close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Идентификация нелинейной модели движения судна и адаптивное управление по траектории

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Бурылин Ярослав Васильевич
ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА
И АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО ТРАЕКТОРИИ
Специальность: 05.22.19 – Эксплуатация водного транспорта,
судовождение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
г. Новороссийск – 2018
Работа выполнена в ФБГОУ ВО «Государственный морской университет
имени адмирала Ф.Ф.Ушакова».
Научный руководитель:
профессор кафедры «Судовождение» ФБГОУ
ВО «Государственный морской университет
имени адмирала Ф.Ф.Ушакова», доктор
технических наук, профессор Васьков Анатолий
Семенович.
Официальные оппоненты:
профессор кафедры " Судовождения и
безопасности судоходства", доктор технических
наук, профессор Тихонов Вадим Иванович
(ФГБОУ ВО "Волжский государственный
университет водного транспорта");
доцент
кафедры "Навигации",
кандидат
технических наук, доцент Дерябин Виктор
Владимирович (ФГБОУ ВО «Государственный
университет морского и речного флота имени
адмирала С.О. Макарова»).
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Морской Государственный
Университет имени адмирала
Г.И.Невельского».
Защита состоится _________ в _____ на заседании диссертационного совета
Д.223.007.01
при
Федеральном
бюджетном
государственном
образовательном учреждении высшего образования «Государственный
морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» в аудитории Б1по
адресу: 353918, г.Новороссийск, пр. Ленина, 93.
С
диссертацией
можно
ознакомиться
в
библиотеке
ФБГОУ
ВО
«Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»
(г.Новороссийск, пр. Ленина, 93) и сайте www.aumsu.ru.
Автореферат разослан _________.
Ученый секретарь диссертационного совета Д.223.007.01
доктор технических наук, профессор
Е.В. Хекерт.
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования. Многочисленные исследования в
области судовождения свидетельствуют о том, что обеспечение безопасности
мореплавания, как совокупности методов оптимального управления судном,
является первостепенной задачей со времен первых мореплавателей.
Современные технические средства управления судном, навигации,
радиокоммуникации и автоматизации судовождения находятся в стадии
непрерывного совершенствования. Несмотря на существенный прогресс в
точности определения координат места судна и его кинематических
параметров,
процессы
управления
движением
судна,
в
том
числе
автоматического, требуют дальнейшего исследования и совершенствования.
Среди
предпосылок,
способствующих
заниматься
проблемами
автоматизации судовождения можно выделить несколько основных.
Аспект безопасности мореплавания. Увеличение судопотока, особенно
в прибрежных стесненных водах ведет за собой неизбежное усложнение
задач судовождения. Повышение эффективности систем удержания судна на
курсе
или
траектории,
адаптивных,
самонастраивающихся
систем,
оптимально выбирающих математические модели судна под конкретную
ситуацию, систем прогнозирования движения судна, в соответствии с
текущими условиями окружающей среды и состояния судна, предполагает
закономерное снижение рисков аварийных случаев в судовождении.
Человеческий элемент. Поддержка или исключение оператора из
процесса управления на стадии сбора, обработки и систематизации
информации по окружающей обстановке, в процессе планового удержания
судна на заданной траектории или курсе, при прогнозировании движения и
навигационной
обстановки,
существенно
повышает
эффективность
реализации человеческого ресурса в море. Разрабатываемая IMO концепция
Е–навигации
предполагает
возможность
дистанционного
контроля
и
управления движением судов удаленным оператором. Такое управление
требует создание эффективных автоматических систем управления (САУ)
движением судов.
Степень разработанности проблемы исследования. Проблемам
задания маршрута движения подвижных объектов и судна, автоматического
управления
по
заданным
траекториям
посвящены
многочисленные
отечественные и иностранные исследования.
Исследованию
математических
моделей
движения
судов
и
практическим вопросам управления и маневрирования судном в различных
условиях
посвящены
А.Д.Гофмана,
работы:
Л.Л.Алексеева,
В.А.Лобанова,
Я.И.Войткунского,
С.И.Кондратьева,
В.А.Корнараки,
В.И.Снопкова, Н.В.Соларева, В.И.Тихонова, Ю.И.Юдина, K.G.Aarsæther,
J.Artyszuk, M.C.Armstrong, C.B.Barrass, К.Nomoto, N.H.Norrbin, и др.
Исследованию процессов автоматизации судовождения построению
интеллектуальных, адаптивных систем управления посвящены работы
Л.Л.Вагущенко,
А.С.Васькова,
Ю.А.Лукомского,
Е.И.Веремея,
А.А.Мироненко,
В.А.Логиновского,
А.И.Родионова,
А.Е.Сазонова,
Д.А.Скороходова, С.В.Смоленцева, Н.Н.Цымбала, A.Aguiar, K.J.Äström,
T.I.Fossen, K.Hasegawa, A.Pascoal, T.Perez, A.J.Sorensen, и др.
Концепция построения адаптивных нелинейных регуляторов при
современных условиях судоходства требует расширения и дополнения.
Целью диссертации является разработка методов идентификации
моделей
движения
судна,
автоматической
адаптации
процессов
идентификации для управления судном в различных условиях эксплуатации
по заданным программным траекториям.
Для этого исследуются и решаются следующие задачи построения
систем автоматического управления его движением:
1. Анализ методов, принципов и структур систем автоматического
управления движением судна. Выбор модели поступательно–вращательного
движения судна для САУ по криволинейной траектории.
2. Разработка технологий идентификации математических моделей
движения
судна.
Формирование
специальных
маневров
судна
для
идентификации
уравнений
нелинейных
математических
моделей
его
движения.
3. Разработка
технологий
текущей
идентификации
нелинейных
математических моделей в процессе движения судна на основе измерений и
оценок вектора состояния адаптивным наблюдателем.
4. Выбор структуры и методов адаптивной автоматической настройки
параметров системы управления судном по траектории.
Объект
исследования
–
совокупность
методов
и
средств
автоматического адаптивного управления движением судна по программным
траекториям.
Область исследования – разработка математических моделей и
методов автоматических адаптивных систем навигации и управления судном
в различных условиях эксплуатации.
Научная
новизна
диссертации
заключается
в
совокупности
теоретических и прикладных положений, развивающих технические и
технологические
решения
в
области
автоматизированных
систем
судовождения:
1. Методика
взаимосвязных
и
технологические
линейных
и
нелинейных
решения
идентификации
математических
моделей
поступательно–вращательного движения судна на основе специальных
маневров.
2. Адаптивный линейный наблюдатель оценки вектора состояния
нелинейной
математической
модели
движения
судна
для
текущей
идентификации в процессе управления.
3. Методика и технологические решения адаптивного нелинейного
управления судном по программной траектории, с учетом способа ее
задания.
Теоретическая значимость полученных результатов заключается в
создании современных научных технологий идентификации линейных и
нелинейных математических моделей движения судна, формирования
программных траекторий движения для различных условий плавания,
построения адаптивных систем управления судном по траектории с
наблюдателем параметров движения, а именно:
-
установление
причинно-следственных
связей
кинематических
параметров движения судна от силовых воздействий;
- обоснование современных научных технологий идентификации
линейной
и
вращательного
нелинейной
движения
математических
судна
на
моделей
основе
поступательно-
специальных
маневров,
расширяющих границы применимости полученных результатов;
- модернизация математических моделей и алгоритмов формирования
программных траекторий движения судна, обеспечивающих получение
новых результатов для построения систем управления;
- изложение и исследование новых положений построения линейного
наблюдателя для оценки параметров нелинейных математических моделей.
Практическая значимость диссертации заключается в доведении
исследований до уровня алгоритмической реализации, что может служить
основой
для
методик,
алгоритмов
и
программного
обеспечения
проектирования судовых автоматизированных навигационных комплексов и
береговых СУДС, систем управления другими видами транспорта. Это
подтверждается результатами моделирования.
Методология и методы исследования. Основой теоретических и
прикладных исследований диссертации являются:
- результаты и достижения автоматизации процессов навигации и
управления судном;
- общая теория управления, в том числе идентификации, адаптивного,
нелинейного и робастного управления;
- компьютерные методы обработки и моделирования процессов
маневрирования судов с помощью программ и языков программирования:
MATLAB, Simulink, Visual Basic, c++.
Положения, выносимые на защиту:
1. Взаимосвязная нелинейная модель поступательно–вращательного
движения для САУ судном по криволинейным траекториям.
2. Технологические и решения идентификации математической модели
движения судна по специальным маневрам и в процессе управления по
текущим
измерениям
и
оценкам
вектора
состояния
адаптивным
наблюдателем.
3. Методика построения адаптивного автоматического управления
неустойчивым на курсе судном по различным типам траекторий.
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии в
получении исходных теоретических данных, научных экспериментах,
апробации
результатов
экспериментальных
исследования,
данных,
подготовке
обработке
основных
и
интерпретации
публикаций
по
выполненной работе.
Степень достоверности результатов исследования подтверждена:
- современными методами сбора, обработки экспериментальных
стандартных маневров, маневров судна в портовых водах и на подходах к
ним, полученным на сертифицированном оборудовании (GNSS, ECDIS, AIS,
СУДС);
-
теорией,
судовождения,
согласуются
построенной
математических
с
на
известных
моделях
опубликованными
традиционных
движения
результатами
судна,
методах
которые
моделирования
и
экспериментальными данными по теме диссертации;
- сравнением авторских результатов с результатами, представленными
в
экспериментах
и
независимых
источниках
по
данной
тематике,
качественным и количественным их совпадением.
Апробация результатов работы. Результаты диссертации относятся к
Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в
Российской Федерации (РФ) (7. Транспортные и космические системы),
Перечню критических технологий РФ (13.Технологии информационных,
управляющих,
навигационных
систем,
23.Технологии
создания
высокоскоростных транспортных средств и интеллектуальных систем
управления новыми видами транспорта), стратегическому плану E–
Navigation, одобренному 17–21 ноября 2014 г на 94 Сессии Комитета по
безопасности на море (MSC) Международной морской организации (IMO)
(MSC 85/26/Add.1, NCSR 1/28):
- подтверждены зарегистрированной в ФГУ ФИПС программе для
ЭВМ «Модель движения судна и конфигурации зоны навигационной
безопасности» (№2006612643);
- внедрены в НИР кафедры Судовождения ГМУ им. адм. Ф.Ф.Ушакова:
Перспективные технологии алгоритмизации и оптимизации процессов
навигации и управления судном (№ГР115021010120);
- основные положения диссертационной работы и ее отдельные
результаты докладывались на конференции: Компьютерное моделирование
(КОМОД 2017), Санкт–Петербург.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8
работах, в том числе, 6 статьях, 5 из которых в изданиях, рекомендованных
ВАК РФ, 1 отчете по НИР, 1 зарегистрированной в ФГУ ФИПС программе
для ЭВМ.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации 132 страницы
включает: содержание 2 страницы, введение 6 страниц, список сокращений 1
страница, 4 раздела 110 страниц, заключение 2 страницы, список литературы
из 116 наименований 11 страниц, 55 иллюстраций и 11 таблиц.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы
цели, основные задачи и новизна диссертации, выделены основные
положения, выносимые на защиту, кратко изложены основные результаты,
показана их теоретическая и практическая ценность.
В первой главе произведена классификация математических моделей
движения судна, широко использующихся при анализе и компьютерном
моделировании множества кинематических процессов эксплуатации судна.
Ставится
задача
разработки
взаимосвязной
математической
модели
движения судна для построения САУ судном применительно к таким
условиям эксплуатации судна, когда вращательное движение преобладает
над поступательным и углы дрейфа достигают значительных величин, как,
например, при подходе судна к портовым сооружениям и постановке к
причалу.
На основании существующих нелинейных математических моделей
поступательного и углового движений судна в горизонтальной плоскости
была получена модель, учитывающая взаимное влияние движений во
взаимосвязи с работой движительно-рулевого комплекса. Такую зависимость
предлагается
аппроксимировать
через
коэффициент
передачи
по
управляющему воздействию, который представляется пропорциональной и
экспоненциальной функциями от линейной скорости движения судна
относительно воды и частоты вращения винта и таким образом осуществляет
взаимосвязь поступательного и вращательного движений судна




3
T
T
ω

(
T

T
)
ω

ω

c
ω
|
ω
|

c
ω

k
(
δ

T
δ
);
1
2
1
2
2
3
s
3



ρ
2
2
(m  λ11)  χ ω (m  λ 22 ) Lω  A0C X   χ n n;
2

α3
k s  1   2 ne ,

(1)
где n, χn – частота вращения винта и коэффициент влияния упора винта на
продольную скорость;
β1, β2, α3 – настраиваемые коэффициенты;
ω – угловая скорость судна относительно вертикальной оси.
m, λij – масса и присоединенные массы судна;
T1, T2, T3, δ – постоянные времени судна и угол перекладки руля;
с2, с3 – коэффициенты, определяющие влияние нелинейных компонент;
ks – коэффициент передачи по управляющему воздействию, с–1;
χω– коэффициент влияния угловой скорости на продольную скорость;
CХ – коэффициент тангенциальной силы корпуса;
L – длина судна по действующей ватерлинии;
ρ, А0, NE – плотность воды, площадь диска винта и тяга движителя.
Предлагается использовать модель (1) в качестве эталонной для
построения САУ судном по сложной криволинейной траектории в
ограниченных
акваториях
при
больших
углах
дрейфа
и
малой
поступательной скорости.
Дается анализ свойств модели движения судна (1), ставится задача
разработки технологических решений ее идентификации ввиду того, что
качество управления в САУ с эталонными моделями напрямую зависит от
точности их идентификации.
На основании систематизации методов построения адаптивных систем
управления (АдСУ)
и авторулевых предлагаются принципы обобщенной
схемы действия АдСУ судном, рисунок 1.
Рисунок 1 - Структурная
схема АдСУ судна:


 , A – оценки вектора
состояния и параметров мат.
модели; N, P – помехи
окружающей среды и
измерений;
X, Xp, Xm – вектор состояния
судна, заданный вектор, вектор
модели; ΔХ – отклонение
текущего вектора состояния
судна от заданного; Xlim, Ulim –
предельные значение векторов
состояния и управления;
U, Y – вектора управления и
измерений;
Uop, Uc – вектора
оптимального и ручного
управления.
Система обработки информации (СОИ) от датчиков (ДИ) под
контролем судоводителя (СВ) поставляет данные в систему идентификации
(СИ) для вычисления коэффициентов модели (1) в систему оценки (СО)
полного вектора состояния, формирования адаптивной прогнозирующей
модели (АПМ) и модели программного движения (МПД) судна. По
отклонениям АПМ и МПД система оптимального управления (СОУ)
вырабатывает сигнал управления на судно.
Во второй главе на основании свойств линейных и нелинейных
математических моделей движения судна Номото, составляющих основу
модели (1), разработана специальная последовательность маневров, рисунок
2, доставляющих судно в особые точки его пространства состояния:




(t1 )  0; (t1 )  0; (t1 )  0; (t1 )  0; (t1 )  0; (t2 )  0; (t2 )  0; (t2 )  0;




(t3 )  0; (t3 )  0; (t4 )  0; (t4 )  0; (t4 )  0; (t4 )  0,
где ti – моменты времени в процессе маневрирования.
Рисунок 2 - Идентификационный маневр.
(2)
Уравнения математической модели судна (1) в моменты времени ti
вырождаются
специальным
образом,
позволяющим
определить
коэффициенты модели с минимальным взаимным влиянием погрешностей их
вычисления, таким образом, повышая качество идентификации.
Результаты моделирования показывают, что погрешности измерения
угловой скорости значительно влияют на точность идентификации, за счет
экспоненциального возрастания погрешностей вычисления первой и второй
производных
угловой
скорости
ее
численным
дифференцированием.
Поэтому предлагается способ минимизации погрешностей численного
дифференцирования угловой скорости судна аппроксимацией функцией
Гаусса сигнала первой производной угловой скорости, рисунок 3, и
последующего ее дифференцирования для получения второй производной,
рисунок 4:
2
G ( x)   a e
i 1
g
i
 x b g
 g i
 c
 i




2
;
d (G ( x)) 2 2aig (big  x)e

dx
(cig ) 2
i 1
 x b g
 g i
 c
 i
где aig , big , cig – коэффициенты, определяющие характер кривой.
Рисунок 3 - Аппроксимация
первой производной угловой
скорости кривой Гаусса второго
порядка в момент t1:
1 – зашумленный сигнал,
2 – аппроксимирующая кривая
Гаусса.
Рисунок 4 - Аппроксимация второй
производной угловой скорости:
1 – аппроксимирующая линия, 2 –
исходный сигнал, 3 – численное
дифференцирование.
2



,
(3)
В результате такой обработки моделирование показывает малые
отклонения выходов идентифицированной модели от выходов исходной
модели, рисунок 5.
Рисунок 5 - Моделирование по идентифицированным данным:
1 – настраиваемая модель, 2 – исходная модель.
Для
процессов
адаптации
предлагается
способ
идентификации
математической модели движения судна Номото второго порядка в режиме
реального времени в процессе эксплуатации судна по текущим измерениям
его кинематических параметров на основании метода наименьших квадратов:
A    H ;
 

 1 1 1 




      ;
 

   
 L L L 
  (T  )1  T ;
A  [a b1 d ]T ;
(4)
  
 1 
 
 
T T
1
k
H    ; a   1 2 ; b1  
; d s .
T1T2
T1T2
T1T2
  
 
 L 
где L – количество измерений вектора состояния судна, используемое для
идентификации математической модели в данный момент.
Моделирование идентификации показывает значительное влияние
погрешностей измерения угловой скорости и вычисления ее производных,
рисунок 6. Поскольку предварительная аппроксимация и сглаживание
измеряемых кинематических параметров невозможна в режиме реального
времени.
Рисунок 6 - Коэффициенты модели при идентификации МНК
зашумленных данных без предварительной обработки.
В этой связи разработана структура наблюдателя на основе фильтра
Калмана для линейной модели Номото второго порядка, непрерывно
оценивающего данные в процессе движения судна для минимизации
погрешностей измерения угловой скорости и вычисления ее производных. В
результате идентифицируемые коэффициенты имеют более стабильный
характер, рисунок 7, и моделируемое движение с заданной точностью
совпадает с исходным. Настраиваемая модель может быть использована в
качестве эталонной модели для систем управления курсом судов.
Рисунок 7 - Результаты непрерывной идентификации линейной модели с
наблюдателем.
Наблюдатель обладает адаптивными свойствами в связи с тем, что
минимизирует
среднее
квадратическое
отклонение
оценок
вектора
состояния, а его ковариационные матрицы настраиваются в соответствии с
непрерывно идентифицируемыми коэффициентами математической модели в
процессе движения судна,
В третьей главе на основе линейного фильтра Калмана разработана
структура
адаптивного
наблюдателя
для
оценки
зашумленных
кинематических параметров движения судна в процессе эксплуатации,
способная учитывать нелинейности расширенной модели (1). Адаптивность
наблюдателя подтверждается минимизацией отклонения оценок вектора
состояния модели и непрерывной подстройкой ковариационной матрицы в
соответствии с результатами текущей идентификации. Для этого модель (1)
после дифференцирования представляется в форме пространства состояний,
в которой все нелинейности агрегируются в вектор управления системы
 
x(t )  A(t ) x(t )  B(t )u (t )  G(t ) w(t );

 y (t )  C (t ) x(t )  D(t )u (t )  H (t ) w(t )  v(t );

(5)

x  x1 x2 x3 x4 x5  ; u  u1 ... u19  ;   x1  x2 ;
T

T

  x 2  b1 x1  ax2  b2sign ( x1 )u4  b3u5  b4u7  b5u9  b6u8  b7u10;


  x3  b1 x2  ax3  2b2 sign( x1 )u14  3b3u16  b4 (u8  u11)  b5 (u10  3u9  u12 )  b6u17  b7 (u18  3u19 );




  x 4  fu 4  gu6  hu3 ;   x 5  2 fu14  2 gu15  hu13 ;

u1  ;
u2  ;
u3  n;
u6   2 ;
u7  ;
u8   ;
u11   ;
u12  n e 3 ; u13  n;



 
u16  2 ; u17   ;
f 


u5  3 ;


u9   ne 3 ; u10  n  e 3 ;


u14   ;
 
 
u15   ;
u18  n  e 3 ; u19    e 3 ;
 (m   22 ) L
A0C X
n
; g
; h
;
m  11
2(m  11)
m  11
1
2
1T3
 2T3
c3
;
T1T2
b4 
0 0 0 0
0
0 0 0 0
0
0
0 0 0
0 0 b2 sign ( x1 ) b3 0 b4 b6
b5
b7 0 0 0
0
0
0 0 0
b2  
0
0

B  0

0
0
u 4  2 ;
00
c2
;
T1T2
0
b3  
T1T2
; b5 
T1T2
; b6 
T1T2
; b7 
T1T2
00
0
0 0 0 b4  b5  3 b5 b4 b5 0 b2 sign ( x1 ) 0 3b3 b6 b7
0h
f
0 g 0 0
0
0 0 0 0
0
00
0
0 0 0 0
0
0 0 0 h
2f
0
0 0 0
2g 0 0 0
;

0 
 b7  3 ;

0 
0 
0
0
b
 1
A  0

0
 0
где
1 0 0 0
a 0 0 0
b1 a 0 0;

0 0 0 0
0 0 0 0
1 0 0 0 0
;
C


0 0 0 1 0 
D  G  H  0,
y, x, u – векторы наблюдения, состояния и управления системы;
A, B, C, D, G, H – матрицы эволюции системы, управления, измерения,
влияния управления на измерение, шума модели;
wk, vk – векторы белого шума модели и измерений, соответственно.
На основании данных, получаемых от наблюдателя, было произведено
моделирование идентификации модели (1) в процессе движения судна,
показавшее состоятельность предлагаемого метода и его применимости в
системах управления судном по траектории, рисунки 8 – 9.
Рисунок 8 - Оценка линейной скорости и ускорения наблюдателем:
1 – оценка сигнала наблюдателем; 2 – исходная модель; 3 – измеренный сигнал.
Рисунок 9 - Оценка
угловой скорости и
ее производных
наблюдателем:
1 – оценка сигнала
наблюдателем;
2 – исходная модель;
3 – измеренный сигнал.
Разработана методика и технологические решения непрерывной
идентификации нелинейной модели (1) в режиме реального времени в
процессе эксплуатации судна на основе метода наименьших квадратов:
A      ;
A       ;
  
  

1
 
 1 
 
 
 
     ;      ;
  
  
 N 
 
N
 


 
 12 12 n1 




      ;


2 2 n 
 N N N
A  [a b1 b2 b3 d e]T ; d 
T3
1
;e 
; A  [ f
T1T2
T1T2
g h]T ;

 

13
13
3



|

|


(




ne
)

) 
1 (11   2 ne
1
1
1
1
1
1
1 1
2



 





;


   |  | 3  (    ne N 3 )  N (    ne N 3 )
N
N
N
N
N
N
1 N
2
1 N
2




(6)
где Ω, Y, Hω, Hυ – матрицы оценок параметров движения судна
наблюдателем.
Результаты
коэффициентов
превышающими
моделирования
модели
(1),
заданную
с
демонстрируют
их
отклонениями
погрешность.
Таким
плавную
от
настройку
исходных
образом,
не
показывая
применимость предложенного метода идентификации в АдСУ судном по
траектории, рисунок 10.
Рисунок 10 - Процесс идентификации коэффициентов уравнения продольной
и угловой скоростей.
Разработана система адаптивной идентификации по квадратичному
критерию для модели Номото первого порядка на основании поискового
градиентного метода (8), рисунок 11
Т
 дQ 
Am  γ[dAm (dAm ) ] dAm (dX m ) 
 ,
 дε 

T -1
T
(7)
где dAm, dXm – поисковый сигнал, изменение вектора выхода модели;
Q(ε), ε – целевая функция, отклонение.
Результаты моделирования, рисунки 12–14, показывают плавную
сходимость
получаемых
результатов
к
исходным,
подтверждают
работоспособность алгоритма и его применимости в авторулевых в режиме
удержания судна на курсе.
Рисунок 11 - Алгоритм
поисковой идентификации:
N1, N2 – помехи окружающей среды и
измерений;
Xi, u – вектор состояния, управление;
Am – матрица коэффициентов модели.
Рисунок 12 Настройка модели
поисковым методом:
1 - сигнал исходной
модели;
2 - сигнал настраиваемой
модели.
Рисунок 13 - Настройка
коэффициентов поисковой
системы.
В четвертой главе на основании методов аналитической геометрии,
физических принципов маневрирования судном и принципов построения
алгоритмов САУ, рассматриваются способы задания и отслеживания
траектории движения судна для различных районов плавания.
Разработаны иерархические принципы формирования управляющих
воздействий на руль через псевдоуправления в виде изменений курса на
основании модели судна (1), компенсирующего отклонения от программной
траектории, заданной различными методами (отрезками прямых, дугами
окружностей, гладкими кривыми), применяемых в настоящее время в САУ
по траектории



δ p  a pr e  ain  edt  ad e add ω,
(8)



δ p  a pr ( К p  К   К )  ain  ( К p  К χ  K )dt  ad (ω p  ω)  add ω ;




К

b
χ

b
χ
pr
d  bin  χ dt.
 χ
(9)
где Kp, δp – заданный курс и угол перекладки руля;


ω–
оценка наблюдателем углового ускорения судна;
ai, bi – коэффициенты регулятора.
е, χ – отклонения от заданных курса и траектории судна;
К p , , К  – заданный курс и его поправка за отклонение от траектории.
В основе разработанных регуляторов лежит ПИД – принцип
управления, но дополнительно используется сигнал углового ускорения
судна, вырабатываемый специально разработанным наблюдателем на основе
фильтра Калмана. Дополнительно производится сравнение текущей и
заданной угловых скоростей судна. Канал углового ускорения и сравнение
угловых
скоростей
повышают
устойчивость
системы
управления
и
позволяют более строго отслеживать изменение курса для удержания судна
на криволинейных траекториях.
Результаты моделирования движения судна, рисунки 14 – 16, на
каждом из типов траекторий с выбранным для них регулятором, в которых
отклонения от заданных траекторий не превышает допустимого значения по
критериям безопасности для
каждого
из
плавания,
районов
подтверждают
применимость
предложенных
при
регуляторов
решении
удержания
судна
соответствующих
задач
на
типах
траекторий.
Рисунок 14 - Движение судна по траектории, заданной отрезками прямых.
Рисунок 15 - Управление
судном по траектории,
заданной дугами
окружностей:
1 – выполненная траектория;
2 – программная траектория.
Рисунок 16 - Путь судна при
движении по траектории,
заданной траекторными
функциями.
Предлагается способ настройки адаптивного регулятора по критерию
устойчивости методом функций Ляпунова, применительно к случаю, когда
полный вектор состояния объекта управления не наблюдается, рисунок 17:

T

 x (t )  1 BmT E(t ) X  (t );
 

(t )  X(t )  X m (t );

T


 u (t )    u (t )2 BmT E(t ) u (t )   x (t )  ( u ) T  u ,



u (t )   u  x (t )   uu(t ),
где

(10)
(11)
 – оценка вектора состояния судна, вырабатываемая наблюдателем;
Н, Г,  *u ,  *х – матрицы Ляпунова, коэффициентов регулятора;
Xm, Am, Вm – вектор состояния
модели, матрицы модели и
управления.
Рисунок 17 - Структурная схема
адаптивного регулятора.
Результаты моделирования процесса настройки регулятора (10), (11)
для математической модели Номото первого порядка в процессе движения
судна по траектории представлены на рисунках 18 – 19.
Рисунок 18- Настройка
коэффициентов регулятора.
Моделирование
показало
Рисунок 19 - Работа адаптивного
регулятора.
плавное
схождение
настраиваемых
коэффициентов регулятора к исходным в результате работы автоматической
системы, что говорит о работоспособности метода и необходимости
разработки математического аппарата адаптивного регулятора на основе
функций Ляпунова для обобщенной нелинейной математической модели (1)
в дальнейших исследованиях, рисунок 20.
Рисунок 20 - Структура
настраиваемого объекта
при управлении по
траектории.
В заключении диссертации на основании полученных результатов
исследований сформулированы следующие обобщенные выводы:
1. Систематизированы модели движения судна, предложен новый
способ согласования уравнений угловой и поступательной скоростей судна
для получения нелинейной математической модели поступательно –
вращательного движения (1) и ее использования в качестве эталонной в
АдСУ движением судна по траектории;
2. Разработан специальный идентификационный маневр судна (см.
рисунок 2), на основе которого предложена методика и технологические
решения идентификации математической модели движения судна (1);
3. Предложен способ аппроксимации и сглаживания измеренных
кинематических данных и вычисление их производных (3), основанный на
кривых Гаусса второго порядка;
4. Разработаны структуры наблюдателя на линейном фильтре Калмана
(5) для оценки кинематических параметров линейной и нелинейной (1)
математических моделей движения судна с целью их дальнейшего
использования в САУ судном по траектории;
5. Разработаны методики и предложены технологические решения (6),
идентификации линейной и нелинейной (1) моделей движения судна в
процессе его эксплуатации по оценкам его кинематических параметров
наблюдателем (5) на основе МНК;
6. Разработаны специальные регуляторы (8), (9) с использованием ПИД
– принципов и оценок навигационных параметров судна наблюдателем на
фильтре Калмана для управления судном на траектории для различных
способов ее задания;
7. Произведена модификация методами теории устойчивости Ляпунова
адаптивного принципа (10), (11) САУ движением судна по траектории с
эталонной линейной модели;
8. На каждом
этапе построения
АдСУ
произведена апробация
разработанных методик и технологий моделированием поставленной задачи
в среде MATLAB Simulink. Результаты моделирования представлены в виде
графиков и таблиц. Моделирование показало состоятельность всех этапов
построения системы управления.
Основные публикации по теме диссертации
Публикации в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки РФ
1. Бурылин Я.В. Адаптивное управление угловой скоростью поворота судна
[Текст]/Я.В. Бурылин, А.С. Васьков// Эксплуатация морского транспорта. 2016. - №4(81). - С. 37-42.
2. Бурылин Я.В. Методы построения нечетких регуляторов курса
судна[Текст]// Эксплуатация морского транспорта. - 2017. - №2(83). – С.
69 - 73.
3. Бурылин Я.В. Нейросетевые методы прогнозирования движения судна
[Текст]// Эксплуатация морского транспорта. - 2016. - №4(81). - С. 62-67.
4. Бурылин Я.В. Обработка траекторных измерений судна фильтром
Калмана [Текст]// Эксплуатация морского транспорта. - 2016. - №3(80). С. 32-37.
5. Бурылин Я.В. Непрерывная идентификация нелинейной модели
движения судна с наблюдателем [Текст]// Эксплуатация морского
транспорта. - 2017. - №3(84). – С. 73 – 78.
Другие публикации
6. Бурылин
Я.В.
Моделирование
процессов
управления
движением
судна[Текст] /Я.В. Бурылин, А.А. Васьков// Сб. научн. тр. МГА. - 2006. №11. – С. 81-84.
Свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ и НИР
7. Бурылин Я.В. Модель движения судна и конфигурации зоны
навигационной безопасности [Текст]: св-во об офиц. регистр. программ
для ЭВМ, №2006612643 от 26.06.2006.
8. Адаптивное управление программным движением судна [Текст]: отчет о
НИР/ ГМУ им. адм. Ф.Ф.Ушакова; рук. А.С.Васьков; исполн.:
Я.В.Бурылин [и др.] – Новороссийск, 2017.– 47 с.– № ГР 115021010120.№ ИКРБС АААА-Б17-217062020044-4.
____________________________________________________________
Подписано в печать 28.08.2018. Формат 60х80 1\16. Тираж 100. Заказ ….
Отпечатано в редакционно-издательском отделе
ФБГОУ ВО «Государственного морского университета имени адмирала
Ф.Ф.Ушакова»
353918, г. Новороссийск, пр.Ленина, 93
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
19
Размер файла
1 735 Кб
Теги
нелинейные, движение, судна, адаптивных, идентификация, управления, траектория, модель
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа