МОДАЛЬНЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА НАБЛЮДАТЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КУРСОМ СУДНА
Аннотация
Рассматривается метод синтеза наблюдателя для системы управления курсом судна на основе теории модальных регуляторов. Современные системы судовождения, их технические средства характеризуются высокой размерностью и сложностью. Их компонентами являются: авторулевые, системы управления движительным комплексом, динамические системы позиционирования, регуляторы, фильтры, средства мониторинга, оценки переменных состояния, динамические наблюдатели, идентификаторы и др. Модели оценки количественных и качественных показателей систем управления судном основаны на применении обобщенной математической модели, которая может принимать различные формы в зависимости от влияния многочисленных факторов на ее структуру и параметры. Применение класса простых моделей динамики управления танкерами, предложенных Номото, для синтеза оптимальных регуляторов и параметрической настройки авторулевых связано с необходимостью учета изменений их параметров, восстановлением вектора состояния по неполным измерениям. Адекватность динамики простых моделей и объекта, функционирующего в условиях изменяющейся внешней среды, можно повысить на основе применения современных алгоритмов анализа, синтеза и оптимизации автоматических систем, инструментария вычислительных сред и компьютерных технологий с применением основных положений модального управления. Цель работы состоит в улучшении качественных показателей удержания судна на курсе с авторулевым комплексом - замкнутой системы управления - путем выбора требуемого спектра матрицы состояния, модального метода параметрической оценки коэффициентов регулятора и синтеза динамических наблюдателей по вектору выхода, содержащего одну из переменных состояния системы. Рассматривается метод синтеза динамического наблюдателя Луенбергера полной размерности, отличающийся тем, что в нем учтена структура матрицы состояния модели судна с регулятором Аккермана, допускающая при соблюдении условий управляемости и наблюдаемости выбор структуры стабилизирующей части матрицы наблюдателя в форме векторов - столбцов с ненулевыми элементами, что позволяет существенно упростить процедуру синтеза. Выполнен расчет наблюдателя для оценки вектора переменных состояния супертанкера дедвейтом 150 тыс. т.
Ключевые слова
судно, модель, управление, наблюдатель, матрица, векторы выхода и состояния, модальный метод, алгоритм, синтез
Читать полный текст статьи: PDF
Список литературы
Perez T. Ship motion control. Course keeping and roll stabilization using rudder and fins / T. Perez. - Springer-Verlag London Limited, 2005. - 309 p.
Басин А. М. Ходкость и управляемость судов / А. М. Басин. - М.: Транспорт, 1968. - 255 с.
Сахаров В. В. Синтез оптимального оценивателя для системы управления судовым динамическим объектом / В. В. Сахаров, О. В. Шергина, А. А. Чертков // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2013. - № 1 (20). - С. 26-31.
Автоматизация и повышение эффективности использования топлива на судах / ред. С. О. Барышников, А. А. Кузьмин, В. В. Сахаров, С. Н. Тарануха. - СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2016. - 390 с.
Lewis F. L. Optimal Control / F. L. Lewis, D. Vrabie, V. L. Syrmos. - 3rd ed. - N. Y.: John Wiley and Sons, 2012. - 541 p.
Witkowska A. Designing a ship course controller by applying the adaptive backstepping method / A. Witkowska, R. Smierzchalski // International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. - 2012. - Vol. 22. - Is. 4. - Pp. 985-997. DOI: 10.2478/v10006-012-0073-y.
Pang C. K. Modal parametric identification of flexible mechanical structures in mechatronic system / C. K. Pang, F. L. Lewis, T. H. Lee // Transactions of the Institute of Measurement and Control. - 2010. - Vol. 32. - No. 2. - Pp. 137-154. DOI: 10.1177/0142331209339868.
Dhaliwal S. S. State Estimation and Parameter Identification of Continuous-time Nonlinear Systems: Master thesis / S. S. Dhaliwal. - Ontario, Canada: Queen’s University Kingston, 2011. - 83 p.
Гринкевич Я. М. Наблюдатели и оцениватели состояния в судовых системах управления / Я. М. Гринкевич, В. В. Сахаров. - СПб.: Изд-во СПГУВК, 2001. - 193 с.
Гофман А. Д. Динамика корабля / А. Д. Гофман. - СПб.: Изд-во СПГУВК, 2003. - 150 с.
Сазонов А. Е. Прогнозирование траектории движения судна при помощи нейронной сети / А. Е. Сазонов, В. В. Дерябин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2013. - № 3 (22). - С. 6-13.
Садков А. В. Моделирование динамики водоизмещающего речного судна, неустойчивого на курсе / А. В. Садков // Морской вестник. - 2012. - № 3. - С. 94-96.
Tomera M. Nonlinear controller design of a ship autopilot / M. Tomera // International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. - 2010. - Vol. 20. - Is. 2. - Pp. 271-280. DOI: 10.2478/v10006-010-0020-8.
Nomoto K. On steering qualities of ships / K. Nomoto, T. Taguchi, K. Honda, S. Hirano // International Shipbuilding Progress. - 1957. - Vol. 4. - No. 35. - Pр. 354-370.
Агарков С. А. Параметрическая идентификация обобщенной модели Номото с помощью аппарата вариационного исчисления / С. А. Агарков, С. В. Пашенцев // Вестник МГТУ. - 2015. - Т. 18. - № 1. - С. 7-11.
Веремей Е. И. Компьютерное моделирование систем управления движением морских подвижных объектов / Е. И. Веремей, В. М. Корчанов, М. В. Коровкин, C. В. Погожев. - СПб.: Изд-во НИИ Химии СПбГУ, 2002. - 370 с.
Reid R. E. Design of the steering controller of a supertanker using linear quadratic control theory: A feasibility study / R. E. Reid, B. C. Mears // Decision and Control including the Symposium on Adaptive Processes, 1981 20th IEEE Conference on. - IEEE, 1981. - Pp. 181-187. DOI: 10.1109/CDC.1981.269493
Панкратов В. В. Специальные разделы теории автоматического управления: учеб. пособие / В. В. Панкратов, О. В. Нос. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - Ч. I. Модальное управление и наблюдатели. - 48 с.
Об авторах
Сазонов Анатолий Ефимович - чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»Сахаров Владимир Васильевич - доктор технических наук, профессор
_saharov_@rambler.ru. SaharovVV@gumrf.ru
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»Чертков Александр Александрович - кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»
