PROBLEMS OF CONTROL OF MIDWATER TRAWL COMPLEXES USING EQUATIONS OF ELECTRIC AND MECHANICAL DRIVES OF TRAWL WINCHES
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper touches upon the problems of transition to advanced digital, intelligent man-ufacturing technologies, robotic systems, new materials and design methods, the creation of systems for processing large amounts of data, machine learning and artificial intelligence. Automation of fishing process requires an interdisciplinary approach using modern information technologies. The possibility of using artificial intelligence technologies for solving the problems of predictive modeling of the behavior of a trawl system while fishing on a self-learning neural network has been proved. The equations of electric and mechanical drives of trawl winches for controlling the shape-changing design of a midwater trawl are given. The question of improving the control characteristics of a midwater trawl system by introducing a control architecture adapted for the trawl system taking into account the industrial requirements and by developing a mathematical model of the trawl system, in-cluding an accurate model of hydrodynamic forces on the trawl flaps is considered.

Keywords:
control, midwater trawl, trawl system, dynamics, predictive modeling, trawl system, winch
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение Траловый лов, при помощи которого в настоящее время добывается около 40 % мирового улова, сегодня играет важную роль в добыче рыбных ресурсов в рамках укрепления продовольственной безопасности России. По данным ФАО, к 2018 г. общий объем добычи рыбы достиг 96,4 млн т, что является самым высоким показателем за всю историю рыболовства. Экологическую эффективность траления можно определить как отношение величины улова к величине воздействия на окружающую среду. Воздействие рыболовного судна на окружающую среду в основном измеряется расходом топлива и количеством отходов от эксплуатации, в то время как траловые снасти могут привести к удалению и повреждению бентоса – кораллов и губок. Улучшение управляемости траловым комплексом могло бы сделать возможным прицельный лов косяков рыб, а также улучшить маневрирование вблизи препятствий и контроль формы трала для оптимизации эффективности лова. В связи с этим системы более точного управления траловым комплексом должны приводить:  к увеличению уловистости;  снижению воздействия на морское дно и сокращению взаимодействий с препятствиями;  повышению селективности промысла. Разноглубинные траловые комплексы являются сложными техническими сооружениями, управление которыми сопряжено с большими трудностями [1]. Авторами статьи в рамках научного исследования рассматривается постановка задачи разработки системы управления траловой лебедкой. Для решения этой задачи необходимо рассмотреть вопрос о том, как можно улучшить характеристики системы управления траловой лебедкой с учетом промышленных требований к энергосистеме судна, внешних факторов и концепции управления; разработать математическую модель, включающую композицию электродинамической и гидродинамической моделей лебедки. Эта модель должна оценивать как стационарное состояние, так и силы натяжения в ваерах, переходные процессы, временную зависимость нагрузок на двигатель лебедки от сил натяжения, С развитием технологий искусственного интеллекта все большую популярность приобре-тают системы управления, основанные на модели предсказательного моделирования. На их основе в ходе решения поставленной задачи эффективного управления траловым ловом будет предложена новая концепция управления траловой лебедкой с учетом требований к энергопотреблению, надежности и эффективности, основанная на сочетании математической и предсказательной модели [2]. Из-за противоречивых требований к производительности, стабильности и энергоэффективности тралового лова концепция управления должна быть улучшена посредством численной оптимизации, основанной на моделировании временной области траловой системы с учетом промышленных ограничений на энергоснабжение траловых лебедок. Система управления, основанная на модели предсказательного моделирования, должна решать сложные задачи и ограничения, в том числе задачи автоматизации наведения трала на скопление гидробионтов [3]. Чтобы проанализировать автоматизированные системы управления разноглубинным тра-лом (АСУ РТ) [4], мы должны исследовать математические модели управления движением в различных режимах работы разноглубинного трала [4–25]. Движение траловых систем зависит напрямую от промысловых механизмов, которые установлены на палубе рыбопромыслового судна. Чем выше детализация технической системы «судно – разноглубинный трал», тем точнее АСУ РТ (рис. 1). Рис. 1. Разноглубинный траловый комплекс (судно – разноглубинный трал) Материалы исследования В данной статье рассмотрены уравнения электрического и механического приводов тра-ловых лебедок для управления формоизменяемой конструкцией разноглубинного трала. Необ-ходимо охарактеризовать силовое взаимодействие объекта и среды величинами, которые не имели бы зависимости от абсолютных размеров объекта, скорости его движения или скоро-сти, плотности среды, вязкости жидкости и других размерных величин [26–30]. Рассмотрим электропривод и механический привод ваерной лебедки. Ваерная лебедка ПНР WTJ12,5 W290Z1 (номер проекта 4-4015/000) – это электрическая лебедка с червячным редуктором, автоматическими ваероукладчиками и ограничением натяже-ния ваеров при тралении. Ваерная лебедка ПНР WTJ12,5 W290Z1 установлена на судах типа БМРТ проекта В-408 и БАТ проектов 1396 и 1508. Габариты ваерной лебедки 3790 × 6327 × 1950 мм (длина × ширина × высота). Количество барабанов – 1 ваерный. Канатоемкость бараба-на Lб при диаметре ваера dв = 28 мм составляет 4 000 м, а при диаметре ваера dв = 31 мм – 3 200 м. На рис. 2 изображена ваерная лебедка. а б Рис. 2. Ваерная лебедка ПНР WTJ12,5 W290Z1: а – вид сверху: 1 – привод ваероукладчика; 2 – червячный редуктор; 3 – муфта; 4 – стопор; 5 – электродвигатель; 6 – винт ваероукладчика; 7 – каретка; 8 – барабан; 9 – тормозное устройство; б – вид сбоку Ваерная лебедка ПНР WTJ12,5 W290Z1 потребляет постоянный ток напряжением 305 В. Тип привода электрический, мощность привода 290 кВт, управление ваерной лебедкой дистан-ционное. Перегрузочная способность – 1,6. Для управления ваерной лебедкой применяется ти-ристорный преобразователь. Генератор постоянного тока с помощью реостатов регулирует ско-рость вращения вала двигателя ваерной лебедки. В режиме торможения он является генерато-ром. Тяговое усилие на среднем витке ваерной лебедки составляет 122,5 кН. Скорость выборки ваеров составляет 1,87 м/с, скорость травления ваеров – 3,6 м/с. Рассмотрим системы уравнений работы электродвигателя постоянного тока, натяжения в ваере, а также намотки ваера на барабан лебедки. Одним из основных электромеханических преобразователей энергии в регулируемом электрическом приводе является двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) [31–35]. При составлении математической модели ДПТ НВ примем следующие допущения. Считаем, что реакция якоря полностью скомпенсирована (в реальном ДПТ всегда есть компенсационная обмотка либо добавочные полюса), поток возбуждения постоянен, а активное сопротивление якорной цепи не изменяется во время работы двигателя. Уравнение состояния преобразователя не рассматриваем в нашем случае [36, 37]. Динамика вращения барабана лебедки с наматываемым ваером и движения ваера математически задается следующими дифференциальными уравнениями: (1) (2) при начальных условиях где ω – угловая скорость вала; ψ – угол поворота вала; t – время процесса моделирования; D – диаметр барабана; nс – количество намотанных на барабан слоев ваера; hс – шаг слоя намотки; S1 – натяжение в ваере в точке касания барабана; J1 – момент (приведенный) инерции механизма лебедки с ваером, тралом и уловом; i – передаточное отношение редуктора лебедки; C – коэффициент электродвижущей силы и момента ДПТ НВ, имеющий размерность потока магнитной индукции [Нм/А] = [Вс]; I – ток якорной цепи; v – линейная скорость выборки трала; L1 – длина невыбранной части ваера; L0 – общая длина ваера. Запишем дифференциальное уравнение электрического равновесия якорной цепи двига-теля, связывающее силу тока в обмотках якоря с угловой скоростью вращения вала барабана лебедки [29]: (3) при начальных условиях I(0) = 0, где Ld – суммарная индуктивность якорной цепи; R – суммарное активное сопротивление последовательно включенных обмотки якоря и добавочных полюсов в горячем состоянии (при t = 75 оC); U – напряжение, приложенное к обмоткам якоря. Коэффициент электродвижущей силы C вычисляется по формуле (4) где Ф – магнитный поток в зазоре двигателя; c0 – конструктивная постоянная двигателя: (5) где p – количество полюсов электродвигателя; N – число проводников в обмотке якоря; a – число параллельных ветвей обмотки якоря. Угловая скорость вала и линейная скорость выборки трала связаны следующим уравнением: (6) При вращении барабана лебедки приведенный момент инерции механизма лебедки с вае-ром, тралом и уловом вычисляется по формуле (7) где J – момент инерции механизма лебедки (приведенный); m1 – масса улова; m0 – масса трало-вой системы; mп – присоединенная масса траловой системы с уловом: (8) где ρ – плотность воды; ρ0 – усредненная плотность трала с уловом. В формуле (8) предполагается, что присоединенная масса трала с уловом равна массе воды в объеме всех элементов трала с уловом. Натяжение ваера в точке касания барабана, вызванное гидродинамической силой, дей-ствующей на движущееся орудие с уловом со стороны воды, рассчитывается по формуле (9) где Rа – агрегатное гидродинамическое сопротивление траловой системы. Количество намотанных на барабан слоев ваера и шаг слоя hс зависят от ширины барабана lб и шага намотки th: (10) (11) где dв – диаметр ваера. В соответствии с формулами (1)–(11) возможно выполнить математическое моделирова-ние работы электрической траловой лебедки, тем самым решив задачу управления ее скорост-ными и силовыми характеристиками. Заключение Теория управления разноглубинным тралом является основой для разработки автоматизи-рованных систем управления траловыми комплексами – как разноглубинными, так и донными. Для решения задач управления траловой системой, одной из которых является задача управле-ния траловой лебедкой, была предложена математическая модель взаимодействия траловой ле-бедки с рыболовным тралом. Для более эффективного управления всей системой «судно – трал» предложено применение предсказательного моделирования.

References

1. Baranov F. I. Teoriia i raschet orudii rybolovstva [Theory and analysis of fishing tools]. Moscow, Pishchepromizdat, 1948. 436 p

2. Reite K.-J. Modeling and control of trawl systems. Trondheim: NTNU, 2006. 238 p.

3. Solov'ev A. A. Teoreticheskie principy obespecheniya bezopasnogo manevrirovaniya sudna pri pricel'nom tralovom love: dis. ... d-ra tehn. nauk. SPb., 1999. 183 s.

4. Volkogon V. A., Nedostup A. A., Razhev A. O., Kostrikova N. A., Polyako R. K., Kuzin V. I. Obosnovanie sozdaniya trenazhernogo kompleksa po proektirovaniyu i modelirovaniyu tralovyh sistem // Morskie intellektual'nye tehnologii. 2017. № 4 (38). T. 2. S. 177–185.

5. Nakasai K., Kawakami T. Mechanical studies on the mid-water trawl gear in operation: bulletin of the faculty of fisheries. Nagasaki university, 1968. N. 26. P. 49–61.

6. Al'tshul' B. A., Fridman A. L. Dinamika tralovoy sistemy. M.: Agropromizdat, 1990. 240 s.

7. Lee C.-W., Lee Ju.-H. Modeling of a midwater trawl system // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 1999. 2000. P. 151–161.

8. Zinchenko V. P. Chislennyy metod rascheta dvizheniya tralovoy sistemy // Ruk. Dep. VO VNIERH, ref. opubl. v ukazat. dep. rabot VINITI № 12. 1998.

9. Altschul B. A., Ermakova T. V. The algoritm of ship speed control when carrying the trawl in the predetermined path at a constant length of veered warp // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2003. 2005. V. 3. P. 137–146.

10. Ermakova T. V. Matematicheskie modeli upravleniya dvizheniem raznoglubinnogo trala: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. Kaliningrad, 2006. 28 s.

11. Altschul B. A., Ermakova T. V. Equations of trawl system movement at its schematization by two-warp model // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2009. 2010. V. 6. P. 251–258.

12. Kuznecov M. Yu., Shevcov V. I. Ispol'zovanie sistemy kontrolya trala SIMRAD FS 20/25 dlya issledovaniya geometrii trala // Uspehi rybolovstva: sb. nauch. tr., posvyaschen. 75-letiyu kafedry prom. rybolovstva Dal'nevostoch. gos. tehn. rybohoz. un-ta. Vladivostok: Izd-vo Dal'nevostoch. gos. tehn. rybohoz. un-ta, 2006. S. 73–79.

13. Cha B.-J., Lee C.-W., Cho B.-K. Dynamic simulation of midwater trawl system using a personal computer // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2001. 2002. V. 2. P. 105–111.

14. Cha B.-J., Lee C.-W., Cho B.-K., Kim H.-Y., Won S.-J. Dynamic simulation of a midwater trawl system using a personal computer // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2001. 2002. P. 155–161.

15. Choe M.-L., Lee C.-W., Lee G.-H., Cha B.-J., Gyung H.-P. Modeling of the otter board behavior in consideration of the effects of the ship motion // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2007. 2007. V. 5. P. 77–88.

16. Eiji T., Matuda K., Nobuo H. A simulation model of gear efficiencies of trawlers for flatfish // Nippon suisan gakkaishi. 1991. N. 57 (6). P. 1019–1028.

17. Ferro RST. Computer simulation of trawl gear shape and loading // World symposium on fishing gear and fishing vessel design. 1988. P. 259–263.

18. Hamuro C. Studies on automation of fishing with otter trawls, Danish seines, midwater trawls and purse seines. Design criteria for a midwater type purse seine // FAO. Technical conference on fish finding, purse seining and aimed trawling. FF/70/49. 1970. N. 5. P. 10.

19. Hu F., Shiode D., Wan R., Tokai T. Accuracy evaluation of numerical simulation for mid-water trawl nets // Methods for the development and evaluation of maritime technologies DEMAT 2005. 2006. Rostock. P. 59–70.

20. Kiyoshi A. Study on dynamical response between a ship’s motions and fishing gear (II) // Bull. of the Fac. of fish. Hok. Univ. 1972. V. 23. № 2. P. 102–121.

21. Koyama T. A calculation method for matching trawl gear to towing power of trawlers // FAO. Technical conference on fish finding, purse seining and aimed trawling. FF/70/65. 1970. N. 5. P. 15.

22. Lonnevik M. S. Effects of hanging ratios on trawls // World symposium on fishing gear and fishing vessel design. 1988. P. 314–317.

23. Niedzwiedz G. Computer-aided simulation of shape and strength of trawls after changes in design and operational condition // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 1999. 2000. P. 119–135.

24. Vincent B. A new generation of tools for trawls. Dynamic numerical simulation // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 1999. 2000. P. 99–107.

25. Yoon H.-K., Lee C.-W., Cha B.-J., Lee Ji.-H., Lee M.-K. A fishing effort appreciation nethod of the fishing gears using a computer simulation // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2003. 2005. V. 3. P. 37–49.

26. Fesenko V. I. Elektricheskie privody promyslovyh sudov: ucheb. M.: Pisch. prom-st', 1973. 224 s.

27. Usol'cev A. A. Obschaya elektrotehnika: ucheb. posobie. SPb.: Izd-vo SPbGU ITMO, 2009. 301 s.

28. Firago B. I., Pavlyachik L. B. Teoriya elektroprivoda: ucheb. posobie. Minsk: Tehnoperspektiva, 2007. 585 s.

29. Gulyaev I. V. Obobschennaya elektromehanicheskaya sistema. Saransk: Izd-vo Srednevolzh. mat. o-va, 2004. Preprint № 69. 12 s.

30. Kovchin S. A., Sabinin Yu. A. Teoriya elektroprivoda: ucheb. dlya vuzov. SPb.: Energoatomizdat, 1994. 496 s.

31. Egorov V. N., Shestakov V. M. Dinamika sistem elektroprivoda. L.: Energoatomizdat, 1983. 216 s.

32. Andrienko L. A. Optimal'noe proektirovanie elektromehanicheskih privodov // Dinamika sistem, mehanizmov i mashin: tez. dokl. 3-y Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. Omsk, 1999. S. 92.

33. Bogatyreva E. V., Ivanovskaya A. V. Sovershenstvovanie metodov rascheta elektromehanicheskogo privoda s uchetom peremennosti nagruzheniya // Izv. Samar. nauch. centra RAN. 2016. T. 18. № 1 (2). S. 218–223.

34. Boyko A. A., Gerasimyak R. P., Leschev V. A. Analiz i sintez kranovyh elektromehanicheskh sistem: ucheb. posobie. Odessa: SMIL, 2008. 192 s.

35. Veyc V. L., Kucenko B. N. K analizu dinamicheskih harakteristik upravlyaemyh elektromehanicheskih privodov // Povyshenie ekspluatacionnyh svoystv detaley mashin tehnologicheskimi metodami. Irkutsk: ILI, 1980. S. 179–185.

36. Il'inskiy N. F., Kozachenko V. F. Obschiy kurs elektroprivoda: ucheb. dlya vuzov. M.: Energoatomizdat, 1992. 544 s.

37. Rassudov L. N., Myazdel' V. N. Elektroprivody s raspredelennymi parametrami mehanicheskih elementov. L.: Energoatomizdat, 1987. 143 s.