Обоснование и разработка адаптивного алгоритма управления движением речного водоизмещающего судна на мелководье

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (кораблестроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема

Обоснование и разработка адаптивного алгоритма управления движением речного водоизмещающего судна на мелководье

Поселенов Евгений Николаевич

Нижний Новгород - 2010

Работа выполнена на кафедре Информатики, систем управления и телекоммуникаций Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Чиркова Маргарита Макаровна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Пелевин Александр Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент Токарев Павел Николаевич

Ведущая организация: ОАО «ЦНИИ «Курс», г. Москва

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГОУ ВПО «ВГАВТ».

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Кеслер А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автоматизация судовождения одна из задач, решаемых при проектировании судов. В прошлом эта задача решалась тривиально - все суда снабжались авторулевым фирмы «Аншютц», в котором был заложен классический алгоритм работы: чем больше скорость ухода судна с курса и угол отклонения от заданного направления, тем больше угол перекладки рулевого органа (поворотных насадок, рулей направления), так называемый пропорционально-дифференциальный (ПД) алгоритм управления с постоянными коэффициентами. Однако область работоспособности такого авторулевого была ограничена: его отключали при ветре, волнении, малой воде. В 80-х годах появились адаптивные авторулевые, в которых коэффициенты алгоритма подстраивались на основании прогнозов, полученных с помощью математической модели судна.

Вопросам математического описания динамики судна посвящено достаточное количество работ, авторами которых являются: Басин А.М., Войткунский Я.И., Гофман А.Д., Павленко В.Г., Першиц Р.Я., Соболев Г.В., Федяевский К.К., Шлейер Г.Э. (Острецов) и др. Сама модель до настоящего времени остается стационарной, то есть представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами. Однако, обзор работ и анализ результатов натурных экспериментов, проведенных на судах «Волгонефть», «Юрий Долгорукий» в бассейне реки Волга, показал, что управляемость подвижных объектов, а, следовательно, и значения коэффициентов математической модели, в частности речных водоизмещающих судов, зависят не только от конструкции объекта, но и от состояния внешней среды. В свою очередь, показатели качества автоматического управления определяются управляемостью объекта и особенностями алгоритма управления. При ухудшении условий плавания управляемость объекта понижается, соответственно, понижается и качество управления. Это связано с тем, что внешняя среда влияет на статические и динамические особенности судна, меняя его характеристику управляемости. Наиболее сильное влияние оказывает мелководье, так как при уменьшении запаса воды под днищем наблюдается рост сопротивления воды движению судна, и как следствие, уменьшение скорости движения.

Вопросы влияния внешних условий, в частности, мелководья, на классические инерционные характеристики судна такие как: путь, пройденный судном при пассивном и активном торможении, время разгона судна, рассматриваются в ряде работ, в том числе в работах Токарева П.Н. (ВГАВТ, Н. Новгород). Если коэффициенты авторулевого при изменении состояния внешней среды оставить неизменными, то с изменением среды резко ухудшаются все показатели качества управления: как классические, так и амплитуда угла перекладки руля, значение максимальной скорости рыскания судна, угол отклонения судна от заданного направления. Последние показатели используются в алгоритме формирования управляющего воздействия.

В настоящее время вопросами управления движением судна занимаются сотрудники института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН: Дорри М.Х., Острецов Г.Э., Тахтамышев М.Г., ФГУП НПО «Автора»: Азаров М.М., Корчанов В.М., Ляпин В.И., Миронов И.А., Серов А.Г., Хабаров В.Р.; ОАО ЦНИИ «Курс»: Довгоброд Г.М., Клячко Л.М.; концерна «ЦНИИ «Электроприбор»»: Мрыкин В.О., Пелевин А.Е.. Следует отметить работы ученых Нижегородских вузов и организаций, в том числе работы сотрудников ВГАВТа: Гурылева М.В., Дудоладова А.А., Клементьева А.Н., Манина В.М., Сатаева В.В., Токарева П.Н., Фейгина М.И., Чирковой М.М., Чернышова А.В.

В ряде работ рассматриваются вопросы проводки судна по траектории, аналитически представленной в виде полиномиальной модели не ниже пятого порядка при появлении ветра, выходе на мелководье, но без учета изменения инерционных свойств судна (Довгоброд Г.М., Клячко Л.М., ОАО«ЦНИИ «Курс», Москва).

В работах Дмитриева С.П., Пелевина А.Е. («ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург) рассматриваются проблемы управления подвижным объектом в виде двух взаимосвязанных задач - синтеза закона управления и построения фильтра для обработки навигационных измерений. Так же рассматриваются вопросы возможности использования субоптимального закона управления нелинейным объектом, учета неопределенности параметров моделей судна и возмущений и вопросы идентификации моделей.

Все рассматриваемые вопросы порождены актуальной прикладной задачей - стабилизация судна на траектории.

Проблема управления движением судна так же усугубляется тем, что из-за роста грузоподъемности водного транспорта растет класс судов, неустойчивых на заданном направлении, то есть при не переложенном руле судно уходит на правостороннюю или левостороннюю циркуляцию. Управление такими судами требует непрерывной перекладки управляющего органа. Скорости движения таких судов (при одинаковых энергетических затратах) уменьшаются, а расход энергии растет. При использовании авторулевого с постоянными коэффициентами эта величина может значительно увеличиваться.

Проведенный анализ показывает, что адаптация коэффициентов авторулевого необходима. Однако использование для этой цели информации с математической модели судна требует адаптации коэффициентов модели. А эта задача трудно реализуемая. Поэтому возникает задача параметрической адаптации ПД-алгоритма управления к изменяющимся внешним условиям без использования математической модели судна на основании информации о текущих значениях показателей качества управления.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является разработка методики изменения параметров алгоритма работы авторулевого при ухудшении качества управления при движении водоизмещающего судна в переменной среде.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) выбор и обоснование математической модели судна, используемой для отладки адаптивного алгоритма управления;

2) оценка возможности моделирования меняющихся внешних условий изменением коэффициентов математической модели, для чего необходимо оценить значения коэффициентов модели, описывающей динамику судна на разной глубине фарватера.

3) обоснование частных и обобщенных показателей качества автоматического управления, информацию о которых целесообразно использовать при решении вопроса об изменении коэффициентов алгоритма работы авторулевого;

4) разработка и отладка алгоритма изменения коэффициентов пропорционально-дифференциального закона управления.

Объектом исследования является система «судно-авторулевой».

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, численные методы. Расчеты проводились на ПК, использовались как стандартные пакеты программ: табличный процессор Excel, система MatLab, так и программы собственной разработки.

Научная новизна работы состоит в следующих, выносимых на защиту результатах:

1) предложен критерий выбора математической модели судна для разработки и отладки адаптивного алгоритма управления, основанный на определении количества особенностей объекта, которые отражает данная модель;

2) предложен новый способ моделирования состояния внешней среды путем изменения коэффициентов модели, диапазон изменения которых был определен по результатам натурных испытаний судна;

3) введено понятие чувствительности показателей качества управления к изменению состояния среды, дающее возможность обосновать выбор показателей для использования их при принятии решения об изменении коэффициентов закона управления;

4) разработан алгоритм параметрической адаптации пропорционально-дифференциального закона, основанный на информации о текущих значениях показателей качества управления.

Обоснованность и достоверность результатов:

1) для оценки адекватности математической модели судна использованы данные натурных испытаний, проведенных при различных состояниях внешней среды;

2) проверка алгоритма изменения коэффициентов авторулевого проводилась методом моделирования процесса управления на ПК с использованием обоснованной математической модели.

Практическая ценность работы заключается в:

1) в определении диапазона изменения коэффициентов математической модели судна при изменении состояния внешней среды, что позволило обосновать некорректность использования модели с постоянными коэффициентами при принятии решения;

2) в разработке методики изменения коэффициентов пропорционально-дифференциального закона управления, что позволит без изменения конструкции авторулевого расширить диапазон состояний внешней среды, допускающий автоматическое управление движением судна.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Волжской государственной академии водного транспорта.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

- на научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «Транспорт XXI век» (г. Н. Новгород, 2007 г);

- XXXIV Всероссийской конференции «Управление движением морскими судами и специальными аппаратами», ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (п. Новомихайловский, 2007 г);

- VII Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO'08 (г. Москва, 2008 г.);

- юбилейном 10-ом Международном научно-промышленном форуме «Великие реки'2008/ICEF» (г. Н. Новгород, 2008 г);

- XXXVI Всероссийской конференции «Управление движением кораблями и специальными аппаратами», ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (г. Северодвинск, 2009 г);

- Международном научно-промышленном форуме «Великие реки' 2009» (г. Н. Новгород, 2009 г.);

- на межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

- на IX международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, 2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 82 страниц текста, 46 рисунков, список литературы из 157 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проводится общий анализ проблемы, обосновывается актуальность исследований, формулируется цель работы, раскрывается научная и практическая значимость полученных результатов. Проводится краткий обзор научной литературы по темам, связанным с проблемой диссертации. Дается аннотированный обзор содержания по главам.

В первой главе обосновывается выбор математической модели судна для разработки алгоритма изменения коэффициентов закона управления и определяется диапазон изменения коэффициентов математической модели судна при изменении состояния внешней среды.

В связи с тем, что наиболее значительное изменение статических и динамических характеристик судна происходит на мелкой воде, а моделировать мелководье вводом возмущающего воздействия в дифференциальные уравнения практически невозможно, в главе проверяется возможность моделировать изменение характеристик изменением коэффициентов модели. Это позволит использовать модель с переменными коэффициентами для отладки адаптивного алгоритма управления движением судна.

В общем случае динамика подвижного объекта в пространстве состояний описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений: центра тяжести судна в системе координат, связанных с землей, и уравнений Эйлера относительно главных осей инерции объекта. Использование такой модели достаточно. Поэтому для решения многочисленных конкретных задач используют более простые математические модели (1)-(5) и некоторые другие.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

где - постоянная времени судна,

k - коэффициент, характеризующий значение установившейся скорости циркуляции в зависимости от угла перекладки руля,

₀ - скорость самопроизвольной циркуляции,

h - коэффициент модели, учитывающий нелинейные особенности судна,

в - угол дрейфа судна,

щ - угловая скорость судна,

_ угол отклонения судна от заданного направления,

б - угол перекладки руля, q₂₁, r₂₁, s₂₁, q₃₁, r₃₁, s₃₁,

h₁ _ коэффициенты, характеризующие динамику судна и меняющие свое значение при изменении внешних факторов (глубины фарватера, загрузки судна и т.д.).

В связи с большим числом предлагаемых математических моделей динамики судна, возникает задача выбора модели. За критерий выбора модели примем число, показывающее, какое количество особенностей в поведении судна (в качественном, а не количественном отношении) отражает данная модель. Из теоретических исследований и осциллограмм натурных испытаний известно, что речные водоизмещающие суда обладают рядом особенностей:

1) имеют «S»-образный вид статической характеристики и уходят на правостороннюю с угловой скоростью +₀ или левостороннюю (-₀) самопроизвольную циркуляцию, если отсутствует управляющее воздействие ( = 0) (рис. 1) Теоретическое объяснение этого явления дал в своих работах профессор Фейгин М.И.;

2) при некоторых сочетаниях координат состояния, внешней среды и управления могут попасть в область пониженной управляемости (рис. 1, 2, область А) Это явление обнаружено профессором Чирковой М.М и подтверждается результатами натурных испытаний.. Топология этой области изменяется с изменением состояния среды. Самое сильное влияние на расположение и размер этой области оказывает мелководье;

3) при управлении меньше некоторой критической величины -_кр+_кр возможность непредсказуемой реакции из-за того, что количество измеряемых координат (ц, ) меньше, чем координат состояния (ц, , );

4) возможность длительного колебательного процесса около состояния далекого от статического состояния равновесия при конкретном управлении (область В, рис 1).

Рис. 1. Статическая характеристика теплохода «Я. Свердлов», построенная по результатам натурных испытаний

Рис. 2. Статико-динамический портрет (, t) судна «Юрий Долгорукий» (время дискретизации 2 сек)

Анализ моделей (1) - (5) проводился по статико-динамическому портрету Методика проведения эксперимента для одновременной оценки статической и динамической характеристики судна разработана профессором Чирковой М.М. - изменении координаты состояния судна (t) с изменением положения пера руля (t) по закону, представленному на рис. 3. Координаты (t), (t) фиксировались в дискретные моменты времени, с шагом дискретизации 2 сек и строились на плоскости статической характеристики щ - б.

Рис. 3. Закон изменения управляющего воздействия и возможный вид СД-портрета

На рис. 4 даны переходные процессы, рассчитанные с помощью модели (5) при <_кр и различных значениях неизмеряемой координаты , что подтверждает возможность неоднозначной реакции на управление (особенность 3).

На рис. 5 представлен статико-динамический портрет модели (5), отражающей наибольшее количество особенностей судна. На портрете видны: область пониженной управляемости - область «А» (особенность 2); область нормальной реакции на изменение - область «Б» и выход на установившийся режим _уст = f() - область «В», тем самым, просматривается «S»-образность статической характеристики и наличие скорости самопроизвольной циркуляции ₀ (особенность 1).

адаптивный управление авторулевой водоизмещающий судно



Рис. 4. Переходный процесс при = 5 (_кр = 7) и разных начальных значениях неизмеряемой координаты, а) (0) = 0.1; б) (0) = -0.1

Рис. 5. Статико-динамический портрет, полученный с помощью модели (5)

Таким образом, для дальнейших исследований использовалась модель (5), которая отражает 3 из указанных особенностей поведения реального судна. Число особенностей, которые отражают модели 1-4 соответственно равно 0, 1, 1, 0.

Для оценки диапазона изменения коэффициентов модели при переходе с глубокой воды на мелкую были использованы данные с осциллограмм натурных испытаний судна «Волгонефть 71», проведенных в бассейне реки Волга.

Ввиду того, что исходные данные отражают статику судна и при проведении испытаний запись велась только для координат б(t) и щ(t), то от системы уравнений (5) перейдем к уравнению статики в виде

(6)

Формула для расчета одного из коэффициентов модели судна - s₃₁, характеризующего динамику, была получена из второго уравнения системы (5)

(7)

Для приближенной оценки коэффициента s₃₁ в момент перекладки руля значения и можно считать бесконечно малыми величинами. Таким образом, выражение для расчета s₃₁ принимает вид:

(8)

Для расчета остальных шести коэффициентов использовались осциллограммы испытаний, проведенных при различных внешних условиях (F_i, i = 1,2,3,4). На каждом участке были выделены точки с установившимися _ij, _ij, значения которых подставлялись в (6). Таким образом, для каждого состояния внешней среды (F_i) получили систему из шести уравнений вида:

, (9)

где i - состояние среды (F₁-F₄),

j (1-6) - набор выбранных точек для различных перекладок руля (_ij, _ij) и конкретного состояния среды,

_ij - установившееся значение угловой скорости поворота судна при =_ij и F=F_i, N_ij - величина невязки.

Методом перебора были найдены такие значения гидродинамических коэффициентов q_i, r_i, s_i, h_i, которые обеспечивают минимум функции

.(10)

Таким образом, были найдены наборы коэффициентов для каждой из рассматриваемых сред. Значения коэффициентов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Значения гидродинамических коэффициентов

	q21	r21	s21	h1	q31	r31	s31
Запись 1	-0.044	0.029	-0.0020	0.056	-0.135	0.096	-0.0018
Запись 2	-0.048	0.010	-0.0008	0.118	-0.155	0.110	-0.0005
Запись 3	-0.044	0.026	-0.0014	0.063	-0.175	0.130	-0.0020
Запись 4	-0.066	-0.021	-0.0007	0.376	-0.127	0.083	-0.0008

Ввиду того, что данные во время натурных испытаний записывали с некоторой погрешностью, состояние внешней среды на отдельных участках фиксировалось качественно и расчет коэффициентов производился с достаточно грубой невязкой, встает задача «сдвижки» коэффициентов, чтобы соотнести «запись» и «внешнюю среду» и, тем самым, определить последовательность изменения коэффициентов для моделирования процесса перехода с глубокой на мелкую воду. Для этого четыре значения коэффициента q₂₁ (в принципе, любого) расположили так, чтобы их можно было связать гладкой зависимостью (коэффициент = f(среда)) (рис. 6). Оказалось, что и по другим коэффициентам «гладкость» характеристик наблюдались при таком же расположении участков осциллограмм.

Во второй главе показано, что модель (5) при изменении ее коэффициентов меняет статические и динамические характеристики, аналогично тому, как внешняя среда меняет характеристики судна.

На рис. 7 приведены статические характеристики судна «Волгонефть 71», построенные для полученных наборов коэффициентов модели, дополнительно нанесены точки, координаты которых взяты из результатов натурных испытаний.

Рис. 6. Зависимость коэффициентов от состояния внешней среды («Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

» - рассчитанные, «*» - ожидаемые значения)

Рис. 7. Характеристики управляемости судна «Волгонефть» при различных внешних условиях по результатам математического моделирования. «*» - данные результатов натурных испытаний

Согласно полученным результатам (рис. 7), состояние внешней среды значительно влияет на вид характеристики управляемости и, соответственно, на ее основные показатели _кр и ₀: 0.1?_кр ?7, 0.2?₀?0.4/с и размер области пониженной управляемости.

Таким образом, изменение динамики судна на мелководье можно моделировать изменением коэффициентов математической модели.

В третьей главе проводится анализ частных и обобщенных показателей качества процесса управления движением судна авторулевым с постоянными и оптимальными, настраиваемыми вручную для каждой среды, коэффициентами K₁, K₂.

Для моделирования процесса управления использовалась модель судна (5) и модели авторулевого и привода руля. Изменение внешней среды моделировалось периодическим изменением коэффициентов модели (см. табл. 1).

(11)

где U - управляющее воздействие на рулевой привод от авторулевого (задание на перекладку руля),

К_рм, Т_рм - коэффициенты модели рулевой машины, учитывающие ее усилительные и инерционные свойства,

К₁ и К₂ - коэффициенты алгоритма управления.

Для оценки качества автоматического управления использовались частные показатели _i: n - количество перекладок руля в минуту, Т - период рыскания на заданном направлении, _max - максимальное значение перекладки руля, _max - максимальное значение угловой скорости рыкания, _max - максимальное значение угла отклонения судна от курса.

При моделировании режима удержания судна на курсе рассматривались две ситуации:

1) коэффициенты авторулевого (К₁, К₂) оставались постоянными для всех F_i и равными оптимальным значениям, найденным для идеальной среды (F₁)(ситуация 1);

2) для каждой среды вручную выставлялись оптимальные значения К₁ и К₂, обеспечивающие наилучшие показатели качества (ситуация 2).

Зависимость частных показателей (_i) от F представлена на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость показателей _i от состояния внешней среды:

«*» - коэффициенты авторулевого постоянные (ситуация 1),

«Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

» _ коэффициенты оптимальные (ситуация 2)

Выбор того или иного показателя для использования его в алгоритме адаптации параметров авторулевого проводился по коэффициентам, оценивающим величину изменения показателей качества процесса управления судном на изменение среды, которые в дальнейшем называются «коэффициенты чувствительности». Коэффициенты чувствительности рассчитывались по формуле (12), значения их даны в табл. 2.

(12)

Таблица 2

Значения коэффициентов чувствительности частных показателей _i

Ki / ситуации	K	K	K	Kn	KT
ситуация 1	14	27	10.4	3.4	3.4
ситуация 2	3	3	2.5	3	3

Наиболее чувствительными к изменению среды оказались показатели _max, _max, которые претендуют быть основными при принятии решений для изменения коэффициентов авторулевого.

Параллельно велась оценка процесса по обобщенным показателям:

, (13)

, (14)

где с₁, с₂, d₁, d₂, d₃ _ весовые коэффициенты, значения которых определялись желаемым вкладом каждого частного показателя в обобщенный.

В данной работе вклад и в J1 считался равнозначным. Вклады _max, _max, 1/T в обобщенный показатель J2 были приняты: 50%, 35%, 15%. Значения весовых коэффициентов рассчитывались из условия: при глубокой воде J1 = 1, J2 = 1. При данных условиях получены следующие значения весовых коэффициентов

с₁ = 1.9, с₂ = 0.7, d₁ = 20, d₂ = 5, d₃ = 0.4

Второй показатель качества J2 был выбран исходя из практики судовождения. Так при управлении судном от авторулевого, судоводитель отключает его не только по признаку увеличения углов и , но и при увеличении угловых скоростей и ускорений, информация от этих датчиков поступает раньше, чем от гирокомпаса и датчика положения руля (на 15 - 50 сек).

На рис. 9 представлены зависимости показателей J1 и J2 от состояния внешней среды. График помеченный «*» построен при постоянных коэффициентах авторулевого (ситуация 1), «Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

» _ коэффициенты оптимальные (ситуация 2). Коэффициенты чувствительности для обобщенных показателей даны в табл. 3.

Рис. 9. Зависимость обобщенных показателей J1 и J2 от состояния внешней среды

Таблица 3

Значения коэффициентов чувствительности обобщенных показателей

	KJ1	KJ2
ситуация 1	17.5	10.1
ситуация 2	2	1.2

Таким образом, проведенный анализ показывает, что оценка ситуации для принятия решения об изменении коэффициентов авторулевого целесообразно проводить по обобщенному показателю J1. Однако, информацию с датчика угловой скорости получают раньше, чем информацию с датчика указателя руля и гирокомпаса об угле отклонения судна от курса (как указывалось выше, выигрыш во времени может составить от 15 до 50 сек.), поэтому в работе использовался показатель J2.

В четвертой главе представлен алгоритм изменения коэффициентов закона управления, реализованный в авторулевом, по оценкам текущих значений обобщенных показателей качества управления. Предварительно был проведен анализ пространства параметров авторулевого К₁ и К₂. с целью построения линий равных уровней показателя J2.

Анализ показал, что при ухудшении условий плавания точка оптимальной настройки при глубокой воде (рис. 10, а т. А) должна сместиться вверх (т. В, рис. 10, б), то есть основная настройка параметров авторулевого должна проводиться по коэффициенту К₂ и дополнительная настройка по незначительному изменению коэффициента К₁.

Программа изменения коэффициента К₂ пропорционально-дифференциального закона управления состоит из нескольких блоков.

Блок 1. Опрос датчиков и получение информации о возможности проведения оценки частного и обобщенного показателей качества.

Блок 2. Оценка направления изменения коэффициента К₂: продолжаем изменение коэффициента в том же направлении, изменяем знак шага на противоположный, делаем пробный шаг в сторону увеличения коэффициента, оставляем коэффициент без изменения.

Блок 3. Расчет нового значения коэффициента К₂ и перенастройка алгоритма управления авторулевого.

а б

Рис. 10. Линии равных уровней показателя качества управления а) - при F₁, б) - при F₄

На рис. 11 и 12 даны блок-схемы программ изменения коэффициента авторулевого по оценкам текущих значений показателей качества управления.



Рис. 11. Блок-схема программы изменения коэффициентов авторулевого по оценкам текущего значения показателей качества управления

Рис. 12. Блок-схема программы оценки текущих показателей качества процесса управления

На рис. 13 даны осциллограммы процесса управления судном (а - без изменения коэффициентов, б - с изменением коэффициентов).

а)

б)

Рис. 13 Осциллограммы управления судном от авторулевого а) без адаптации, б) с адаптацией параметров алгоритма управления

Таким образом, разработанный алгоритм изменения коэффициента авторулевого по оценкам текущего значения показателей качества управления может быть использован в качестве подпрограммы для реализации адаптивного алгоритма управления.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложениях приведены тексты программ, разработанных для решения поставленных задач и копии осциллограмм натурных испытаний.

На защиту выносятся:

1. Критерий выбора математической модели судна, используемой для разработки алгоритма изменения коэффициентов закона управления и основанный на определении количества особенностей объекта, которые отражает данная модель.

2. Способ моделирования состояния внешней среды изменением коэффициентов модели судна, для чего был определен диапазон изменения коэффициентов при изменении состояния внешней среды.

3. Методика выбора показателей качества управления по их чувствительности к изменению внешней среды или по времени поступления информации от датчиков.

4. Алгоритм изменения коэффициентов классического ПД-алгоритма авторулевого, основанный на информации о текущих значениях показателей качества управления.

Основные результаты диссертационной работы

1. Предложена методика выбора математической модели судна для разработки алгоритма изменения коэффициентов (К₁, К₂) закона управления, основанная на полноте описания особенностей поведения судна той или иной моделью. За основные особенности взяты следующие: способность при отсутствии управления выходить на лево или правостороннюю самопроизвольную циркуляцию; при некоторых сочетаниях координат состояния, внешней среди и управления попадать в область пониженной управляемости; неоднозначно реагировать на управляющее воздействие (когда оно меньше некоторой критической величины) из-за наличия неизмеряемой координаты состояния.

2. В связи с тем, что наиболее значительное изменение статических и динамических характеристик судна происходит на мелкой воде, а моделировать мелководье вводом возмущающего воздействия в дифференциальные уравнения практически невозможно, в работе предложен новый способ моделирования состояния внешней среды путем изменения коэффициентов модели. Это позволит использовать модель с переменными коэффициентами для отладки адаптивного алгоритма управления движением судна.

3. По анализу осциллограмм натурных испытаний был определен диапазон изменения коэффициентов математической модели для моделирования динамики судна на глубокой и мелкой воде.

4. Введен коэффициент, оценивающий величину изменения показателей качества процесса управления при изменении среды. Это дает возможность обосновать выбор показателя для использования его при принятии решения об изменении коэффициентов закона управления.

5. В работе показано, что выбор показателя качества управления может осуществляться как по величине изменения показателя, так и по времени получения этой информации.

6. По анализу линий равных уровней выбранного показателя обосновано, что основная настройка алгоритма управления должна проводиться по коэффициенту К₂.

7. Разработан алгоритм параметрической адаптации пропорционально-дифференциального закона, основанный на информации о текущих значениях показателей качества управления.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Поселенов, Е.Н. Математические модели для испытания алгоритмов управления курсом речного судна [текст] / Е.Н. Поселенов, А.В. Преображенский // Сборник трудов XV Симпозиума «Динамика виброударных сильно нелинейных систем». - Москва, Звенигород, 2006. - С. 236-238.

2. Поселенов, Е.Н. Оценка влияния внешней среды на управляемость судна по характеристикам идентифицированных моделей [текст] / Е.Н. Поселенов, А.В. Преображенский // Труды конгресса международного научно-промышленного форума «Великие реки' 2007». - Н. Новгород, 2007. - С. 234-235.

3. Гаврилова, Т.И. Оценка влияния внешней среды на область устойчивости в плоскости параметров авторулевого [текст] / Т.И. Гаврилова, Е.Н. Поселенов, М.М. Чиркова // Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «Транспорт XXI век». - Н.Новгород, 2007. - С. 66-69.

4. Поселенов, Е.Н. Выбор математических моделей для испытаний алгоритмов управления подвижным объектом (речным судном) [текст] / Е.Н. Поселенов, А.В. Преображенский // Труды VII международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», РАН, Москва, Институт проблем управления им. В.А. Тропезникова. - Москва, 2008. - С. 731-737.

5. Поселенов, Е.Н. Связь области устойчивости при автоматическом управлении движением судна с его главными размерениями [текст] / Е.Н. Поселенов, Т.И. Гаврилова, М.М. Чиркова // Труды VII международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», РАН, Москва, Институт проблем управления им. В.А. Тропезникова. - Москва, 2008. - С. 723-730.

6. Гаврилова, Т.И. Связь главных размерений судна с параметрами алгоритма автоматического управления его движением [текст] / Т.И. Гаврилова, Е.Н. Поселенов, М.М. Чиркова // Юбилейный 10-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки'2008/ICEF»: генеральные доклады, тезисы докладов. - Н. Новгород, 2008. С. 310-313.

7. Поселенов, Е.Н. Определение диапазона изменения гидродинамических коэффициентов модели судна по результатам натурных испытаний, проведенных при различных внешних условиях [текст] / Е.Н. Поселенов, М.М. Чиркова // Сборник трудов с докладами и тезисами конференции. - Москва, ИПУ РАН, 2009. - С. 201-205.

8. Поселенов, Е.Н. Cравнение областей допустимых состояний внешней среды при автоматическом и ручном управлении движением судна [текст] / Е.Н. Поселенов, М.М. Чиркова // Труды конгресса международного научно-промышленного форума «Великие реки' 2009». - Н. Новгород, 2009. - Том 2. - С. 102-105.

9. Поселенов, Е.Н. Обоснование показателя качества управления, используемого для адаптации параметров авторулевого [текст] / Е.Н. Поселенов // Материалы Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». - Санкт-Петербург, 2010. - С. 209-213.

10. Чиркова, М.М. Способ подстройки параметров авторулевого [текст] / М.М. Чиркова, Е.Н. Поселенов // Тезисы докладов IX Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". - Н. Новгород, 2010. - С. 236-237.

Работа, опубликованная в журнале «Информационно-измерительные и управляющие системы», включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ.

11. Поселенов, Е.Н. Обоснование интеллектуального алгоритма управления и показателя качества управления неустойчивым на курсе объектом [текст] / Е.Н. Поселенов, М.М. Чиркова, Т.И. Гаврилова // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2010. - Вып. №2. - С.16-19.

Размещено на Allbest.ru