Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании
Целью работы является поиск оптимальных законов управления гребными электродвигателями (ГЭД) судов с электродвижением. Критериями оптимальности выбраны показатели, характеризующие маневренные свойства электроходов. Методика. Пропорциональный закон управления ГЭД не обеспечивает нужные маневренные с...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Datum: | 2018 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2018
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147967 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании / В.А. Яровенко, П.С. Черников, Р.А. Варбанец, Е.И. Зарицкая // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 6. — С. 38-46. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147967 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Яровенко, В.А. Черников, П.С. Варбанец, Р.А. Зарицкая, Е.И. 2019-02-16T12:34:59Z 2019-02-16T12:34:59Z 2018 Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании / В.А. Яровенко, П.С. Черников, Р.А. Варбанец, Е.И. Зарицкая // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 6. — С. 38-46. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2018.6.05 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147967 629.12-8:629.12.037 Целью работы является поиск оптимальных законов управления гребными электродвигателями (ГЭД) судов с электродвижением. Критериями оптимальности выбраны показатели, характеризующие маневренные свойства электроходов. Методика. Пропорциональный закон управления ГЭД не обеспечивает нужные маневренные свойства электроходам. Оптимальные законы управления ГЭД, обеспечивающие наилучшие маневренные характеристики электроходов могут быть найдены при совместном рассмотрении гребной электроэнергетической установки, гребных винтов и корпуса судна. Результаты. Предложен новый способ формирования оптимальных законов управления. Выявлен характер целевых функций и разработан метод оптимизации. Проведены оптимизационные расчеты и найдены оптимальные законы управления гребными электродвигателями при реверсе электроходов. Оптимизация проведена по критериям минимума тормозного пути и минимума расхода энергии. Проиллюстрирована эффективность использования предлагаемых законов управления. Научная новизна. Метод поиска оптимальных законов управления построен по системному принципу. Это позволяет находить законы управления гребными электродвигателями по конечному результату – по показателям судна. Практическая значимость. Предложенные рекомендации могут использоваться как при проектировании гребных электроэнергетических установок, так и при их эксплуатации. Для конкретного электрохода, в зависимости от показателей качества маневрирования, может быть выбран (из предложенных) и заложен в систему регулирования наилучший закон управления гребными электродвигателями. Метою роботи є пошук оптимальних законів управління гребними електродвигунами (ГЕД) суден з електрорухом. Критеріями оптимальності обрані показники, що характеризують маневрені властивості електроходів. Методика. Пропорційний закон управління ГЕД не забезпечує потрібні маневрені властивості електроходів. Оптимальні закони управління ГЕД, що мають забезпечити найкращі маневрені характеристики електроходів, можуть бути знайдені при спільному розгляді гребної електроенергетичної установки, гребних гвинтів і корпусу судна. Результати. Запропоновано новий спосіб формування оптимальних законів управління. Виявлено характер цільових функцій і розроблено метод оптимізації. Проведено оптимізаційні розрахунки і знайдені оптимальні закони управління гребними електродвигунами при реверсі електроходів. Оптимізація проведена за критеріями мінімуму гальмівного шляху і мінімуму витрат енергії. Проілюстровано ефективність використання запропонованих законів управління. Наукова новизна. Метод пошуку оптимальних законів керування побудовано за системним принципом. Це дозволяє знаходити закони управління гребними електродвигунами за кінцевим результатом – за показниками судна. Практична значимість. Запропоновані рекомендації можуть використовуватися як при проектуванні гребних електроенергетичних установок, так і при їх експлуатації. Для конкретного електроходу, в залежності від показників якості маневрування, може бути обрано (із запропонованих) і закладено в систему керування найкращий закон управління гребними електродвигунами. Introduction. Reliability and safety of electric ships’ maneuverability depends on the maneuvering characteristics of their propulsion motors (PM). Therefore, the issues of improving the process of controlling propulsion motors at maneuvers are topical. The aim of this paper is to find the optimal laws of control. The indicators estimating electric ships’ maneuvering properties are chosen as criteria of optimality. Methodology. A proportional control law is traditionally used in electrical propelling plants with frequency-controlled PM. However, it does not provide the necessary maneuvering characteristics to the electric ships, since it does not take into account the process of the vessel's movement. To search for the optimal control laws of propulsion motors at maneuvers, the electrical propulsion plant is considered in unity with all the components of the ship’s propulsion complex. The dimensionless parameters of the complex are revealed from the mathematical model of the transient modes of its operation. They determine the numerical values of the optimality criteria. Control signals are formed by frequency and voltage. A method for the formation of optimal control laws is proposed. The nature of the target functions is revealed and a special optimization method is developed. A minimum of the braking distance and a minimum of energy spent on maneuvering are taken as criteria of optimality. Results. The parameters of the complexes that significantly affect the optimality criteria are revealed. For various combinations of the values of these parameters, optimization calculations have been carried out and the optimal control laws of the propulsion motors during electric ships’ reversal have been found. Optimization is carried out by the criterion of the minimum of the braking distance and by the criterion of minimum energy consumption. The results are presented in an analytical form and in a graphical form. The effectiveness of the proposed control laws is illustrated. Scientific novelty. The method of searching for the optimal control laws of the propulsion motors is constructed according to the system principle. This allows us to find the control laws of the propulsion motors on the final result – on the indicators of electric ships’ maneuverability. The proposed recommendations cover a wide class of vessels with electric motion. Practical value. The proposed optimal control laws for propulsion motors can be used both in the design of propulsion power plants and in their operation. The best control law can be selected and incorporated into the control system for any particular electric ship of the considered class, depending on the quality of maneuvering. In particular, the optimal control law for propulsion motors during reversal providing electric ship’s minimum braking distance or minimum energy consumption for maneuvering can be chosen. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании Optimal control of the electric ships’ propulsion motors during reversal Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании |
| spellingShingle |
Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании Яровенко, В.А. Черников, П.С. Варбанец, Р.А. Зарицкая, Е.И. Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| title_short |
Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании |
| title_full |
Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании |
| title_fullStr |
Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании |
| title_full_unstemmed |
Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании |
| title_sort |
оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании |
| author |
Яровенко, В.А. Черников, П.С. Варбанец, Р.А. Зарицкая, Е.И. |
| author_facet |
Яровенко, В.А. Черников, П.С. Варбанец, Р.А. Зарицкая, Е.И. |
| topic |
Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| topic_facet |
Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| publishDate |
2018 |
| language |
Russian |
| container_title |
Електротехніка і електромеханіка |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Optimal control of the electric ships’ propulsion motors during reversal |
| description |
Целью работы является поиск оптимальных законов управления гребными электродвигателями (ГЭД) судов с электродвижением. Критериями оптимальности выбраны показатели, характеризующие маневренные свойства электроходов.
Методика. Пропорциональный закон управления ГЭД не обеспечивает нужные маневренные свойства электроходам.
Оптимальные законы управления ГЭД, обеспечивающие наилучшие маневренные характеристики электроходов могут
быть найдены при совместном рассмотрении гребной электроэнергетической установки, гребных винтов и корпуса судна. Результаты. Предложен новый способ формирования оптимальных законов управления. Выявлен характер целевых
функций и разработан метод оптимизации. Проведены оптимизационные расчеты и найдены оптимальные законы
управления гребными электродвигателями при реверсе электроходов. Оптимизация проведена по критериям минимума
тормозного пути и минимума расхода энергии. Проиллюстрирована эффективность использования предлагаемых законов управления. Научная новизна. Метод поиска оптимальных законов управления построен по системному принципу.
Это позволяет находить законы управления гребными электродвигателями по конечному результату – по показателям
судна. Практическая значимость. Предложенные рекомендации могут использоваться как при проектировании гребных
электроэнергетических установок, так и при их эксплуатации. Для конкретного электрохода, в зависимости от показателей качества маневрирования, может быть выбран (из предложенных) и заложен в систему регулирования наилучший закон управления гребными электродвигателями.
Метою роботи є пошук оптимальних законів управління гребними електродвигунами (ГЕД) суден з електрорухом. Критеріями оптимальності обрані показники, що характеризують маневрені властивості електроходів. Методика. Пропорційний
закон управління ГЕД не забезпечує потрібні маневрені властивості електроходів. Оптимальні закони управління ГЕД, що
мають забезпечити найкращі маневрені характеристики електроходів, можуть бути знайдені при спільному розгляді гребної електроенергетичної установки, гребних гвинтів і корпусу судна. Результати. Запропоновано новий спосіб формування
оптимальних законів управління. Виявлено характер цільових функцій і розроблено метод оптимізації. Проведено оптимізаційні розрахунки і знайдені оптимальні закони управління гребними електродвигунами при реверсі електроходів. Оптимізація проведена за критеріями мінімуму гальмівного шляху і мінімуму витрат енергії. Проілюстровано ефективність використання запропонованих законів управління. Наукова новизна. Метод пошуку оптимальних законів керування побудовано
за системним принципом. Це дозволяє знаходити закони управління гребними електродвигунами за кінцевим результатом
– за показниками судна. Практична значимість. Запропоновані рекомендації можуть використовуватися як при проектуванні гребних електроенергетичних установок, так і при їх експлуатації. Для конкретного електроходу, в залежності від
показників якості маневрування, може бути обрано (із запропонованих) і закладено в систему керування найкращий закон
управління гребними електродвигунами.
Introduction. Reliability and safety of electric ships’ maneuverability depends on the maneuvering characteristics of their propulsion motors (PM). Therefore, the issues of improving the
process of controlling propulsion motors at maneuvers are topical. The aim of this paper is to find the optimal laws of control.
The indicators estimating electric ships’ maneuvering properties
are chosen as criteria of optimality. Methodology. A proportional control law is traditionally used in electrical propelling
plants with frequency-controlled PM. However, it does not provide the necessary maneuvering characteristics to the electric
ships, since it does not take into account the process of the vessel's movement. To search for the optimal control laws of propulsion motors at maneuvers, the electrical propulsion plant is
considered in unity with all the components of the ship’s propulsion complex. The dimensionless parameters of the complex are
revealed from the mathematical model of the transient modes of
its operation. They determine the numerical values of the optimality criteria. Control signals are formed by frequency and
voltage. A method for the formation of optimal control laws is
proposed. The nature of the target functions is revealed and a
special optimization method is developed. A minimum of the
braking distance and a minimum of energy spent on maneuvering are taken as criteria of optimality. Results. The parameters
of the complexes that significantly affect the optimality criteria
are revealed. For various combinations of the values of these
parameters, optimization calculations have been carried out and
the optimal control laws of the propulsion motors during electric ships’ reversal have been found. Optimization is carried out
by the criterion of the minimum of the braking distance and by
the criterion of minimum energy consumption. The results are
presented in an analytical form and in a graphical form. The
effectiveness of the proposed control laws is illustrated. Scientific novelty. The method of searching for the optimal control
laws of the propulsion motors is constructed according to the
system principle. This allows us to find the control laws of the
propulsion motors on the final result – on the indicators of electric ships’ maneuverability. The proposed recommendations
cover a wide class of vessels with electric motion. Practical
value. The proposed optimal control laws for propulsion motors
can be used both in the design of propulsion power plants and in
their operation. The best control law can be selected and incorporated into the control system for any particular electric ship
of the considered class, depending on the quality of maneuvering. In particular, the optimal control law for propulsion motors
during reversal providing electric ship’s minimum braking distance or minimum energy consumption for maneuvering can be
chosen.
|
| issn |
2074-272X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147967 |
| citation_txt |
Оптимальное управление гребными электродвигателями электроходов при реверсировании / В.А. Яровенко, П.С. Черников, Р.А. Варбанец, Е.И. Зарицкая // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 6. — С. 38-46. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ârovenkova optimalʹnoeupravleniegrebnymiélektrodvigatelâmiélektrohodovprireversirovanii AT černikovps optimalʹnoeupravleniegrebnymiélektrodvigatelâmiélektrohodovprireversirovanii AT varbanecra optimalʹnoeupravleniegrebnymiélektrodvigatelâmiélektrohodovprireversirovanii AT zarickaâei optimalʹnoeupravleniegrebnymiélektrodvigatelâmiélektrohodovprireversirovanii AT ârovenkova optimalcontroloftheelectricshipspropulsionmotorsduringreversal AT černikovps optimalcontroloftheelectricshipspropulsionmotorsduringreversal AT varbanecra optimalcontroloftheelectricshipspropulsionmotorsduringreversal AT zarickaâei optimalcontroloftheelectricshipspropulsionmotorsduringreversal |
| first_indexed |
2025-11-25T20:44:30Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:44:30Z |
| _version_ |
1850531084213682176 |
| fulltext |
38 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6
© В.А. Яровенко, П.С. Черников, Р.А. Варбанец, Е.И. Зарицкая
УДК 629.12-8:629.12.037 doi: 10.20998/2074-272X.2018.6.05
В.А. Яровенко, П.С. Черников, Р.А. Варбанец, Е.И. Зарицкая
ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГРЕБНЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ
ЭЛЕКТРОХОДОВ ПРИ РЕВЕРСИРОВАНИИ
Метою роботи є пошук оптимальних законів управління гребними електродвигунами (ГЕД) суден з електрорухом. Критері-
ями оптимальності обрані показники, що характеризують маневрені властивості електроходів. Методика. Пропорційний
закон управління ГЕД не забезпечує потрібні маневрені властивості електроходів. Оптимальні закони управління ГЕД, що
мають забезпечити найкращі маневрені характеристики електроходів, можуть бути знайдені при спільному розгляді греб-
ної електроенергетичної установки, гребних гвинтів і корпусу судна. Результати. Запропоновано новий спосіб формування
оптимальних законів управління. Виявлено характер цільових функцій і розроблено метод оптимізації. Проведено оптимі-
заційні розрахунки і знайдені оптимальні закони управління гребними електродвигунами при реверсі електроходів. Оптимі-
зація проведена за критеріями мінімуму гальмівного шляху і мінімуму витрат енергії. Проілюстровано ефективність вико-
ристання запропонованих законів управління. Наукова новизна. Метод пошуку оптимальних законів керування побудовано
за системним принципом. Це дозволяє знаходити закони управління гребними електродвигунами за кінцевим результатом
– за показниками судна. Практична значимість. Запропоновані рекомендації можуть використовуватися як при проекту-
ванні гребних електроенергетичних установок, так і при їх експлуатації. Для конкретного електроходу, в залежності від
показників якості маневрування, може бути обрано (із запропонованих) і закладено в систему керування найкращий закон
управління гребними електродвигунами. Бібл. 9, табл. 4, рис. 3.
Ключові слова: управління гребними електродвигунами електроходів на маневрах, метод оптимізації, оптимальні
закони управління.
Целью работы является поиск оптимальных законов управления гребными электродвигателями (ГЭД) судов с электро-
движением. Критериями оптимальности выбраны показатели, характеризующие маневренные свойства электроходов.
Методика. Пропорциональный закон управления ГЭД не обеспечивает нужные маневренные свойства электроходам.
Оптимальные законы управления ГЭД, обеспечивающие наилучшие маневренные характеристики электроходов могут
быть найдены при совместном рассмотрении гребной электроэнергетической установки, гребных винтов и корпуса суд-
на. Результаты. Предложен новый способ формирования оптимальных законов управления. Выявлен характер целевых
функций и разработан метод оптимизации. Проведены оптимизационные расчеты и найдены оптимальные законы
управления гребными электродвигателями при реверсе электроходов. Оптимизация проведена по критериям минимума
тормозного пути и минимума расхода энергии. Проиллюстрирована эффективность использования предлагаемых зако-
нов управления. Научная новизна. Метод поиска оптимальных законов управления построен по системному принципу.
Это позволяет находить законы управления гребными электродвигателями по конечному результату – по показателям
судна. Практическая значимость. Предложенные рекомендации могут использоваться как при проектировании гребных
электроэнергетических установок, так и при их эксплуатации. Для конкретного электрохода, в зависимости от пока-
зателей качества маневрирования, может быть выбран (из предложенных) и заложен в систему регулирования наи-
лучший закон управления гребными электродвигателями. Библ. 9, табл. 4, рис. 3.
Ключевые слова: управление гребными электродвигателями электроходов на маневрах, метод оптимизации, опти-
мальные законы управления.
Актуальность задачи. Отличительной особен-
ностью судов с электродвижением является то, что
маневренные режимы – разгон, торможение, реверс,
выход на циркуляцию – являются для них основными
эксплуатационными режимами работы. Высокая ма-
невренность электроходов является одним из основ-
ных качеств, обусловивших причину столь высокого
интереса к применению современных систем электро-
движения на судах и боевых кораблях. Неудивитель-
но при этом, что вопросам надежности и безопасно-
сти выполнения маневренных операций уделяется
особое внимание.
Результаты сравнительного анализа показывают,
что суда с электродвижением обладают существенно
лучшими маневренными характеристиками, чем суда
с традиционными типами энергетических установок.
Важнейшим маневром для электроходов является ре-
верс гребных электродвигателей. В частности, для
большинства судов, обладающих энергетическими
установками с непосредственной передачей вращаю-
щего момента первичных двигателей на гребные вин-
ты, процесс реверсирования носит затяжной характер
и продолжается 1-2 минуты. Продолжительность же
реверса гребных электродвигателей (ГЭД) редко пре-
вышает 15-20 сек (например, для атомного электрохо-
да «Арктика» время реверса с «полного вперед» на
«полный назад», при положении ограничителя мощ-
ности на 100 %, составляет около 30 с). Сама проце-
дура реверсирования двигателей внутреннего сгора-
ния несоизмеримо сложнее по сравнению с реверсом
ГЭД. Кроме того, не каждый реверс может быть ус-
пешным. А именно из-за запоздалого маневрирова-
ния, ведущего к дополнительному выбегу судна, про-
исходит до 40 % столкновений судов. Таким образом,
даже такое краткое сравнение показывает, что греб-
ные электрические установки (ГЭУ) обеспечивают
более высокую надежность и безопасность выполне-
ния маневренных операций.
Одним из перспективных вариантов построения
ГЭУ является система электродвижения на базе асин-
хронных частотно-управляемых гребных электродви-
гателей. В связи с этим, весьма актуальными являют-
ся вопросы совершенствования управления гребными
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6 39
электродвигателями ГЭУ на маневрах. Причем, необ-
ходимость в оценке маневренных свойств электрохо-
дов и в поиске наилучших законов управления греб-
ными электродвигателями на маневрах возникает как
на начальных стадиях их проектирования, так и в
процессе эксплуатации судов.
При поиске наилучших законов управления ГЭД
в качестве критериев их оценки следует, в первую
очередь, выбирать показатели, оценивающие эффек-
тивность работы самого судна, как «старшей» систе-
мы. Только так может быть обеспечен системный
подход к выбору оптимальных законов управления
гребными электродвигателями на маневрах.
Состояние рассматриваемого вопроса. Приме-
нительно к гребным электроэнергетическим установ-
кам с частотно-регулируемыми ГЭД традиционно
предлагается оптимальный закон управления, заимст-
вованный из теории частотного управления общепро-
мышленными электроприводами (/ = const). Здесь
γ – относительное напряжение = U/Un, α – относи-
тельная частота α = f/fn. Однако, следует помнить, что
рекомендуемый пропорциональный оптимальный
закон управления получен применительно к «элек-
трическим» показателям качества работы электродви-
гателей. При системном же подходе эти показатели
отходят на второй план. Возникает необходимость в
поисках тех законов управления, которые обеспечат
наилучшие значения показателей качества маневри-
рования электрохода, с контролируемыми при этом
(с заданными допусками) показателями работы и
гребной электрической установки.
В соответствии с поставленной задачей, анализ
работы гребных электрических установок на маневрах
следует проводить в единстве со всеми составными
частями пропульсивного комплекса электрохода,
включающего в себя судовую электроэнергетическую
установку (первичные двигатели, генераторы электри-
ческого тока, преобразователи электроэнергии, греб-
ные электродвигатели), гребные винты, руль и корпус
судна. Лишь в такой постановке можно провести об-
стоятельный анализ маневренных режимов работы,
оценить маневренные свойства электрохода и найти
оптимальные законы управления ГЭД, обеспечиваю-
щие наилучшие маневренные характеристики судна.
В работе [1] предприняты попытки отыскать оп-
тимальные законы управления гребными электродви-
гателями электроходов при выполнении маневренных
операций. Для этого была разработана математиче-
ская модель переходных режимов работы гребной
электрической установки в составе единого судового
пропульсивного комплекса. На основании модели
разработаны алгоритмы расчета переходных режимов
и предложен метод поиска оптимальных законов
управления. Однако:
при описании процессов, происходящих в тепло-
вых двигателях гребной электроэнергетической уста-
новки, был принят ряд допущений, не позволяющих
контролировать динамические показатели режимов их
работы;
математическое описание процессов, происхо-
дящих в синхронных генераторах, было построено на
основе векторной диаграммы генератора, что также
не давало возможности в полной мере оценить их ди-
намику, и приводило к определенным погрешностям
при оценке динамических показателей работы ГЭУ;
предложенный вид законов управления по на-
пряжению, как показывают результаты анализа, не в
полной мере удовлетворяет поставленным задачам.
Для поиска законов управления гребными элек-
тродвигателями, обеспечивающих с одной стороны –
наилучшие значения показателей качества маневриро-
вания, с другой – допустимые динамические нагрузки
на гребную электрическую установку и на тепловые
двигатели судовой электростанции, необходимо усо-
вершенствовать математическую модель, уточнить вид
и процедуру поиска оптимальных законов управления.
Основными показателями качества маневрирования
предлагается принять (как пример решения подобных
задач) минимум тормозного пути судна или минимум
затрат энергии (затрат топлива) на выполнение манев-
ра. Выбор показателя определяется поставленными
целями и условиями выполнения маневра.
Цель данной статьи – найти оптимальные законы
управления гребными электродвигателями, обеспечи-
вающие высокие маневренные свойства электроходов.
Метод решения задачи. В работе [2] предложе-
на уточненная математическая модель переходных
режимов гребных электроэнергетических установок
электроходов в составе судовых пропульсивных ком-
плексов. В ней:
в качестве регуляторов скорости вращения теп-
ловых двигателей рассмотрены изодромные всере-
жимные регуляторы непрямого действия; в качестве
регуляторов напряжения синхронных генераторов
рассматриваются комбинированные (по управляюще-
му воздействию и по отклонению регулируемой вели-
чины) регуляторы;
переходные процессы в регуляторах скорости
вращения тепловых двигателей описаны с учетом же-
сткой и гибкой обратных связей, и с учетом работы
системы распределения активной мощности (при па-
раллельно работающих генераторных агрегатах);
переходные процессы в синхронных генераторах
представлены уравнениями Парка-Горева;
в состав комбинированной системы автоматиче-
ского регулирования напряжения синхронных генера-
торов включен контур регулирования распределения
реактивной мощности (при параллельно работающих
генераторных агрегатах).
Для придания общности результатам расчетов
модель приведена к относительным единицам. В ре-
зультате – выявлены критерии динамического подо-
бия (безразмерные параметры) пропульсивных ком-
плексов «тепловые двигатели – гребная электрическая
установка – движители – руль – корпус судна». Най-
дены возможные диапазоны изменения их значений.
Именно эти параметры определяют текущие, по ходу
выполнения маневра, значения режимных показате-
лей всех составных частей комплекса и напрямую
влияют на численные значения показателей качества
маневрирования. Для расчета маневренных режимов
разработан пакет прикладных программ. Базовой
40 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6
является программа, позволяющая рассчитывать теку-
щие значения относительных режимных показателей.
Такой подход позволяет придать общность полу-
чаемым результатам – электроходы с равными значе-
ниями безразмерных параметров будут иметь соот-
ветственно одинаковые значения (в относительных
единицах) показателей качества маневрирования.
В состав электроэнергетической установки вхо-
дит несколько силовых контуров (по количеству
гребных электродвигателей). Обычно их два – три.
Управление каждым контуром (каждым ГЭД) осуще-
ствляется независимо от других с поста управления
(ПУ), расположенного на мостике. При этом на пре-
образователь частоты формируются два управляющих
сигнала: по относительной частоте α и по относитель-
ному напряжению γ.
Предлагается формировать управляющие сигна-
лы по относительной частоте α = α(T) и по относи-
тельному напряжению γ = γ(α) в виде:
α = αprim + K1 (1 – exp(– K5 T)); (1)
γ = K2α + K3α
2 + K4 α
3 +(1 – K2 – K3 – K4) α
4, (2)
где αprim – начальное значение относительной частоты
питающего ГЭД напряжения;
L
tv
T 0 – безразмерное
время; ν0 – скорость движения судна в установившем-
ся режиме; L – длина судна; t – текущее время; K1, K2,
K3, K4, K5 – оптимизируемые коэффициенты.
Необходимость в начальной ненулевой αprim стано-
вится очевидной из сравнения (рис. 1) реверсивной ха-
рактеристики гребного винта (кривая 2) с механически-
ми характеристиками асинхронного ГЭД при обратном
направлении вращения магнитного поля (кривые 1).
Рис. 1. Реверсивная характеристика гребного винта и меха-
нические характеристики ГЭД
Оптимизация законов управления должна осу-
ществляться по темпу изменения относительной час-
тоты (в зависимости от перекладки рукоятки ПУ) и по
относительному напряжению γ = γ(α).
В качестве критериев оптимальности выбраны:
минимум тормозного пути – LТmin;
минимум затрат энергии на выполнение маневра
– Wmin.
Решаемые задачи относятся к области нелиней-
ного программирования и заключаются в отыскании
экстремумов целевой функции f(x) при заданных ог-
раничениях gj(x) в виде неравенств. Иными словами,
необходимо минимизировать некоторую целевую
функцию
f(x), x En (3)
при p линейных ограничениях в виде неравенств
gj(x) ≥ 0, j = 1,..., p, (4)
где En − допустимая область n − мерного пространства.
Оптимальным решением будет являться пара x*
и f(x*), состоящая из оптимальной точки x* = [x1*,
x2*,..., xn*] и соответствующего ей значения целевой
функции f (x*).
Объективный выбор оптимального варианта ре-
шений требует применения количественного ком-
плексного критерия, учитывающего по каждому вари-
анту судовой электроэнергетической установки сово-
купность разнородных показателей качества функ-
ционирования и соответствующих затрат.
В ходе оптимизационных расчетов могут ре-
шаться задачи как однокритериальной, так и много-
критериальной оптимизации. В первом случае в каче-
стве целевой функции выступает один из показателей
качества. Во втором случае – целевая функция стро-
ится как
f(x) = ∑ mj fj(x),
где mj – весовой коэффициент j -го показателя качества.
В соответствии с поставленными в статье целя-
ми, в качестве критериев оптимальности приняты или
минимум тормозного пути судна – LТmin, или минимум
затрат энергии на выполнение маневра – Wmin. Все
остальные критерии отходят на задний план и учиты-
ваются в виде ограничений (4). Таким образом, в дан-
ной работе решались задачи однокритериальной оп-
тимизации. Необходимости в оценке весовых коэф-
фициентов нет.
Процедуры поиска оптимальных решений строи-
лись исходя из выявленного характера целевых функ-
ций. Как показали многочисленные расчеты, они яв-
ляются многоэкстремальными, с неизвестным коли-
чеством точек локальных минимумов. Поэтому в ос-
нову алгоритмов поиска оптимальных решений были
положены методы глобальной оптимизации.
Известно, что для решения реальных практиче-
ских оптимизационных задач, существующие класси-
ческие методы оптимизации [4-6], как правило, не
подходят. Нужны специальные методы, учитывающие
специфику и характер целевых функций.
Значения f(x) отыскиваются в результате расче-
тов маневров, описываемых сложной системой алгеб-
раических и дифференциальных уравнений с много-
численными ограничениями в виде неравенств. Ста-
вить задачу поиска первой и, тем более, второй про-
изводных целевых функций просто нереально.
Большое количество предварительных расчетов
и их анализ показало, что целевые функции имеют
вид крутых и вытянутых оврагов. Анализ сущест-
вующих методов поиска глобальных оптимумов по-
добных целевых функций, дал основания заложить в
основу разработанных алгоритмов глобальной опти-
мизации известный, хорошо зарекомендовавший себя,
метод глобального случайного поиска – случайный
мультистарт.
В чистом виде случайный мультистарт неэффек-
тивен из-за возможных повторных спусков к точкам
локальных минимумов. Потому в алгоритм глобаль-
ной оптимизации была заложена комбинация одного
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6 41
из пассивных методов покрытий – метода случайной
сетки – с модифицированным методом туннельного
алгоритма [1].
При разработке методов поиска локальных ми-
нимумов (внутренних процедур глобальной оптими-
зации) было опять же учтено, что целевые функции
имеют явно выраженный овражный характер. Исходя
из этого, алгоритмы поиска локальных оптимумов
создавались на базе комбинации методов локального
спуска и способов овражного поиска. Наиболее эф-
фективными для решения подобных задач оказались
методы Пауэлла и Нелдера-Мида [7].
Овражный поиск локального оптимума осущест-
влялся следующим образом. Организовывались два
локальных спуска из близлежащих начальных точек.
Из каждой точки осуществлялись поиски промежу-
точных локальных минимумов f1*(x1*) и f2*(x2*). За-
тем находилось новое направление s0(*), проведенное
из x1* в x2* (или наоборот, в зависимости от того, ко-
торый из найденных промежуточных минимумов
f1*(x1*) или f2*(x2*) больше), и вдоль него отыскива-
лось минимальное значение функции fopt.loc(x*), кото-
рое и являлось локальным оптимумом.
Для решения задач минимизации используемые
методы оптимизации сочетались с методом штрафных
функций [8], что позволило свести задачу нелинейно-
го программирования с ограничениями к эквивалент-
ной последовательности задач без ограничений.
Поиск оптимальных законов управления осуще-
ствляется следующим образом. Каждый раз, после
задания случайной начальной точки, производится
расчет исследуемого маневра и находятся соответст-
вующие значения критериев оптимальности (в част-
ности – тормозного пути или затрат энергии на вы-
полнение маневра). Затем, в соответствии с описан-
ной процедурой движения к оптимуму, рассчитыва-
ются новые исходные данные (новые значения опти-
мизируемых параметров), вновь рассчитывается ма-
невр и находятся соответствующие значения критери-
ев оптимальности. Расчет заканчивается по достиже-
нию глобального оптимума.
Разработанный математический аппарат позво-
ляет находить оптимальные законы управления греб-
ными электродвигателями на маневрах.
Ниже рассмотрен поиск оптимальных законов
управления гребными электродвигателями электро-
ходов при реверсе. Было отмечено, что выбор показа-
телей качества и соответственно вид целевой функ-
ции оптимизационного процесса определяется по-
ставленными целями и условиями выполнения манев-
ра. При работе в стесненных условиях реверс (качест-
во реверсирования) напрямую влияет на безопасность
выполнения маневренных операций. В этом случае
основным критерием оптимальности является мини-
мум тормозного пути электрохода LТmin. Если манев-
рирование осуществляется в «спокойных» условиях,
поблизости нет других судов или иных объектов, ве-
личина тормозного пути электрохода отходит на вто-
рой план. В этом случае, в качестве критерия опти-
мальности имеет смысл принять минимум затрат
энергии на выполнение маневра – Wmin. И в одном, и в
другом случае речь будет идти о задачах однокрите-
риальной оптимизации. Остальные показатели каче-
ства маневрирования учитываются в виде ограниче-
ний (вместе с уставками систем защит и ограниче-
ниями, обеспечивающими нормальное функциониро-
вание пропульсивного комплекса). Это в полной мере
соответствует принципам системного подхода [3].
У электроходов частотно-управляемый этап ре-
верса гребных электродвигателей начинается с мо-
мента времени, когда угловая скорость вращения ГЭД
переходит через нулевое значение. Этот этап характе-
ризуется интенсивным торможением электрохода.
Следует иметь в виду, что гребные электродвигатели
при этом работают в очень тяжелом режиме, испыты-
вая большой момент сопротивления со стороны греб-
ных винтов, существенно увеличивая тем самым на-
грузку на все составные части гребной электроэнерге-
тической установки.
Для каждого конкретного электрохода при вы-
полнении маневренных операций оптимальные зако-
ны управления будут разными. В то же время, пред-
ложенный математический аппарат дает возможность
найти оптимальные законы управления для достаточ-
но большого класса судов. Для этого необходимо вы-
явить те безразмерные параметры комплекса, которые
наиболее значимо влияют на законы управления, най-
ти диапазоны изменения их значений (охватив при
этом как можно больший класс судов) и, проведя не-
обходимые процедуры оптимизации, найти опти-
мальные законы управления для различных вариантов
сочетания этих параметров. Иными словами – найти
законы управления для целого класса судов.
Результаты анализа влияния начальных условий
выполнения маневра и безразмерных параметров
комплекса на критерии LТmin, и Wmin, проведенного
методами активного планирования экспериментов [9],
дают основания рассматривать в качестве значимо
влияющих параметров следующие:
vprim – начальная скорость судна;
NX – энерговооруженность электрохода
2
011
0
)(
m
PKL
N
ejPj
X ; (5)
CM18, CM20 – безразмерные параметры частотно-
управляемого ГЭД
2
02'
2
2
18
M
M
M
r
c
C ; (6)
Mn
M
MC
1
0
20
, (7)
где Pej и KPj – полезный упор гребного винта и его
доля в суммарном упоре соответственно; m – масса
судна; λ11 – присоединенные к судну массы воды
вдоль его продольной оси; ωM – угловая скорость
вращения ГЭД; ω1Mn – угловая частота вращения маг-
нитного поля статора ГЭД; r′2M – приведенное актив-
ное сопротивление ротора ГЭД; MMM xc 0 – по-
стоянный конструктивный коэффициент частотно-
управляемого асинхронного ГЭД.
Результаты работы. Ниже, в табл.1, приведены
результаты поисков оптимальных законов управления
гребными электродвигателями, обеспечивающих
минимальный тормозной путь электрохода – LТmin.
42 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6
(Минимальный тормозной путь способствует безо-
пасности выполнения маневренных операций).
Серии оптимизационных расчетов были проведены
для различных сочетаний значений значимых безраз-
мерных параметров. Разные сочетания параметров это,
по сути дела, не что иное, как разные электроходы.
Таблица 1
Сочетания значимых параметров и найденные оптимальные решения по критерию LTmin (при vprim = 0,3)
Значения значимых парамет-
ров
Оптимальные решения
уравнения
α = α(T)
уравнения γ = γ(α)
Вариант
NX CM18 CM20
LTclassic,
о.е.
K1 K5 K2 K3 K4
LTmin,
о.е.
Эффек-
тивность
%
1 0,12 15,7 0,88 0,43 0,57 7,03 0,99 0,26 1,35 0,36 16,3
2 0,165 15,7 0,88 0,403 0,57 7,59 1,17 0,22 1,28 0,33 18,1
3 0,21 15,7 0,88 0,365 0,56 6,75 1,02 0,27 1,32 0,31 15,1
4 0,12 43,9 0,88 0,437 0,57 6,98 1,32 –0,19 1,33 0,35 19,9
5 0,165 43,9 0,88 0,406 – – – – – – –
6 0,21 43,9 0,88 0,369 0,57 6,22 1,34 –0,19 1,3 0,31 16
7 0,12 72 0,88 0,444 0,6 6,89 1,19 0,2 0,89 0,35 21,2
8 0,165 72 0,88 0,412 0,57 7,14 1,35 0,106 1,3 0,33 19,9
9 0,21 72 0,88 0,373 0,6 6,2 1,2 0,2 0,87 0,3 19,6
10 0,12 15,7 0,925 0,403 0,6 6,28 1,2 0,2 0,99 0,32 20,6
11 0,165 15,7 0,925 0,378 0,6 6,12 1,85 0,24 1,33 0,3 20,6
12 0,21 15,7 0,925 0,345 0,6 6,6 1,17 0,26 1,35 0,28 18,8
13 0,12 43,9 0,925 0,407 0,62 6,14 1,2 0,19 0,74 0,32 21,4
14 0,165 43,9 0,925 0,381 0,619 6,56 1,28 0,2 1,38 0,3 21,3
15 0,21 43,9 0,925 0,348 0,61 6,6 1,18 0,22 1,05 0,28 19,5
16 0,12 72 0,925 0,412 0,63 7,54 1,19 0,21 0,95 0,31 24,8
17 0,165 72 0,925 0,385 0,63 6,49 1,2 0,2 0,93 0,3 22,1
18 0,21 72 0,925 0,351 0,63 6,43 1,2 0,2 0,93 0,28 20,2
19 0,12 15,7 0,97 0,38 0,64 6,46 1,19 0,2 0,86 0,28 26,3
20 0,165 15,7 0,97 0,358 0,63 6,48 0,96 0,26 1,33 0,26 27,4
21 0,21 15,7 0,97 0,328 0,639 6,487 0,968 0,263 1,332 0,261 20,4
22 0,12 43,9 0,97 0,382 0,64 6,57 1,18 0,22 1,05 0,28 26,7
23 0,165 43,9 0,97 0,361 0,65 6,47 1,2 0,2 0,86 0,27 25,2
24 0,21 43,9 0,97 0,33 0,65 6,17 1,19 0,2 0,85 0,26 21,2
25 0,12 72 0,97 0,386 0,65 5,82 1,36 0,2 0,76 0,29 24,9
26 0,165 72 0,97 0,364 0,65 5,81 1,36 0,195 0,74 0,28 23,1
27 0,21 72 0,97 0,332 0,656 5,886 1,365 0,192 0,745 0,258 22,3
В табл. 1 приведена небольшая часть (для при-
мера) возможных сочетаний параметров. Варьирова-
ние по каждому параметру проводилось на трех (ми-
нимальном, среднем и максимальном) уровнях. Для
всех сочетаний отыскивались оптимальные законы
управления по алгоритму, описанному выше. (Подоб-
ные таблицы составлены и для других начальных зна-
чений скорости движения судна vprim. Для них также
найдены оптимальные решения).
Здесь же, в табл.1, для оценки эффективности
проведенных оптимизационных расчетов, приведены
значения критерия LТmin, полученные при управлении
ГЭД по традиционно рекомендуемому для гребных
электроприводов «классическому» закону γ / α =const.
Это – графа LTclassic. Сравнение полученных результа-
тов (см. последнюю графу табл.1) наглядно демонст-
рирует эффективность использования рассчитанных
законов оптимального управления.
Результаты оптимизации удобно представить в
графическом виде. В качестве примера, на рис.2
приведены зависимости α = α(T), γ = γ(T) и γ = γ(α) для
первых трех вариантов сочетания параметров (для
трех электроходов). Анализ результатов расчетов по-
казывает, что переход к оптимальному (по LTmin)
управлению гребными электродвигателями позволяет
существенно сократить тормозной путь электрохода.
В зависимости от конкретного судна (от конкретных
сочетаний параметров комплекса) это сокращение
находится в диапазоне от 15 % до 27 %.
Полученные результаты (в аналитическом виде –
коэффициенты оптимальных законов управления
α = α(T) и γ = γ(α) в табл. 1 и в графической интерпре-
тации – рис. 2) позволяют для любого электрохода
рассматриваемого класса назначить законы управле-
ния ГЭД, обеспечивающие выполнение маневра «ре-
верс» с минимальным тормозным путем. Если без-
размерные параметры электрохода отличаются от
приведенных в таблицах, можно воспользоваться лю-
бым методом интерполяции.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6 43
а
б
Рис. 2. Оптимальные законы управления по критерию LTmin (v prim = 0,3)
а – α, γ = f(T), б – γ = f(α)
Если маневрирование осуществляется в нестеснен-
ной акватории, при отсутствии поблизости других су-
дов, в качестве критерия оптимальности имеет смысл
принять минимум затрат энергии на выполнение манев-
ра – Wmin. Вероятнее всего, законы управления при этом
будут иными. Мы попытались их отыскать.
В соответствии с проведенными исследованиями,
результаты которых приведены в [9], значимо влияю-
щими параметрами и по этому критерию оптимально-
сти (с уровнем вклада – не менее 10 %) являются vprim,
NX, CM18, CM20. Часть вариантов сочетаний этих пара-
метров и найденные оптимальные решения (и значения
Wclassic, полученные при классическом γ / α = const зако-
не управления – для оценки эффективности оптимиза-
ции) приведены в табл. 2.
Эти законы управления также могут быть графи-
чески проиллюстрированы аналогично тому, как это
было выполнено применительно к оптимальному
управлению по критерию минимума тормозного пути.
Эффективность (по затратам энергии) предлагаемого
управления находится в диапазоне 14 – 34 %.
Полученные результаты могут быть полезными
на самых начальных стадиях проектирования гребных
электроэнергетических установок. Появляется воз-
можность уже на этих этапах оценивать маневренные
характеристики будущих электроходов. Полезными
они могут быть и для судов находящихся в эксплуа-
тации. Для конкретного электрохода, в соответствии с
поставленными целями может быть выбран и заложен
в систему регулирования наилучший закон управле-
ния гребными электродвигателями.
В качестве примера рассмотрим проект конкрет-
ного электрохода. Основные его характеристики, необ-
ходимые для расчета значимо влияющих безразмерных
параметров NX, CM18, CM20, приведены в табл. 3.
44 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6
Таблица 2
Сочетания значимых параметров и найденные оптимальные решения по критерию Wmin (vprim = 0,3)
Значения значимых
параметров, о.е.
Оптимальные решения
уравнения
α = α(T) уравнения γ = γ(α)
Вариант
NX CM18 CM20
Wclassic,
о.е.
K1 K5 K2 K3 K4
Wmin,
о.е.
Эффект,
%
1 0,12 15,7 0,88 4,235 0,601 4,745 1,245 –0,075 0,092 3,583 15,4
2 0,165 15,7 0,88 3,527 0,590 1,052 1,117 0,092 0,721 2,993 15,1
3 0,21 15,7 0,88 2,92 0,576 6,149 1,231 0,014 1,351 2,522 13,6
4 0,12 43,9 0,88 4,41 0,591 1,432 1,363 0,147 1,451 3,549 19,5
5 0,165 43,9 0,88 3,573 0,526 4 1,31 0,378 2,07 2,774 22,4
6 0,21 43,9 0,88 3,063 0,526 4,33 1,31 0,378 2,07 2,36 23
7 0,12 72 0,88 4,59 0,569 4,5 1,397 0,199 1,106 3,492 23,9
8 0,165 72 0,88 3,74 0,575 4,507 1,367 0,193 1,092 2,937 21,5
9 0,21 72 0,88 3,1 0,53 5,1 1,31 0,38 2,07 2,36 23,9
10 0,12 15,7 0,925 4,083 0,615 5,97 1,239 –0,0007 0,738 3,372 17,4
11 0,165 15,7 0,925 3,416 0,662 1,421 1,304 0,154 1,468 2,824 17,3
12 0,21 15,7 0,925 2,836 0,5 5,31 1,216 0,4 2,9 2,29 19,3
13 0,12 43,9 0,925 4,247 0,631 1,433 1,375 0,159 1,448 3,335 21,5
14 0,165 43,9 0,925 3,458 0,53 3,98 1,31 0,328 2,17 2,3 33,5
15 0,21 43,9 0,925 2,97 0,53 4,43 1,31 0,38 2,07 2,3 22,6
16 0,12 72 0,925 4,417 0,635 6,181 1,334 0,131 1,251 3,273 25,9
17 0,165 72 0,925 3,62 0,633 6,74 1,249 0,005 1,323 2,764 23,6
18 0,21 72 0,925 3,00 0,636 6,669 1,36 0,131 1,161 2,354 21,5
19 0,12 15,7 0,97 3,93 0,633 3,976 1,276 0,058 1,529 3,199 18,6
20 0,165 15,7 0,97 3,31 0,642 2,696 1,224 0,011 1,251 2,696 18,5
21 0,21 15,7 0,97 2,843 0,62 4,87 1,22 0,28 1,56 2,27 20,2
22 0,12 43,9 0,97 4,08 0,658 8,523 1,053 –0,006 1,48 3,189 21,8
23 0,165 43,9 0,97 3,35 0,666 5,426 1,285 0,036 0,56 2,677 20,1
24 0,21 43,9 0,97 2,873 0,57 4,45 1,3 0,586 1,03 2,24 22
25 0,12 72 0,97 4,235 0,666 4,546 1,417 –0,028 0,775 3,16 25,4
26 0,165 72 0,97 3,492 0,56 4 1,31 0,33 2,17 2,61 25,3
27 0,21 72 0,97 2,91 0,47 3,16 1,38 0,46 2,48 2,16 25,8
Таблица 3
Основные характеристики электрохода
Длина судна по ватерлинии, L 160 м
Скорость судна в установившемся режиме, v0 22 узла
Масса судна, m 33540 т
Суммарный упор винтов, ∑KpjPej0
6250
тм/c2
Присоединенные к судну массы воды вдоль
его продольной оси, λ11
0,11 m
Угловая скорость вращения ГЭД, ωM
120
об/мин
Угловая частота вращения магнитного поля
статора ГЭД, ω1Mn
124
об/мин
Постоянный конструктивный коэффициент, cM 0,423 Ом
Приведенное активное сопротивление ротора
ГЭД, r′2M
0,0639 Ом
Численные значения значимых параметров, рас-
считанные по приведенным выше соотношениям,
приведены в табл. 4.
Таблица 4
Значения безразмерных параметров электрохода
Параметр Численные значения параметров
NX 0,21
CM18 43,9
CM20 0,97
Для этого сочетания параметров – для этого
электрохода – оптимальным законом управления
гребными электродвигателями, обеспечивающим ми-
нимальный тормозной путь LTmin, будет вариант 24 из
табл. 1. А именно:
α = 0,1 + 0,65 (1 – exp(– 6,17 T));
γ = 1,19 α + 0,2 α2 + 0,85 α3 – 1,24 α4.
Именно эти законы управления относительной
частотой α и относительным напряжением γ рекомен-
дуется закладывать в систему управления гребными
электродвигателями, если необходимо обеспечить
минимальный тормозной путь электрохода при ревер-
се. При этом он составит 0,26 длин судна, или в абсо-
лютных единицах – 41,6 м.
Если же применять традиционный пропорцио-
нальный закон управления, то тормозной путь соста-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6 45
вит 0,33 длин судна, или в абсолютных единицах –
52,8 м. Таким образом, эффективность применения
рекомендуемого оптимального закона управления
составляет 21,2 %.
Полученные результаты могут быть проиллюст-
рированы графически. На рис. 3 приведены кривые
изменения во времени относительной частоты α = f(T),
и относительного напряжения γ = f(T) (рис. 3,а), а
также зависимости (рис. 3,б) оптимального закона
управления γ = f(α) при реверсировании ГЭД электро-
хода, движущегося на малом ходу (при начальной
скорости v prim = 0,3) и пропорциональный (для срав-
нения с оптимальным) закон управления γ0 = f(α).
а
б
Рис. 3. Оптимальные законы управления (для проекта электрохода) по критерию LTmin (при v prim = 0,3):
а – α, γ = f (T), б – γ = f (α)
Если реверсирование осуществляется в нестес-
ненных условиях и целесообразно обеспечить мини-
мум расхода энергии, то оптимальным законом управ-
ления данного электрохода будет тот же вариант 24, но
уже из табл. 2. Законы управления в этом случае:
α = 0,1 + 0,57 (1 – exp(– 4,45 T));
γ = 1,3 α + 0,586 α2 + 1,03 α3 – 1,916 α4.
При управлении по этим законам расход энергии
сокращается по сравнению классическим вариантом с
2,873 до 2,24 относительных единиц.
При необходимости законы могут быть уточне-
ны. Для этого необходимо подставить в математиче-
скую модель численные значения безразмерных па-
раметров комплекса и рассчитать с помощью разра-
ботанного метода оптимальный закон управления
(теперь уже уточненный) при соответствующем кри-
терии оптимальности. Однако, это целесообразно де-
лать уже на более поздних этапах проектирования,
при наличии более полной информации о проекти-
руемом судне.
Выводы.
1. Установлено, что традиционные принципы по-
строения оптимальных законов управления частотно-
управляемыми асинхронными электродвигателями
электроходов не позволяют получить максимальной
отдачи от гребной электроэнергетической установки.
Предложен новый способ формирования оптималь-
ных законов, в основе которого заложен системный
принцип.
2. Выявлен характер целевых функций, разработан
метод оптимизации. Предложена процедура оптими-
зационных расчетов.
3. Проведены оптимизационные расчеты и найдены
оптимальные законы управления гребными электро-
двигателями при реверсе электроходов. Оптимизация
проведена по критериям минимума тормозного пути и
минимума расхода энергии.
4. Проиллюстрирована эффективность использова-
ния предлагаемых законов управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яровенко В.А. Расчет и оптимизация переходных режи-
мов пропульсивных комплексов электроходов. – Одесса:
«Маяк», 1999. – 188 с.
2. Яровенко В.А., Черников П.C. Метод расчета переход-
ных режимов гребных электроэнергетических установок
46 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6
электроходов // Електротехніка і електромеханіка. – 2017. –
№6. – С. 32-41. doi: 10.20998/2074-272X.2017.6.05.
3. Сухарев А.Г., Тимохов А.В., Федоров В.В. Курс методов
оптимизации: Учеб. пособие. – 2-е изд. – М.: Физматлит,
2005. – 368 с.
4. Bonnans J.-F., Gilbert J.C., Lemarechal C., Sagastizábal
C.A. Numerical optimization: theoretical and practical aspects. –
2nd Edition. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. – 494
p. doi: 10.1007/978-3-662-05078-1.
5. Fletcher R. Practical Methods of Optimization. – Wiley,
2000. – 450 p. doi: 10.1002/9781118723203.
6. Antoniou A., Lu W.-S. Practical optimization. Algorithms
and engineering applications. – Springer, 2007. – 675 p.
7. Floudas C.A., Pardalos P.M. Encyclopedia of optimization.
– 2nd Edition. – Springer, 2009. – 4646 p. doi: 10.1007/978-0-
387-74759-0.
8. Пантелеев А.В., Летова Т.А. Методы оптимизации в
примерах и задачах: Учеб. пособие. – 3-е изд., стереотип-
ное. – М.: Высшая школа, 2008. – 544 с.
9. Черников П.C., Яровенко В.А., Зарицкая Е.И. Влияние
параметров электроходов на показатели качества работы элек-
троэнергетических установок при маневрировании // Вісник
НТУ «ХПІ». Серія «Електричні машини та електромеханічне
перетворювання енергії». – 2018. – №5(1281). С. 46-54.
REFERENCES
1. Yarovenko V.A. Raschet i optimizatsiia perekhodnykh rez-
himov propul'sivnykh kompleksov elektrokhodov [Calculation
and optimization of transient regimes of propulsion complexes
of electric vessels]. Odessa, Mayak Publ., 1999. 188 p. (Rus).
2. Yarovenko V.A., Chernikov P.S. A calculation method of
transient modes of electric ships’ propelling electric plants.
Electrical engineering & electromechanics, 2017, no.6, pp. 32-
41. doi: 10.20998/2074-272X.2017.6.05. (Rus).
3. Sukharev A.G., Timokhov A.V., Fedorov V.V. Kurs meto-
dov optimizatsii [Course of optimization methods]. Moscow,
Fizmatlit Publ., 2005. 368 p. (Rus).
4. Bonnans J.-F., Gilbert J.C., Lemarechal C., Sagastizábal
C.A. Numerical optimization: theoretical and practical aspects.
Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. 494 p. doi:
10.1007/978-3-662-05078-1.
5. Fletcher R. Practical Methods of Optimization. Wiley, 2000.
450 p. doi: 10.1002/9781118723203.
6. Antoniou A., Lu W.-S. Practical optimization. Algorithms
and engineering applications. Springer, 2007. 675 p.
7. Floudas C.A., Pardalos P.M. Encyclopedia of optimization.
Springer, 2009. 4646 p. doi: 10.1007/978-0-387-74759-0.
8. Panteleev A.V., Letova T.A. Metody optimizatsii v
primerakh i zadachakh [Optimization methods in examples and
problems]. Moscow, High school Publ., 2008. 544 p. (Rus).
9. Chernikov P.S., Yarovenko V.A., Zaritskaya E.I. Influence
of electric ships’ parameters on quality indices of electric power
plants’ performance at maneuvers. Bulletin of the National
Technical University «KhPI» Series: «Electric machines and
electromechanical energy conversion», 2018, no.5(1281), pp.
46-54. (Rus).
Поступила (received) 31.07.2018
Яровенко Владимир Алексеевич1, д.т.н., проф.,
Черников Павел Сергеевич1, ст. преподаватель,
Варбанец Роман Анатольевич1, д.т.н., проф.,
Зарицкая Елена Игоревна1, к.т.н., доц.,
1 Одесский национальный морской университет,
65007, Одесса, ул. Мечникова, 34,
тел/phone +380 50 5980683,
e-mail: yarovenko@3g.ua, chernikov@onmu.odessa.ua,
roman.varbanets@gmail.com, zarickayalena@ukr.net
V.A. Yarovenko1, P.S. Chernikov1, R.A. Varbanets1,
E.I. Zaritskaya1
1 Odessa National Maritime University,
34, Mechnikova Str., Odessa, 65007, Ukraine.
Optimal control of the electric ships’ propulsion motors
during reversal.
Introduction. Reliability and safety of electric ships’ maneuver-
ability depends on the maneuvering characteristics of their pro-
pulsion motors (PM). Therefore, the issues of improving the
process of controlling propulsion motors at maneuvers are topi-
cal. The aim of this paper is to find the optimal laws of control.
The indicators estimating electric ships’ maneuvering properties
are chosen as criteria of optimality. Methodology. A propor-
tional control law is traditionally used in electrical propelling
plants with frequency-controlled PM. However, it does not pro-
vide the necessary maneuvering characteristics to the electric
ships, since it does not take into account the process of the ves-
sel's movement. To search for the optimal control laws of pro-
pulsion motors at maneuvers, the electrical propulsion plant is
considered in unity with all the components of the ship’s propul-
sion complex. The dimensionless parameters of the complex are
revealed from the mathematical model of the transient modes of
its operation. They determine the numerical values of the opti-
mality criteria. Control signals are formed by frequency and
voltage. A method for the formation of optimal control laws is
proposed. The nature of the target functions is revealed and a
special optimization method is developed. A minimum of the
braking distance and a minimum of energy spent on maneuver-
ing are taken as criteria of optimality. Results. The parameters
of the complexes that significantly affect the optimality criteria
are revealed. For various combinations of the values of these
parameters, optimization calculations have been carried out and
the optimal control laws of the propulsion motors during elec-
tric ships’ reversal have been found. Optimization is carried out
by the criterion of the minimum of the braking distance and by
the criterion of minimum energy consumption. The results are
presented in an analytical form and in a graphical form. The
effectiveness of the proposed control laws is illustrated. Scien-
tific novelty. The method of searching for the optimal control
laws of the propulsion motors is constructed according to the
system principle. This allows us to find the control laws of the
propulsion motors on the final result – on the indicators of elec-
tric ships’ maneuverability. The proposed recommendations
cover a wide class of vessels with electric motion. Practical
value. The proposed optimal control laws for propulsion motors
can be used both in the design of propulsion power plants and in
their operation. The best control law can be selected and incor-
porated into the control system for any particular electric ship
of the considered class, depending on the quality of maneuver-
ing. In particular, the optimal control law for propulsion motors
during reversal providing electric ship’s minimum braking dis-
tance or minimum energy consumption for maneuvering can be
chosen. References 9, tables 4, figures 3.
Key words: control of propulsion motors during electric
ships’ maneuvers, optimization method, optimal control
laws.
|