МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ В СОСТАВЕ СТЕНДА ОТЛАДКИ И СОПРОВОЖДЕНИЯ АНПА

  • Н.К. Киселев АО «ЦКБ «Лазурит»
  • Л. А. Мартынова АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
  • И. В. Пашкевич АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
Ключевые слова: Автономный необитаемый подводный аппарат, гибридная система энергообеспечения, математическая модель, степень детализации

Аннотация

Целью исследований является разработка комплекса математических моделей, обес-печивающих исходными данными математическую модель работы гибридной системы энер-гообеспечения для последующего встраивания в стенд отладки и сопровождения. Работа является развитием опубликованной ранее математической модели функционирования гиб-ридной системы энергообеспечения автономного необитаемого подводного аппарата. В ра-боте по результатам анализа целей и задач моделирования разработаны математические модели источников электроэнергии – аккумуляторной батареи и электрохимического гене-ратора. Поскольку управления параметрами работы аккумуляторной батареи и электрохи-мического генератора зависит от параметров движения аппарата, то дополнительно были разработаны математические модели маршевого движителя и интегрированной системы управления аппарата. Внешние условия функционирования аппарата и маршрутное задание задавались в специально разработанном имитаторе тактической обстановки. На основе теории интегрированного иерархического моделирования с изменяемым разрешением была определена наиболее целесообразная степень детализации разрабатываемых математиче-ских моделей. Ввиду необходимости учета неравномерности обдува газами топливных эле-ментов в электрохимическом генераторе математическая модель основана на решении не-линейной системы уравнений, включающей в себя уравнение Навье-Стокса, уравнения сохра-нения импульса, энергии и заряда. При разработке математической модели аккумуляторной батареи была учтена неравномерность заряда отдельных аккумуляторов; математическая модель учитывала параметры отдельных аккумуляторов по данным их изготовителя. Ре-зультатами моделирования явились зарядно-разрядные характеристики аккумуляторной батареи. В математической модели основного потребителя электроэнергии - маршевого движителя - реализована зависимость создаваемой тяги от требуемой скорости движения аппарата, что позволило получать объем электроэнергии, потребляемой маршевым движи-телем. В математической модели интегрированной системы управления в зависимости от текущего положения аппарата реализованы регуляторы движения для формирования управления элементами движительной системы, обеспечивающие типовые режимы ма-неврирования аппарата. Кроме того, реализовано управление параметрами функциониро-вания гибридной системой энергообеспечения - переключение источников электроэнергии, переключение процессов заряда аккумуляторной батареи. В математической модели ими-татора тактической обстановки реализованы возможности задания маршрута и внешнихусловий. Кроме того, реализована модель движения аппарата с учетом действующих на аппарат сил и моментов. Разработанный комплекс математических моделей, обеспечи-вающий данными математическую модель функционирования гибридной системы энерго-обеспечения, может быть использован в составе стенда отладки и сопровождения авто-номного необитаемого подводного аппарата.

Литература

1. Appolonov E.M., Bachurin A.A., Gorokhov A.I., Ponomarev L.O. O vozmozhnosti i neobkhodimosti sozdaniya sverkhbol'shogo neobitaemogo podvodnogo apparata [On the possibility and necessity of creating an extra-large uninhabited underwater vehicle], Sbornik materialov XIII Vserossijskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Perspektivnye sistemy i zadachi upravleniya» [Proceedings of the XIII All-Russian Scientific and Practical Conference "Perspective Systems and Control Prob-lems"]. Rostov-on-Don – Taganrog: YuFU, 2018, pp. 34-42.
2. Martynova L.A. Matematicheskaya model' raboty gibridnoy sistemy energo-obespecheniya avtonomnogo neobitaemogo podvodnogo apparata bol'shoy dal'nosti [A mathematical model of the hybrid energy supply system of an autonomous uninhabited underwater vehicle of long range], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2019, No. 1 (203). pp. 212-227.
3. Moiseev N.N. Algoritmy razvitiya [Development Algorithms]. Moscow: Science, 1987, 350 p.
4. Mikoni S.V., Sokolov B.V., Yusupov R.M. Kvalimetriya modeley i polimodel'nykh kompleksov. [Qualimetry of models and polymodel complexes]. Moscow: RAN, 2018, 314 p.
5. Davis P.K. Exploratory analysis enabled by multiresolultion, multiperspective modeling, Pro-ceedings of the 2000 Winter Simulation Conference, pp. 293-302.
6. Modeling and simulation: Technology for the United States Navy and Marine Corps, Wash-ington, D.C. National Academy Press, 1997, Vol. 9, pp. 2000-2035.
7. Morgan G., Henrion M. Uncertainty: A guide to dealing with uncertainty in quantitative risk risk and policy analysis. Cambridge MA: Cambridge University Press. National Research Council, 1992, 346 p.
8. McEver J., Davis P.K., Bigelow J.H. Implementing multiresolution models and fam-ilies of models: from entity level simulation to personal-computer stochastic models and simple repro models, Pro-ceedings of the SPIE, 2000, Vol. 4026. Available at: https://doi.org/10.1117/12.389372.
9. Davis P.K. Multiresolution multiperspective modeling (MRMPM) as an enabler of exploratory analysis. Available at: https://doi.org/10.1117/12.389362.
10. Bigelow J.H., Davis P.K., McEver J. Case history of using entity-level simulation as imperfect experimental data for informing and calibrating simpler analytical models for interdiction. Proc. SPIE 4026, Enabling Technology for Simulation Science IV, (23 June 2000). Available at: https://doi.org/10.1117/12.389380.
11. Bankes S.C. Exploratory modeling for policy analysis, Operations Research, 1993, Vol. 41, No. 3. Available at: https://doi.org/10.1287/opre.41.3.435.
12. Lempert R., Schlesinger M.E., Bankes S.C. When we don't know the costs or the benefits: adaptive strategies for abating climate change, Climatic Change, 1996, Vol. 33, No. 2, pp. 235-274.
13. Lucas T. The stochastic versus deterministic argument for combat simulations: tales of when the average won't do, Military Operations Research, 2000, Vol. 5, No. 3. Doi: 10.5711/morj.5.3.9.
14. Yanchenko V.S. Modelirovanie energeticheskoy sistemy mobil'noy tekhniki s toplivnymi elementami [Modeling the energy system of mobile equipment with fuel cells], Transport na al'ternativnom toplive [Transport on alternative fuel], 2012, No. 3 (27). pp. 56-57.
15. Smirnov D.B. Modelirovanie raspredeleniya tokov v tverdooksidnykh toplivnykh elementakh planarnoy geometrii metodom konechnykh elementov [Modeling the distribution of currents in solid oxide fuel cells of planar geometry by the finite element method]. IFFT RAS, 2014, 18 p.
16. Plett G. L. Battery Management Systems. vol. 1. Battery Modeling. Artech House. Boston-London, 2015, 334 p.
17. Plett G. L. Battery Management Systems. Vol. 2. Equivalent-Circuit Methods. Artech House. Boston-London, 2016, 332 p.
18. BryantsevA.A., Bukreev V.G. Metodika i algoritm opredeleniya parametrov modeli Sheferda dlya opisaniya nelinejnoy vol't-ampernoy harakteristiki zaryada litiy-ionnogo akkumulyatora [Methods and algorithm for determining the parameters of the Shepherd’s model to describe the non-linear current-voltage characteristics of the charge of a lithium-ion battery], Doklady TUSUR [Doklady TUSUR], 2019, Vol. 22, No. 1. pp. 95-99.
19. Handorin M.M. Metod, algoritmy i mikroprocessornoe ustroystvo otsenivaniya parametrov litiy-ionnoy akkumulyatornoy batarei kosmicheskogo apparata: avtoref. dis. … kand. tekh. nauk [Method, algorithms and microprocessor-based device for evaluating the parameters of a lithiumion battery of a spacecraft: abstract cand. of eng. sc. diss.]. Tomsk 2018, 21 p.
20. Modelirovanie rezhima zaryadki litiy-zhelezo-fosfatnoy akkumulyatornoy batarei s uchetom razbrosa parametrov otdel'nykh akkumulyatorov [Modeling the charging mode of a lithium-iron-phosphate battery, taking into account the variation in the parameters of individual batter-ies]. Available at: http://estorsys.ru/publikatsii/116-modelirovanie-rezhima-zaryadki-litiy-zhelezo-fosfatnoj-akkumulyatornoj-batarei-s-uchetom-razbrosa-parametrov-otdelnykh-akkumulyatorov (accessed 06 February2020.
21. Protsenko N.A., Lapshin V.Yu., Blednova Zh.M. Raschetno-eksperimental'naya otsenka raspredeleniya temperatur v sluchae tekhnologicheskikh sboev v rabote litiy-ionnogo akkumulyatora kosmicheskogo naznacheniya [Calculation and experimental estimation of temperature distribution in the event of technological failures in the operation of a lithium-ion battery for space purposes], Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoy akademii nauk [Bulletin of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2010, Vol. 12. No. 4 (3). pp. 596-600.
22. Voitkunsky Ya. I. Spravochnik po teorii korablya [Handbook of ship theory]. Leningrad Ship-building, 1985, Vol. 1, 764 p.
23. Teoreticheskie osnovy upravleniya sudnom [The theoretical basis of the management of the vessel]. Available at: http://sea-library.ru/upravlenie-sudnom/359-teoreticheskie-osnovy-upravleniya-sudnom.html (accessed 05 November 2019).
24. Vasiliev K.K., Gourmet D.A. Modelirovanie algoritmov navigatsii i upravleniya dlya avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatov [Modeling of navigation and control algo-rithms for autonomous uninhabited underwater vehicles], Avtomatizatsiya processov upravleniya [Automation of control processes], 2013, No. 3 (33), pp. 27-31.
Опубликован
2020-07-10
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ III. СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, ПРИВОДНАЯ И ДАТЧИКОВАЯ АППАРАТУРА