7.6. Управление движением сейсморазведочного комплекса

Управление движением сейсморазведочного комплекса требует решения ряда взаимосвязанных задач.

Во-первых, требуется определять положение сейсмографного кабеля относительно заданного профиля и рассчитывать средние значения отклонений точек фактически изучаемого разреза (т. е. точек дна, от которых отражаются сигналы, принимаемые пьезоприемниками сейсмографного кабеля) от заданного профиля. Если эти отклонения превышают допустимые значения, необходимо вычислять требуемую коррекцию в виде бокового отклонения судна и кабеля, которое позволяет минимизировать ошибки. Далее требуется формировать траектории движения приборных секций кабеля и судна при коррекции их движения таким образом, чтобы обеспечивать допустимый уровень гидродинамических шумов буксировки. Наконец, осуществляется стабилизация судна на заданной оптимальной траектории движения.

Управление движением кабеля при маневрировании судна-буксира приводит к появлению боковой составляющей скорости приборных секций. Уровень пульсации давления и вибрации, а следовательно, и уровень шумов пьезоприемников пропорционален квадрату этой составляющей скорости. Для ограничения шумов, связанных с маневрированием судна, необходимо ограничивать величину боковой скорости судна.

Для оценки качества управления сейсморазведочным комплексом используют интегральный квадратичный критерий

где - весовой множитель; и - точки начала и конца приборных секций кабеля. На траектории движения комплекса, которая соответствует минимуму функционала (7.40), обеспечивается наименьшее среднеквадратичное отклонение приборных секций кабеля от требуемого положения при ограничении величины управляющего воздействия, роль которого в данном случае играет боковая составляющая скорости судна в полусвязанной системе координат. Боковое отклонение любой точки кабеля от заданного профиля при условии, что кусочно-линейный отрезок заданной линии профиля совпадает с осью рассчитывается по формуле

а ее положение доль линии профиля определяется выражением

где - отклонение судна от заданного профиля; - азимутальные углы в произвольных точках сейсмографного кабеля, - курсовой угол профиля.

В результате поверхностных течений в океане сейсмографный кабель отклоняется от диаметральной плоскости судна-буксира. Поэтому для оптимизации боковых отклонений приборных секций кабеля, на которых установлены пьезоприемники, судно должно двигаться с некоторым боковым смещением относительно заданного профиля (рис. 7.23). Требуемая величина бокового смещения судна рассчитывается по условию минимизации среднеквадратичных отклонений точек фактически изучаемого разреза от заданной линии профиля.

Рис. 7.23. Отклонение приборных секций сейсмографного кабеля и исследуемых точек дна от заданного профиля.

При этом будем предполагать, что отражение сигнала от дна происходит в точках лежащих посередине между судном, где находится излучатель, и точкой кабеля в которой располагается приемник. Тогда боковое отклонение одной точки фактически изучаемогр разреза от заданного профиля равно

Для минимизации среднеквадратичного значения всей совокупности изучаемых точек (при числе приемников равном ) требуется, чтобы в каждый момент времени выполнялось условие:

Смещение точки кабеля относительно судна определяется его конфигурацией, т. е. характером изменения азимутальных углов

Функцию при оперативном управлении определяют по измерению датчиков азимутальных углов, установленных в нескольких местах сейсмографного кабеля, с помощью интерполяционного полинома

где - количество установленных датчиков, место установки и показание каждого из них.

При расчетах находят путем анализа статических конфигураций кабеля.

Соотношения (7.41) - (7.44) позволяют рассчитать требуемую коррекцию движения судна и сейсмографного кабеля. При формировании оптимальных траекторий движения приборных секций кабеля и судна можно использовать методы теории оптимального управления и, в частности, аналитическое конструирование регуляторов. Но для этого необходимо, чтобы математическая модель движения комплекса имела вид обыкновенных линейных дифференциальных уравнений. Такая модель получается в результате линеаризации уравнений (7.29) с последующим применением метода конечных элементов на основе дискретизации пространственного аргумента.

Для этого весь кабель разбивается на отрезков длиной каждый. Приращение на каждом отрезке определяется разностью скоростей в узлах дискретизации (общие точки, а также начало и конец кабеля), число которых равно . Состояние кабеля определяют значения скорости в узле, так как скорость буксируемого узла совпадает со скоростью движения судна, которая играет роль управляющего воздействия. Переменными состояния будут также азимутальных узлов и боковых отклонений точек кабеля, а также отклонение судна (или, что то же самое - буксируемого конца кабеля) от требуемого положения. Таким образом вектор состояния дискретизированной модели сейсмографного кабеля имеет размерность и записывается в виде

а управляющее и возмущающее воздействия являются скалярными. Первое совпадает со скоростью движения судна , второе - со скоростью бокового .

Общая форма линейной дискретной модели сейсмографного кабеля имеет вид матричного дифференциального уравнения

и в сочетании с минимизируемым функционалом (7.40), который преобразуется к виду

Рис. 7.24. Функциональная схема управления движением сейсморазведочным комплексом.

составляют известную задачу оптимального управления. Решение этой задачи определяет оптимальную траекторию перехода судна из исходного положения в требуемое . Эти расчеты могут быть выполнены непосредственно на бортовой ЦВМ, используемой при управлении движением сейсморазведочного комплекса. Общая функциональная схема системы управления приводится на рис. 7.24.

Параметры движения судна (координаты, скорость, курс) и курсовой угол заданного профиля формируются в навигационной ЦВМ. В нее поступает информация от гирокомпаса (ГК), доплеровского лага, радионавигационной системы (РНС), в том числе спутниковых РНС.

Различают два принципа построения навигационно-управляющих систем: централизованный и децентрализованный. В первом случае используют одну ЦВМ для всех задач навигационного обеспечения и управления. Во-втором случае используется распределенная вычислительная система, благодаря чему появляется возможность автономного использования отдельных модулей и более простых микропроцессорных средств, упрощается разработка программного обеспечения.

Оба варианта построения навигационных и управляющих систем используют одни и те же алгоритмы обработки информации и управления, которые рассматриваются ниже.

Информация от датчиков азимутальных углов сейсмографного кабеля поступает в управляющую ЦВМ, где с помощью алгоритма осуществляется их интерполяция по длине кабеля в соответствии с (7.45). Алгоритм на основе начальных условий (НУ), задаваемых алгоритмом позволяет рассчитать конфигурацию кабеля в соответствии с (7.41) и (7.42), а алгоритм определяет требуемое положение судна относительно заданного профиля согласно (7.43) При помощи алгоритма вычисляется требуемая коррекция траектории судна на основе текущей информации о его боковом отклонении. Корректирующая поправка вводится при отклонении судна от требуемого на величину больше граничного значения После этого на основе алгоритма формируется оптимальная программная траектория движения элементов сейсмографного кабеля. Алгоритм реализует оптимальную программную траекторию движения судна. Алгоритм обеспечивает фильтрацию и сглаживание управляемой координаты бокового отклонения судна Алгоритм реализует регулятор стабилизации судна на заданной траектории по рассогласованию наблюдаемого отклонения судна от программного и . Выходом является оптимальное желаемое изменение курса судна для движения по заданной траектории. Алгоритмы и реализуют соответственно регуляторы курса и следящей системы управления рулем.