АЛГОРИТМ НАБЛЮДАТЕЛЯ ПОНИЖЕННОГО ПОРЯДКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КУРСОМ СУДНА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗМУЩЕНИЙ И ШУМОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Аннотация
Для повышения надежности и обеспечения требуемых качественных показателей системы автоматического управления курсом судна необходима достоверная информация о векторе состояния динамической модели, адекватной реальному объекту. При воздействии на судно внешних возмущений, приводящих к появлению помех в измеряемых сигналах, требуется обеспечить понижение уровня шумов путем фильтрации и применения математических датчиков информации. Датчики могут быть синтезированы с использованием динамических наблюдателей и оценивателей. Поскольку в условиях эксплуатации авторулевых вектор состояния не всегда доступен для измерения, необходимо управлять процессом по вектору выхода. Для оптимального управления требуется восстановление информации по вектору выхода. При движении судна в условиях волнения внешние возмущения приводят к возникновению дополнительных составляющих погрешности в оценке вектора состояния. При этом значительно ухудшаются качественные показатели судовых авторулевых комплексов, и для их повышения требуется использовать методы и вычислительные процедуры стохастической фильтрации.Рассматривается метод и алгоритм динамического наблюдателя пониженной размерности (наблюдателя Давида Луенбергера), отличающийся тем, что он позволяет уменьшить погрешность оценки вектора переменных состояния судового объекта, функционирующего в условиях изменяющейся внешней среды, путем построения модели состояния расширенной системы «объект - среда». Оценка производится на основе алгоритмов линеаризации нелинейных моделей в пространстве состояния с использованием оптимальной фильтрации, инструментария матричной лаборатории и компьютерных технологий. Приведен пример расчета трехмерного динамического наблюдателя для оценки векторов возмущений и шумов измерений, выполненный на основе предложенного алгоритма. Результаты оценки переменных состояния и возмущений, полученные с использованием канонических форм уравнений состояния, соответствуют оптимальным (по быстродействию) переходным процессам в рассматриваемых динамических моделях при переводе из заданного начального состояния в установившееся состояние за минимальное время.
Ключевые слова
динамическая модель судна, наблюдатель пониженной размерности, вектор выхода, алгоритм, модальный метод синтеза систем
Читать полный текст статьи: PDF
Список литературы
Сазонов А. Е. Модальный метод синтеза наблюдателя для системы управления курсом судна / А. Е. Сазонов, В. В. Сахаров, А. А. Чертков // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2016. - № 4 (38). - С. 211-223. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-4-211-223.
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.
Ramdani N. Computing reachable sets for uncertain nonlinear monotone systems. / N. Ramdani, N. Meslem, Y. Candau // Nonlinear Analysis: Hybrid Systems. - 2010. - Vol. 4. - Is. 2. - Pp. 263-278. DOI: 10.1016/j.nahs.2009.10.002.
Luenberger D. G. Introduction to Dynamic Systems, Theory, Models, and Applications / D. G. Luenberger. - New York: John Wiley & Sons, 1979. - 446 p. DOI: 10.1002/bs.3830260412.
Андриевский Б. Р. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MatLab / Б. Р. Андриевский, А. Л. Фрадков. - СПб.: Наука, 2000. - 475 с.
Yang J. A complete solution to a simple case of dynamic observer error linearization: New approach to observer error linearization / J. Yang, J. Back, J. H. Seo // IEICE transactions on fundamentals of electronics, communications and computer sciences. - 2011. - Vol. 94. - No. 1. - Pp. 424-429.
Митряшкин Ю. В. Линейные модели управляемых динамических систем. Ч. 1. Уравнения «вход - выход» и «вход - состояние - выход»: учеб. пособие / Ю. В. Митряшкин. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 222 c.
Hui S. Observer design for systems with unknown inputs / S. Hui, S. H. Zak // International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. - 2005. - Vol. 15. - Is. 4. - Pp. 431-446.
Chen X. State observer for a class of nonlinear systems and its application to machine vision / X. Chen and H. Kano // IEEE Transactions on Automatic Control. - 2004. - Vol. 49. - Is. 11. - Pp. 2085-2091. DOI: 10.1109/TAC.2004.837529.
Boutat D. On the transformation of nonlinear dynamical systems into the Extended Nonlinear Observable Canonical Form / D. Boutat, K. Busawon // International Journal of Control. - 2011. - Vol. 84. - Is. 1. - Pp. 94-106. DOI: 10.1080/00207179.2010.541285.
Zheng G. A single output dependent observability normal form / G. Zheng, D. Boutat, and J. P. Barbot // SIAM Journal on Control and Optimization. - 2007. - Vol. 46. - Is. 6. - Pp. 2242-2255. DOI:10.1137/050627137.
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.
Wang Y. Observer design using a generalized time-scaled block triangular observer form / Y. Wang, A. F. Lynch // Systems & Control Letters. - 2009. - Vol. 58. - Is. 5. - Pp. 346-352. DOI: 10.1016/j.sysconle.2008.12.005.
McGookin E. W. Ship steering control system optimisation using genetic algorithms / E. W. McGookin, J. Murray-Smith, Y. Li, T. I. Fossen // Control Engineering Practice. - 2000. - Vol. 8. - Is. 4. - Pp. 429-443. DOI: 10.1016/S0967-0661(99)00159-8.
Об авторах
Сахаров Владимир Васильевич - доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»Чертков Александр Александрович - кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»Сабуров Сергей Валерьевич - аспирант
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»
