Введение к работе
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-преподава-тельского 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.
