Эффективность и качество судовых автоматизированных систем

 

Автоматизированное управление судном заключается в решении плановых и оперативных задач путем выбора управляющих воздействий из множества возможных в соответствии с принятыми критериями эффективности и на основе информации о состоянии управляемых объектов и внешней среды. Судовым автоматизированным системам присущи основные признаки сложных «больших» систем. Они являются динамическими вероятностными системами, состоящими из большого числа взаимосвязанных между собой элементов.

Под эффективностью системы понимается совокупность свойств, определяющих степень ее приспособленности к выполнению поставленной задачи в определенных условиях.

Различают два вида эффективности судовых автоматизированных систем: техническую и экономическую. Техническая эффективность характеризует степень приспособленности автоматизированных систем непосредственно к решению задач управления, контроля и защиты судовых технических средств; экономическая — меру соответствия затрат на автоматизацию и достигаемым результатом.

Эффективность автоматизированных систем оценивается с помощью показателей эффективности, под которыми понимается некоторая числовая характеристика, которая выражает степень приспособленности системы к выполнению поставленной задачи. Для выбора наиболее предпочтительного варианта исследуемой системы на основании показателей формулируется критерий эффективности.

Под критерием эффективности понимают формализованное описание степени приспособленности системы к выполнению поставленной задачи, обеспечивающее сопоставление и выбор наиболее предпочтительного варианта работы ГД. Критерий эффективности должен отражать еще и необходимые затраты, т. е. массу, габариты, мощность потребляемой энергии и стоимость системы, а также стоимость ее эксплуатации.

Ко всякой автоматизированной системе предъявляется ряд технических требований, характеризующих эффективность ее функционирования при безотказной работе всех элементов. Желательно, чтобы система имела максимальное быстродействие (производительность) и экстремальные значения различного ряда интегральных оценок обобщенных координат.

Для оценки эффективности автоматизированной системы составляется математическая модель, представляющая формальное описание исследуемых процессов. В частности, эффективность систем может быть выражена через показатели эффективности, полученные в ходе пассивного или активного эксперимента в виде, аналогичном (8.17). Используя дифференциальные уравнения, можно воспользоваться математическим аппаратом теории оптимального управления и теории надежности.

В зависимости от назначения судовых автоматизированных систем, характера управляющих и возмущающих воздействий и других специфических особенностей к качеству их работы предъявляются определенные требования (к работе систем в статическом режиме, к устойчивости систем и к качеству переходного процесса).

При детерминированных воздействиях z(t) в линеаризированных автоматических системах выражение для ошибки системы в установившемся режиме может быть получено путем разложения этой ошибки в ряд по производным от воздействия

 

,                             (8.18)

 

где С₀, С₁, ..., С_r-1 — коэффициенты ошибок, .

Каждый из членов разложения (8.18) является составляющей ошибки , т. е. С₀ — ошибка по положению; С₁ — ошибка по скорости;  — ошибка по ускорению и т. д.

Для астатических систем с порядком астатизма, равным v, первые v коэффициентов ошибки С₀, С₁,.... C_v-1 равны нулю. Определить коэффициенты ошибок можно по рекуррентным выражениям практически при любом детерминированном воздействии.

Наиболее исчерпывающе характеризуют системы при случайных возмущающих и управляющих воздействиях законы распределения обобщенных координат системы. В большинстве случаев можно считать, что они подчиняются нормальному закону распределения и полностью описываются их математическими ожиданиями, дисперсией и корреляционной функцией.

Как показывают эксперименты и анализ осциллограмм токов, напряжений, мощностей, температур, давлений и других параметров СУ, случайные процессы в СЭУ являются стационарными в широком смысле и эргоднческими. В этом случае математическое ожидание и дисперсия не зависят от времени, а корреляционная функция определяется только разностью интервала корреляции.

Таким образом, математическое ожидание

;

дисперсия

;

автокорреляционная функция

;

взаимная корреляционная функция

.

Важной характеристикой стационарных случайных процессов является спектральная плотность S(), которая дает такую же информацию о случайном процессе, что и корреляционная функция, но не во временной области, а в частной, и определяется выражением

                                             (8.19)

и соответственно

                                                 (8.20)

Выражение (8.19) является прямым преобразованием Фурье, выражение (8.20) — обратным преобразованием Фурье.

Аналогично определяют взаимную спектральную плотность  и взаимную корреляционную функцию . По известной спектральной плотности стационарного случайного сигнала на входе САУ и ее частотной характеристике А() находят спектральную плотность сигнала на выходе.

Для характеристик систем в переходных режимах чаще всего используют величину перерегулирования σ, время переходного процесса (регулирования) t_p, число колебаний обобщенной координаты за время t_р,интегральные характеристики (первая I ₁, вторая квадратичная I ₂ и обобщенная I_x). Интегральные характеристики линеаризированных систем могут быть вычислены по рекуррентным выражениям или путем специальных преобразований.

Существенной характеристикой работоспособности системы является устойчивость, которую проверяют по алгебраическим или частотным критериям. Для надежной работы судовых САУ они должны иметь определенный запас устойчивости, так как в процессе их эксплуатации возможны изменения тех или иных параметров из-за старения элементов, влияния температуры и влажности, наличия сильной вибрации и т.п.

Надежность САУ определяется  рядом показателей и характеристик, таких, как: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, а также коэффициенты готовности и простоя.

Для количественной оценки безотказности невосстанавливаемых объектов служат вероятность безотказной работы P(t); интенсивность отказов (t); средняя наработка до отказа T ₁.

Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в определенных условиях эксплуатации в течение заданной продолжительности отказ не произойдет:

,

где T ₁ — время непрерывной работы системы; (t) — интенсивность отказов системы.

Интенсивность отказов (условная плотность вероятности возникновения отказа, определяемая для рассматриваемого момента при условии, что до этого момента отказ не возник)

.

Функция f(t) определяет вероятность отказа в достаточно малый промежуток времени.

Интенсивность отказов показывает, какая часть работоспособных в некоторый момент времени объектов отказывает в единицу времени после этого момента (при малых промежутках времени).

Вероятность отказа — это вероятность того, что в определенных условиях эксплуатации в течение заданного промежутка времени отказ произойдет хотя бы один раз:

.

Среднее время безотказной работы системы до первого отказа представляет собой математическое ожидание случайного времени системы до первого отказа

.

Среднее время восстановления работоспособности системы представляет собой математическое ожидание случайного времени восстановления t_B

,

где f_B —плотность вероятности восстановления для момента времени t.

Коэффициент готовности К_Г(t) — вероятность того, что в момент времени t система находится в работоспособном состоянии.

Коэффициент простоя K_П(t) — вероятность того, что в момент времени t система находится в состоянии отказа.

Для стационарного процесса коэффициенты готовности и простоя можно определить по выражениям

.

Для количественной оценки безотказности восстанавливаемых объектов используются вероятность P(t) безотказной работы, параметр потока отказов  и наработка Т_о на отказ. Количественные показатели долговечности подразделяются на технические ресурсы и сроки службы восстанавливаемых и невосстанавливаемых объектов. Технический ресурс — наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния. Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния.

Различают средний ресурс — математическое ожидание ресурса (срока службы) — до заводского ремонта, гамма-процентный — до капитального ремонта, медленный — межремонтный, назначенный — до списания.

Показатели ремонтопригодности могут быть условно разделены на показатели восстановления работоспособности после отказов и показатели технического обслуживания (ТО) и ремонта. Основными качественными показателями ремонтопригодности являются: среднее время восстановления; вероятность восстановления в заданное время; среднее время одного ТО; среднее время одного ремонта; средняя трудоемкость одного ТО; средняя трудоемкость одного ремонта; средняя стоимость одного ремонта.

Вопросы для самопроверки:

 

1. Дайте определение понятию «эффективность и качество судовых систем»

2. Что такое техническая эффективность?

3. Что отражает критерий эффективности?

4. Что такое спектральная плотность?

5. Что такое надежность САУ?

6. Что такое средний ресурс?

 

 

Список используемой литературы

 

1. Андрезен В. А. Комплекс автоматизированного управления техническими средствами газотурбохода «Капитан Смирнов» / В. А. Андрезен, В. В.Войтецкий, Ю. И. Колкунов. – Судостроение: 1980, № 3. - 33-36 с.

2. Бобылев В.П. Унифицированные судовые системы централизованного автоматического контроля / В. П. Бобылев – Судостроение: 1986. № 12 - 17-19 с.

3. Ланчуковский В. И., Козьминых А. В. Автоматизированные системы управления судовых дизельных и газотурбинных установок / В. И. Ланчуковский, А. В. Козьминых. - М: Транспорт, 1983. - 320 с.

4. Нелепин Р. А. Автоматическое управление судовыми энергетическими установками /

Р. А. Нелепин. – Судостроение: 1986, - 294 с.

   5. Орунов Г. П. Система управления вспомогательными механизмами главной энергетической установки / Г. П. Орунов. – Судостроение: 1986. № 10. - 23-25 с.

   6. Суханов А.И. Опыт создания за рубежом распределенных комплексных систем централизованного управления и контроля судовых технических средств / А. И. Суханов. – Судостроение: 1987. № 9. - 23-29 с.

   7. Тараторкин Б.С. Электронные устройства судовой автоматики / Б.С. Тараторкин – Судостроение: 1981. - 248 с.

   8. Харьков А. М. Монтаж, эксплуатация и ремонт судовой автоматики / А. М. Харьков –Судостроение: 1977. - 158 с.

 

 

Дмитрий Иванович Осовский

Алексей Сергеевич Шаратов

АВТОМАТИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

для курсантов специальности 26.05.06

«Эксплуатация судовых энергетических установок»

очной и заочной формы обучения

Тираж _____экз. Подписано к печати __________.

Заказ № _______. Объем 9,5 п.л.

 «Керченский государственный морской технологический

университет»

298309 г. Керчь, Орджоникидзе, 82