Ідентифікація динамічних ядер моделі судна при виконанні операцій з великоваговими негабаритними вантажами.

Abstract

Мета статті полягає у висвітленні створення нових математичних моделей керування процесами суднових вантажних операцій з великоваговими негабаритними вантажами (ВВНВ) за рахунок удосконалення існуючих моделей системи судно-вантаж, розробки та використання нових структурно-орієнтованих методів оптимального управління процесами завантаження ВВНВ. Методи дослідження. Основою досліджень є теорія оптимального управління, математичне моделювання, методи ідентифікації в просторі станів. Основні результати дослідження. Розроблені моделі динамічних ядер судна дозволяють побудувати інтегровану модель судна, обладнаного кранами, в режимі роботи з ВВНВ. Інтегрування і декомпозиція моделі на динамічні ядра і рівняння зв’язку дозволяє отримати структурно простий алгоритм моделювання, що, в свою чергу, дозволяє реалізувати алгоритми оптимального керування, які забезпечують підвищення ефективності операцій з ВВНВ. Застосування пропонованих моделей дозволить скоротити час на виконання вантажних операцій з ВВНВ та підвищити їх безпечність, і, таким чином, поліпшити економічні показники виконання рейсів суднами типу Heavy Lift. Наукова новизна. Запропонований і обґрунтований новий метод виконання вантажних операцій з ВВНВ, заснований на застосуванні моделі динамічних ядер судна. Ґрунтуючись на принципах Гамільтона і методів простору станів, визначено що лінійна модель динамічного об’єкту описується в просторі станів системою диференціальних рівнянь другого порядку. Доведено, що при здійснені вантажних операцій з ВВНВ виділення динамічного ядра в моделі судна дозволяє визначати допустимі швидкості зміни навантажень, які не викликають виникнення небезпечних коливань судна. Показано, що при роботі із ВВНВ необхідно розділяти траєкторії на прості рухи, що знижує перевантаження у системі судно-вантаж. Удосконалено метод оптимального керування вантажними операціями з обмеженнями по межах остійності судна, що дозволяє розглядати алгоритм управління системою «судно-кран-вантаж» при операціях із ВВНВ, як оптимізаційну задачу з обмеженнями типу нерівності. Практична значимість. Результати досліджень дозволяють розробити удосконалені алгоритми виконання вантажних операцій із ВВНВ суднами типу Heavy Lift. Впровадження отриманих теоретичних напрацювань щодо вдосконалення управління вантажними операціями з ВВНВ дозволяє істотно підвищувати ефективність та безпечність виконання таких операцій. The objective of the article is to cover a developing of new mathematical models for controlling vessel cargo operation processes with Heavy Lift oversized cargo (HLOC) by improving existing vessel-cargo system models, building and using new structure-oriented methods for optimal control of HLOC loading processes. Research methods. The basis of research is optimal control, mathematical modeling, and identification methods in the state-space representation. The main research results. The developed models of the dynamic nuclears of the vessel make it possible to build an integrated model of the vessel equipped with cranes in HLOC operation mode. Integration and decomposition of the model into dynamic nuclears and connection equations allow obtaining a structurally simple modeling algorithm, which, in its turn, allows implementing optimal control algorithms that provide increasing the efficiency of HLOC operations. The appliance of the proposed models will reduce the time being taken to carry out HLOC operations and increase their safety. Thus, it will improve economic performance of voyages with Heavy Lift vessels. Scientific novelty. The proposed and well-grounded new method for performing HLOC operations is based on the appliance of dynamic nuclears’ model of a vessel. Based on the principles of Hamilton and state space methods, it is determined that the linear model of a dynamic object is described in the state space by a system of second-order differential equations. It is proved that while performing HLOC operations, the separation of a dynamic nuclear in the vessel model allows determining the permissible velocity changes of loads that do not cause dangerous vessel oscillations. Necessity of dividing the trajectories into simple movements during a work with HLOC is shown. Thus, overloads in the vessel-cargo system are reduced. The optimal control method of cargo operations with restrictions on the limits of vessel stability has been improved. It allows to consider the control algorithm of the “vessel-crane-cargo” system during HLOC operations as optimization problems with inequality-type restrictions. Practical significance. The research results allow developing advanced algorithms for performing HLOC operations on Heavy Lift vessels. The implementation of the theoretical findings on improving of vessel operations control with HLOC can significantly improve the efficiency and safety of such operations.