Використання надлишкового керування для мінімізації енергоспоживання

Abstract

Питання зменшення енергоспоживання на суднах, а також пов’язані з цим питання скорочення викидів та покращення стану навколишнього середовища є особливо актуальними. Шляхи вирішення цих питань різні, але найчастіше використовуються конструктивні рішення, гідродинамічні рішення, вітрила або сучасні силові установки. Зменшення енергоспоживання також можна досягти за рахунок правильного планування маршруту, психологічної підготовки екіпажу, автоматизації процесів керування рухом. У статті запропоновано метод мінімізації енергоспоживання за рахунок використання надлишкового керування. Надлишкові структури виконавчих пристроїв широко використовуються на сучасних суднах, зокрема, на суднах з динамічною системою позиціонування. Традиційне призначення надлишкових структур – збільшення надійності системи керування по виконавчим пристроям та підвищення маневрових можливостей судна. Запропонований метод використовує наявні на суднах надлишкові структури ще й для мінімізації витрат палива. Отриманий результат пояснюється знаходженням оптимальних керувань, що мінімізують енергоспоживання, шляхом вирішення в бортовому обчислювачі автоматизованої системи оптимізаційної задачі з лінійними та нелінійними обмеженнями на параметри керування, використанням знайдених оптимальних керувань для виконання операцій. Працездатність та ефективність розробленого методу підтверджена математичним моделюванням у середовищі MATLAB. Результати проведеного експерименту показали, що використання розробленого методу дозволяє знизити енерговитрати на (35–50)%. При цьому, додаткове навантаження на розрахунковий такт бортового обчислювача не перевищує 25–50 мс, що становить (2,5–5)% всього навантаження. Reducing energy consumption in maritime transport, as well as the associated emission reductions and environmental improvements, are particularly relevant. The ways of solving these issues are different, but most often structural solutions, hydrodynamic solutions, sails, or modern power plants are used. Reducing energy consumption can also be achieved due to proper route planning, psychological training of the crew, automation of traffic control processes. The article proposes a method to minimize energy consumption using redundant control. Redundant structures of actuating devices are widely used on modern ships, in particular, on ships with a dynamic positioning system. Traditional purpose of redundant structures is to increase the reliability of the actuating control system and increase the maneuverability of the vessel. The proposed method also uses redundant structures available on ships to minimize fuel consumption. The subject of research are models and methods of optimizing energy consumption, due to the use of redundant control. The aim of the study is to minimize energy consumption for operations. To solve the problem, a systematic approach, analysis and synthesis, imaginary experiment, methods of automatic control theory, numerical methods of conditional optimization, and mathematical modeling were used. The scientific novelty of the obtained results consists in the development of a method for determining optimal controls that minimize energy costs for performing operations by solving optimization problem with constraints in the on-board computer of the automatic or automated control system, unlike known solutions, it uses redundant controls for optimization and allows reducing energy costs by (35–50) %. At the same time, the additional load on the calculation cycle of the on-board computer does not exceed (25–50) ms, which is (2.5–5) % of the total load. The practical value of the obtained results consists in checking the workability and efficiency of the developed method by mathematical modeling and the possibility of its use in the on-board computer of the automated ship motion control system with redundant structures of actuating devices.