Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность работы системы автоматического управления движением водоизмещающего судна зависит от реализованного в нем алгоритма управления. Наиболее распространенным в современных классических авторулевых является пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) алгоритм управления. Однако при изменяющихся внешних условиях он не всегда удовлетворяет необходимому качеству управления судном. В частности, ухудшается управляемость на мелкой воде. При ветровом воздействии появляются участки спада управляемости, возникают рысканья судна на курсе (автоколебания), картина качественно усложняется. Проблема разработки судовых авторулевых, работоспособных в сложных условиях, является актуальной.
Современный подход к эффективному решению проблемы предусматривает применение математического моделирования, которое позволяет сэкономить время и средства на проведение натурных испытаний. Кроме того, оно воспроизводит условия работы системы автоматического управления при изменении как внешних ветровых воздействий, так и свойств самого объекта. Такие условия при натурных испытаниях на судах в некоторых случаях угрожают безопасности плавания и являются трудно планируемыми.
Вместе с тем ожидать надежных результатов при моделировании можно лишь при достаточном обосновании принятой к исследованию математической модели. В настоящей работе в качестве базовой была принята система дифференциальных уравнений пятого порядка с дополнительными трансцендентными уравнениями относительно переменных, характеризующих ветровое воздействие на судно. При исследовании динамики судна, оснащенного интеллектуальным авторулевым, в математическую модель дополнительно вводится еще одно дифференциальное уравнение.
Обоснование принимаемой математической модели базировалось на проведении сравнения ряда результатов математического моделирования с экспериментальными данными, а также на подтверждении полученных новых теоретических результатов, известных в практике судовождения. Рассматривались возникновение рысканья судов на прямом курсе, спада управляемости судном при некоторых углах курса, а такаже влияние на управляемость скорости ветра, устойчивости и степени загрузки судна. При исследовании структуры цилиндрического фазового пространства использовались элементы качественной теории динамических систем и теории бифуркаций. Была установлена «грубость» математической модели и ее соответствие реальной системе. Таким образом, ее можно считать эффективной для исследования управляемости судов при ветре и для разработки новых авторулевых устройств.
Диссертация посвящена решению задачи построения алгоритма управления водоизмещающим судном при ветровом воздействии. Была разработана интеллектуальная составляющая с введением стимулятора в алгоритм авторулевого, использующего отображение пространства состояний судна в себя. Это позволило существенно повысить качество управления судном и справиться с некоторой степенью неуправляемости. Таким образом, сделан очередной шаг в повышении эффективности системы автоматического управления водоизмещающим судном при ветре.
Вопросам выбора динамической модели движения водоизмещающих судов, описания внешних воздействий на судно, разработки алгоритмов управления судном посвящено достаточное количество работ, авторами которых являются: А.Ш. Афремов, А.М. Басин, Я.И. Войткунский, А.Д. Гофман, В.М. Манин, Г.Э. Острецов, В.Г. Павленко, Б.В. Павлов, Р.Я. Першиц, А.В. Преображенский, Л.М. Рыжов, Г.В. Соболев, Н.Ф. Соларев, М.И. Фейгин, М.М. Чиркова, K. Kose, D. Nguyen. и др.
Объектом исследования является водоизмещающее судно, функционирующее в условиях внешней среды непредсказуемым образом меняющейся при ветровом воздействии.
Методы исследования. В работе использовались классические методы исследования динамических систем, теории бифуркации, устойчивости системы автоматического управления, методы математического моделирования и численные методы. Расчеты производились с использованием как стандартных пакетов программ, так и алгоритмов собственной разработки.
Целью работы является повышение качества стабилизации курса и выполнения штатных маневров водоизмещающим судном в условиях неблагоприятного состояния внешней среды при ветре путем создания новых, более эффективных алгоритмов автоматического управления.
Достижение поставленной цели потребовало:
анализа известных математических моделей управляемых на курсе судов, обоснованного выбора базовой математической модели, ее сопоставления с более сложными моделями, проверки ее адекватности реальному объекту и эффективности для исследования новых динамических особенностей поведения судна;
разработки эффективной интеллектуальной составляющей в алгоритме управления движением судна в заданном направлении и исследования устойчивости;
обоснования введения «стимулятора» в алгоритм авторулевого с учетом эволюции диаграммы управляемости судна при изменении ветрового воздействия.
Научная новизна диссертационной работы, состоит в следующем.
1. Исследована бифуркационная картина поведения судна при возникновении ветра, позволяющая лучше понять особенности его динамического поведения: неоднозначность стационарных режимов.
2. Исследовано возникновение рысканья ветровых автоколебаний, установлена зависимость областей их существования от скорости ветра.
3. В алгоритм авторулевого введена интеллектуальная составляющая, позволяющая улучшить управляемость.
4. Предложен новый метод, позволяющий существенно повысить управляемость судна в изменяющихся внешних условиях путем включения стимулятора в интеллектуальную составляющую алгоритма авторулевого.
5. Показана возможность использования стимулятора для построения диаграммы управляемости в натурных условиях.
Обоснованность и достоверность результатов. Исследование динамики судов проводилось с помощью обоснованной математической модели поведения водоизмещающего судна при ветре.
Полученные новые результаты (автоколебания, спад управляемости, преодоление потери управляемости) согласуются с известным из практики судовождения поведением судов в натурных условиях.
Предложенный интеллектуальный алгоритм со стимулятором автоматически подстраивается под изменение внешних условий, подобно действиям опытного судоводителя, рассматриваемым в литературе.
Исследования проводились в рамках выполнения проекта при поддержке РФФИ (20042006гг., грант №04-01-00815а).
Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы при создании современного интеллектуального авторулевого для водоизмещающих судов.
Представляется возможным использовать стимулятор в судовых тренажерах для сравнения качественных показателей ручного управления судном и автоматического управления при различных внешних воздействиях.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
VII Всероссийской научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 2005 г.);
Международном конгрессе «Великие Реки-2005» (Нижний Новгород, 2005 г.);
Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы использования и развития новых информационных и коммуникационных технологий в России» (Нижний Новгород, 2005 г.);
В Материалах научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов, Волжская государственная академия водного транспорта. (Нижний Новгород, 2005 г.);
10-й Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки» (Нижегородская область, г. Саров, 2005 г.);
IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, ННГУ им. Лобачевского (Нижний Новгород, 2006 г.):
XV Международном cимпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем», ИМАШ РАН (Москва – Звенигород, 2006 г.);
IX Международном семинаре «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления», ИПУ РАН, (Москва, 2006 г.);
Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Новые технологии водного транспорта», ВГАВТ (Нижний Новгород, 2007 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 16 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она содержит 111 страниц текста, 83 рисунка, список литературы из 124 наименований.
