Розробка алгоритму оптимізації витрат енергії малого автономного судна на основі моделі прогнозованого контролю

Abstract

Розвиток АНС стикається з багатьма викликами та науковими проблемами. Пошук шляхів підвищення ефективності руху при фіксованому об’ємі джерела живлення є важливим науковим завданням. У процесі виконання дослідження було проведено пошук та аналіз наявних підходів до оптимізації руху автономних надводних суден. Метою статті є вирішення завдання підвищення енергоефективності малого автономного надводного судна (МАНС) з електричним рушієм, призначеного для виконання задач гідрографічного моніторингу. Актуальність дослідження обумовлена обмеженим енергетичним ресурсом бортових джерел живлення та необхідністю забезпечення тривалої автономної роботи суден малого класу в умовах змінного зовнішнього середовища. Проаналізовано сучасні підходи до керування автономними надводними суднами, зокрема методи оптимізації траєкторії та класичні алгоритми керування, які переважно орієнтовані на навігаційну точність або мінімізацію часу руху без урахування енергетичних витрат. На основі результатів аналізу енергоспоживання автономного надводного судна з електричним приводом встановлено, що основні втрати енергії виникають під час руху, особливо в режимах маневрування, зміни швидкості та за наявності зовнішніх збурень. Показано, що енерговитрати мають виражений нелінійний та динамічний характер, що знижує ефективність застосування статичних або одноразових оптимізаційних методів. Запропоновано енергетично орієнтований підхід до керування рухом МАНС на основі моделі прогнозованого керування. Сформовано узгоджену математичну модель, яка поєднує динаміку руху судна, енергетичну модель рушійної установки та динаміку заряду акумуляторної батареї в єдиній оптимізаційній задачі. Критерії оптимізації включають мінімізацію енергоспоживання, підтримку середньо-оптимальної швидкості руху, забезпечення плавності траєкторії та контроль стану заряду акумулятора з урахуванням фізичних обмежень системи. Чисельне моделювання в середовищі MATLAB підтвердило ефективність запропонованого підходу, що проявляється у зниженні енерговитрат під час руху та адаптивному коригуванні режимів керування залежно від рівня заряду акумулятора. Запропонований MPC-алгоритм може бути використаний при розробці систем керування малорозмірних автономних надводних платформ для задач гідрографічного, екологічного та наукового моніторингу. Як висновок результати дозволять в подальшому розширити можливості основного керуючого контролера завдяки підвищенню загальної енергоефективності електромеханічної системи.