мельник.
Мартынова Любовь Александровна - Государственный научный центр Акционерное общество «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (ГНЦ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»); e-mail: martynowa999@bk.ru; 197046, Санкт-Петербург, ул. Малая Посадская, 30; тел.: 89219411395; д.т.н.; доцент; в.н.с.
Martynova Liubov Alexandrovna - State Research Center of the Russian Federation -Concern CSRI Elektropribor, JSC; e-mail: martynowa999@bk.ru; 30, Malaya Posadskaya str., Saint Petersburg 197046, Russia; phone: +79219411395; dr. of eng. sc.; associate professor; leading researcher.
