Способ управления угловой скоростью судна-катамарана при "сильных" маневрах

Изобретение относится к области судовождения, к автоматическому управлению движением судна-катамарана с двумя винторулевыми колонками (ВРК) при осуществлении им «сильных» маневров. Используют сигналы: текущих значений угловой скорости ω и ускорения dω/dt судна в горизонтальной плоскости относительно центра масс, одинакового для двух ВРК угла поворота δ; постоянные значения: длины судна L, присоединенного момента инерции судна относительно вертикальной оси Jω, одинаковых для двух ВРК упоров винтов Tv, коэффициента усиления kδ и постоянной времени Tδ привода ВРК; значения постоянных задающих воздействий и исходных данных: заданной угловой скорости ω* судна относительно его центра масс; свободного параметра Tu, имеющего смысл постоянной времени и предназначенного для регулирования быстродействия переходного процесса по угловой скорости, шага h дискретности по времени при расчете управления v, подаваемого одновременно на оба привода ВРК. Управляющее воздействие v рассчитывают через фиксированные интервалы времени длительностью h методом терминального управления нелинейными системами - методом конечного состояния. Достигается повышение точности работы системы управления. 2 ил.

 

Изобретение относится к области судовождения, в частности, к автоматическому управлению движением судна-катамарана с двумя винторулевыми колонками (ВРК) с конкретным применением к маломерному роботизированному научно-исследовательскому судну для комплексного экологического мониторинга морской прибрежной акватории Черного моря, а также озер и рек, с базированием в г. Севастополе, в частности, для безэкипажного режима эксплуатации судна. Для удержания судна на предварительно спланированном маршруте необходимо управлять им в автоматическом режиме таким образом, чтобы в случае отклонения от маршрута судно возвращалось на маршрут. При этом могут быть ситуации (при обходе внезапно появившегося препятствия, при движении в узкостях и т.п.), когда маневр судна производится при большом угле поворота винторулевой колонки. При этом динамика судна оказывается нелинейной и методы управления должны быть адекватными. В судовождении такие маневры судна называют «сильными» [1].

Способы автоматического управления судами конструируют либо без использования математических моделей, либо с их использованием.

Так, в патентах [2-5] предлагаются способы, в которых управление осуществляется по информации от спутников и бортовых измерителей с использованием «инженерных» приемов формирования управляющих сигналов, т.е. интуитивно понятных алгоритмов, которые не требуют использования математической модели судна. Так, например, в [4] угол отклонения пера руля (перекладки) рассчитывается путем численного решения линейного дифференциального уравнения, правая часть которого зависит от отклонения курсового угла от заданного, угловой скорости судна, а также от угла перекладки руля, с тремя неопределенными коэффициентами.

При использовании носовых подруливающих устройств предлагается дополнительно использовать алгоритм в виде линейного дифференциального уравнения относительно поперечной управляющей силы, правая часть которого зависит от угла дрейфа, интеграла от угла дрейфа, а также от поперечной управляющей силы, с тремя неопределенными коэффициентами [5]. При этом используются алгоритмы расчета «упреждающих» точек, от которых реализуются предварительно рассчитанные программные управления для поворота судна на новый курс, а также условия обратного включения режима стабилизации вдоль заданного курса K*.

Наряду со способами, защищенными патентами, в журнальных публикациях предлагаются и другие, большинство из которых основаны на предварительной линеаризации исходной модели судна либо использовании ПИД-регуляторов. Общим недостатком указанных методов, а также и других (например, [6], [7]), основанных на использовании линейных и нелинейных обратных связей от координат состояния, является то, что они содержат неопределенные коэффициенты, которые заранее неизвестны и могут зависеть от условий функционирования. Для приспособления к условиям функционирования используются принципы адаптивного и интеллектуального управления [8, 9]. В меньшей степени такие недостатки присущи методам, основанным на использовании математических моделей объекта управления [10-12].

Для разработки алгоритмов управления «сильными» маневрами с использованием математических моделей судов рекомендуется [1] использовать упрощенные нелинейные модели Номото в виде дифференциальных уравнений второго порядка относительно угловой скорости с неопределенными коэффициентами. При этом для построения указанных моделей требуется проведение экспериментов над реальным судном или его масштабной моделью с целью определения неопределенных коэффициентов. Кроме того, далее необходимо решать задачу разработки алгоритма управления по нелинейной модели объекта.

В предлагаемом способе, в отличие от прототипа [4], используется относительно полная нелинейная модель движения судна-катамарана [13] в горизонтальной плоскости в виде нормальной системы дифференциальных уравнений седьмого порядка со сложными нелинейными функциями правых частей. Уравнения построены для продольной и поперечной скоростей судна в системе координат судна, его угловой скорости относительно центра масс в горизонтальной плоскости, перемещений в продольном и поперечном направлениях земной системы координат, курсового угла, угла поворота ВРК. При этом учтены следующие силы и моменты, воздействующие на судно: силы сопротивления движению судна в продольном и поперечном направлениях, упоры винтов ВРК, тормозящие моменты позиционных (зависящих от линейной скорости) и демпфирующих (зависящих от линейной и угловой скоростей) сил, управляющего воздействия на приводы ВРК. При этом ветроволновые воздействия на судно не учитывались, упоры винтов предполагались одинаковыми и постоянными, углы поворота обеих ВРК предполагались одинаковыми.

В предлагаемом способе используют сигналы (рис. 1): текущих значений угловой скорости ω и ускорения dω/dt судна в горизонтальной плоскости относительно центра масс, одинакового для двух ВРК угла поворота δ; постоянные значения: длины судна L, присоединенного момента инерции судна относительно вертикальной оси Jω, одинаковых для двух ВРК упоров винтов Tv, коэффициента усиления kδ и постоянной времени Tδ привода ВРК; значения постоянных задающих воздействий и исходных данных: заданной угловой скорости ω* судна относительно его центра масс; свободного параметра Tu, имеющего смысл постоянной времени и предназначенного для регулирования быстродействия переходного процесса по угловой скорости, шага h дискретности по времени при расчете управления v, подаваемого на приводы ВРК. Способ приведения судна к заданной угловой скорости и ее удержания изображен на схеме рис. 1, на котором показаны: блок 1 - задающее воздействие ω* и выбираемые параметры Tu, h; блок 2 -расчет управляющего воздействия на приводы ВРК в дискретные моменты времени с шагом h, в котором используются значения параметров судна L, Jω„ Tv, kδ, Tδ и сигналы обратных связей ω, dω/dt, δ согласно выражениям, приведенным ниже; блок 3 - судно как объект управления с входом в виде управляющего воздействия на приводы ВРК v, выходом ω, dω/dt, δ и параметрами L, Jω,, Tv, kδ, Тδ.

Значения управляющего воздействия v, одного и того же для каждого из приводов ВРК, вычисляются с шагом h дискретности по времени. Предполагается, что динамика приводов описывается инерционным звеном первого порядка с коэффициентом усиления kδ и постоянной времени Tδ. Выражение для управляющего воздействия имеет вид:

При получении (1) не производились какие-либо упрощения исходной нелинейной модели, что является новым элементом в сравнении с другими методами управления угловой скоростью и курсом судна. Как видно, в способе используются обратные связи по угловой скорости, угловому ускорению, а также углу поворота ВРК. Используются также массо-габаритные и тяговые характеристики судна в виде его длины и упора винта одной ВРК, а также косвенно, через присоединенный момент инерции, водоизмещение судна. В случае, когда угловые ускорения малы, можно использовать упрощенный способ, отличающийся от (1) отсутствием члена с ускорением, т.е.:

Проверка способов (1) и (2) на модели маломерного судна-катамарана с весовым водоизмещением (массой) 155000 кг, параметрами L=22,3 м, Tv=22400 н, , kδ=1, Tδ=1 с, Tu=0,1 с, h=0,063 с, разнообразными задающими воздействиями ω* показала [13], что как (1), так и (2), успешно справляются с задачами выхода на заданные значения угловой скорости с очень высокой точностью (до одного процента). При этом в усложненном способе (1) переходный процесс по угловому ускорению имеет существенно меньшую колебательность по сравнению со случаем использования упрощенного способа (2). В то же время переходные процессы по скорости при этом практически одинаковые.

Особую роль играет параметр Tu, с помощью которого можно регулировать в широких пределах длительность переходного процесса по угловой скорости. Например, для достижения судном-катамараном угловой скорости ω*=0,008с-1 при значении Tu=0,02 получена длительность переходного процесса около 20с, а при значении Tu=1 указанная длительность получилась около 300с. Из (1) и (2) также видна еще одна особенность предложенного способа: независимость ошибки регулирования от погрешностей значений массо-габаритных и тяговых характеристик судна ввиду того, что все указанные параметры, кроме параметров привода, образуют один коэффициент . Поэтому все ошибки в задании момента инерции, длины судна, значения упора, шага дискретности, приведут лишь к изменению времени переходного процесса и не повлияют на установившуюся ошибку регулирования. Устойчивость процессов здесь оценить затруднительно ввиду нелинейности системы, а также используемого метода управления. В данном методе вместо понятия «устойчивость» целесообразно опираться на «достижимость цели управления». Эта достижимость зависит от рационального выбора величин задающего воздействия ω*, времени работы системы и параметра Tu: при неудачном их выборе, когда судно не может за заданное время достичь заданной угловой скорости, процесс «срывается» в том смысле, что цель управления не достигается.

В упрощенном способе (2), в случае безынерционного привода управление имеет вид:

Если считать при этом управляющим сигналом угол поворота ВРК δ, то:

т.е. интеграл от сигнала, равного ошибке регулирования, деленного на косинус угла поворота ВРК, с постоянным коэффициентом k. При малых углах δ имеем cos(δ)≈1, в результате чего получаем интегральный регулятор в прямой цепи, на который подается ошибка регулирования. Таким образом, предлагаемый способ представляет собой вариант интегрального регулятора в прямой цепи, отличающегося от известных схем тем, что для больших отклонений |δ|<90° сигнал на входе интегратора делится на косинус δ.

Соответствующая схема приведена на рис. 2.

Изобретение получено в рамках исследований, выполненных при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57817X0259).

Литература:

1. Вагущенко Л.Л., Цымбал Н.Н. Системы автоматического управления движением судна. М.: ТрансЛит, 2007. 376 с.

2. Система автоматического управления судном [Текст] пат. 2248914 Рос. Федерация: МПК В63Н 025/04 / Клячко Л.М., Острецов Г.Э., Памухин С.Г.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU). - №2004106058/11; заявл. 01.03.2004; опубл. 27.03.2005, Бюл. №9. - 7 с.: ил.

3. Способ автоматического управления движением судна [Текст] пат. 2292289 Рос. Федерация: МПК В63Н 25/04, G05D 1/00 / Острецов Г.Э., Клячко Л.М., Белогорцева М.В.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU). - №2005123073/11; заявл. 20.07.2005; опубл. 27.01.2007, Бюл. №3. - 7 с.: ил.

4. Способ управления движением судна по заданной траектории [Текст] пат. 2465169 Рос. Федерация: МПК В63Н 25/04/ Дорри М.Х., Острецов Г.Э., Рощин А.А.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU). - №2011115525/11; заявл. 21.04.2011; опубл. 27.10.2012, Бюл. №30. - 9 с.: ил.

5. Способ управления движением судна по заданной траектории [Текст] пат. 2483973 Рос. Федерация: МПК В63Н 25/04/ Острецов Г.Э., Клячко Л.М., Памухин С.Г.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU). - №2011131927/11; заявл. 29.07.2011; опубл. 10.06.2013, Бюл. №4. - 7 с.: ил.

6. Aguiar, A.P., and Pascoal, A.M. Dynamic positioning and way-point tracking of underactuated AUVs in the presence of ocean currents, 41st IEEE Conference on Decision and Control. Proceedings (Cat. No. 02CH37375), v 2, 2002, p 2105-2110.

7. Yacong Zhao, Haibin Huang and Yufei Zhuang. The Heading Control of POD-Driven Ship Using Adaptive Integrator Backstepping // © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016 B. Huang and Y. Yao (eds.), Proceedings of the 5th International Conference on Electrical Engineering and Automatic Control, Lecture Notes in Electrical Engineering 367, DOI 10.1007/978-3-662-48768-6_20.P.173-179.

8. Кориков A.M. Интеллектуальное управление в технических системах // Научный вестник НГТУ, 2014. №1(54). С. 18-26.

9. Anna Witkowska, Roman Smierzchalski. Designing a ship course controller by applying the adaptive backstepping method // Int. J. Appl. Math. Comput. Sci., 2012, Vol. 22, No. 4, P. 985-997.

10. S. Sutulo, L. Moreira, C. Guedes Soares. Mathematical models for ship path prediction in manoeuvring simulation systems // Ocean Engineering 29 (2002) 1-19. P. 1-19.

11. Yasuo Yoshimura. Mathematical Model for Manoeuvring Ship Motion (MMG Model) // Workshop on Mathematical Models for Operations involving Ship-Ship Interaction August 2005 Tokyo. P. 2-6.

12. Hashem Ashrafiuon, Kenneth R. Muske. Sliding Mode Tracking Control of Surface Vessels // 2008 American Control Conference Westin Seattle Hotel, Seattle, Washington, USA. June 11-13, 2008. P. 557-561.

13. Шушляпин E.A., Карапетьян B.A., Безуглая A.E., Афонина А.А. Нелинейные регуляторы для удержания судна на заданной траектории при «сильных» маневрах // Труды СПИИРАН. 2017. - СПб: СПИИРАН, Вып. 53. - С. 178-200.

Способ автоматического управления «сильными» маневрами судна-катамарана с использованием сигналов от датчиков угловой скорости ω и ускорения dω/dt при повороте судна-катамарана с двумя поворачивающимися на один и тот же угол δ винторулевыми колонками (ВРК) вокруг центра масс, а также сигнала от угла δ, отличающийся от известных способов тем, что при его разработке использована нелинейная динамическая модель судна седьмого порядка без последующих упрощений и «метод конечного состояния» для терминального управления нелинейными системами, с помощью которых получен управляющий сигнал в виде явной зависимости от массогабаритных и тяговых характеристик судна где v - управляющий сигнал на входах приводов ВРК, kδ, Tδ - коэффициент усиления и постоянная времени привода ВРК, Jω - присоединенный момент инерции судна вокруг вертикальной оси, ω* - заданное значение угловой скорости, Tu - параметр для регулировки быстродействия переходного процесса по ω, h - шаг дискретности по времени при расчете v, L - длина судна, Tv - постоянный упор винта одной ВРК, а также упрощенное управление для случая близкого к нулю углового ускорения для управляющего сигнала в виде угла поворота ВРК δ в предположении безынерционности привода способ имеет вид выражения который при малых углах δ, когда cos(δ)≈1, представляет собой интегральный регулятор в прямой цепи контура управления, а при больших углах, характерных для «сильных» маневров, видоизмененный интегральный регулятор с нелинейной обратной связью от угла δ.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к виртуальной карте транспортного средства. Транспортное средство включает в себя: двигатель(и), локальные датчики, процессор(ы).

Изобретение относится к определению местоположения транспортных средств. Техническим результатом является повышение точности определения местоположения транспортного средства в условиях слабого сигнала для основанных на спутниках систем определения местоположения (например, GPS) / приема GPS с вспомогательными средствами (aGPS).

Группа изобретений относится к двум системам интегрирования и индикации данных об угловом пространственном положении и способу определения ложного решения в отношении углового пространственного положения воздушного судна.

Группа изобретений относится к двум системам и способу сопровождения для летательных аппаратов. Каждая из систем содержит два блока связи, один из которых установлен на первом летательном аппарате, а второй блок связи на втором летательном аппарате.

Изобретение относится к координации наземных подвижных автоматизированных устройств, в частности роботов, размещенных на контролируемой территории. Используют по меньшей мере одно устройство слежения за роботами.

Группа изобретений относится к интеллектуальным системам управления подвижными объектами. Способ создания трека для автономного движения подвижного объекта по заданному пути движения включает в себя шаги, на которых формируют путь движения и представляют его в виде множества последовательных опорных точек в трёхмерной системе координат.

Группа изобретений относится к способу и устройству для измерения угловой скорости летательного аппарата. Для измерения угловой скорости летательного аппарата принимают первичный сигнал в цифровом виде, формируют масштабный коэффициент на заданный максимальный уровень выходного аналогового сигнала цифро-аналогового преобразователя, уменьшают его на величину, пропорциональную амплитуде вибрационного воздействия, преобразуют в аналоговый сигнал, усиливают его определенным образом и производят фильтрацию.

Система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом по углу крена содержит три сумматора, исполнительное устройство, датчик угловой скорости, датчик угла крена, дифференциатор, интегратор, пять усилителей, соединенные определенным образом.

Изобретение относится к способу и системе анализа выхлопного газа, для управления транспортным средством. Система, осуществляющая способ анализа выхлопного газа, для управления транспортным средством, содержит компьютер, запрограммированный передавать сообщение из транспортного средства на второе транспортное средство, включающее в себя запрос анализировать выхлопной газ.

Изобретение относится к способу управления скоростью полета самолета с учетом стабилизации скорости. Для управления скоростью полета самолета используют основной управляющий сигнал, поступающий на привод тяги двигателей, а также дополнительный управляющий сигнал, поступающий на привод секций интерцепторов, условие подключения которого определяется заданной величиной разницы между текущей и заданной приборной скоростью, которая может задаваться пилотом с пульта управления или автоматически при решении оптимизационных задач и выбирается из условия потребной величины долевого участия интерцепторов в решении задачи стабилизации и отслеживания заданной приборной скорости совместно с управлением тягой двигателей определенным образом.

Система управления движением судна (СУД) с дублированием каналов курса и резервным управлением движения содержит датчик руля, датчик дифференцирования, блок логики, три задатчика угла курса и три датчика угла курса, два сумматора, блок среднего заданного угла курса, блок оценки возмущающего момента, дифференциатор, соединенный определенным образом с возможностью подключения к входу рулевого привода объекта управления.

Изобретение относится к способу высокоточного определения навигационных элементов движения судна. Для определения навигационных элементов, а именно: вектор скорости носовой и кормовой оконечностей судна, положение точки вращения судна, значения угловой скорости поворота судна, отклонения центра тяжести судна от заданной траектории, расстояния от носовой и кормовой оконечностей судна до левой и правой бровки канала, параметров движения характерных точек, вычисляют навигационные параметры спутниковыми навигационными системами и бортовой инерциальной навигационной системой с учетом поправок береговой локальной контрольно-корректирующей станции.

Группа изобретений относится к области судовождения, а именно к способу управления движением судна с компенсацией медленно меняющихся внешних возмущений и системе, использующей данный способ.

Изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна. Система определения гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна содержит задатчик идентификационных маневров управления движением судна, объект управления, а также блок формирования коэффициентов усиления в процессе идентификации гидродинамических коэффициентов судна.

Изобретение относится к области судостроения, а именно к автоматическому управлению движением корабля. Система отказоустойчивого управления движением корабля содержит блок дифференцирования, датчик руля, три датчика глубины, датчик угла дифферента, рулевой привод, задатчик глубины угла дифферента, три фильтра оценки глубины, четыре фильтра оценки угла дифферента, сумматор, рулевой привод, семь блоков диагностики, формирователь средних значений оценки глубины.

Изобретение относится к области судостроения, а именно к области автоматического управления движением судов. Система идентификации гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна содержит рулевой привод, датчики: угловой скорости, курса судна, угла перекладки руля, боковой скорости, скорости хода судна, углового ускорения и бокового ускорения, блок задания маневра идентификации, два блока суммирования, блок памяти, блок сравнения, десять сумматоров и десять множителей.

Изобретение относится к области судовождения, а именно к автоматическому управлению движением судна по заданному маршруту. Отказоустойчивая система автоматического управления движением судна содержит датчик руля, датчик угловой скорости, датчик скорости хода, датчик угла курса, задатчик угла курса, сумматор, рулевой привод.

Изобретение относится к области судостроения, а именно к автоматическому управлению угловым движением судна. Для отказоустойчивого умерения крена судна на подводных крыльях используют: блок датчиков угла поворота закрылков, датчик угла крена, блок дифференцирования, блок приводов закрылков, блок регуляторов, на входы которого вводят сигналы: отклонения углов закрылков и производную оценку угла крена.

Изобретение относится к системам автоматического управления, работающих длительное время при воздействии неблагоприятных внешних факторов. Система управления, содержащая три управляющих вычислителя с подключенными к ним через блок сбора информации датчиками, аппаратурой спутниковой навигации, подсистемой инерциальной навигации, подсистемой оптической коррекции, содержит формирователь синхроимпульсов, переключатель каналов вычислителей, подключенный входами к вычислителям, а выходом - к исполнительным органам с датчиками обратной связи и формирователю синхроимпульсов, блок контроля и управления.

Изобретение относится к области судовождения. Система содержит приемник (1) спутниковой навигационной системы, задатчик (2) маршрута с выходами заданного сигнала путевого угла (ПУ) и заданного угла φзд угла курса, регулятор (3) угла δзд перекладки руля, рулевой привод (4), регулятор (5) оборотов nзд гребного вала, привод (6) гребного вала, регулятор (7) оборотов nподр, подруливающего устройства, подруливающее устройство (8), блок (9) сравнения, блок (10) разностей, блок (11) коррекции законов управления угла δ перекладки руля, оборотов nзд гребного вала, оборотов nподр подруливающего устройства, блок (12) четырех секторов граничных значений углов положения вектора путевого угла (ПУ), формирователь (13) коэффициентов управления и судно (14), соединенные между собой.

Группа изобретений относится к способу и устройству управления движением транспортного средства. Способ осуществляется посредством устройства управления движением. Устройство управления движением содержит первый, второй и третий детекторы и контроллер. Первый детектор выполнен с возможностью обнаруживать помеху рядом с рассматриваемым транспортным средством, движущимся в первой полосе движения. Второй детектор выполнен с возможностью обнаруживать вторую полосу движения, смежную с первой полосой движения. Третий детектор выполнен с возможностью обнаруживать третью полосу движения, следующую и смежную со второй полосой движения. Устройство управления движением выполнено с возможностью: 1) задавать первый диапазон для смены полосы движения во второй полосе движения, при этом первый диапазон имеет размер, равный или больший размера, который рассматриваемое транспортное средство занимает на поверхности дороги; 2) обнаруживать диапазон во второй полосе движения в качестве второго диапазона, при этом диапазон во второй полосе движения расположен сбоку от рассматриваемого транспортного средства, при этом помеха отсутствует в диапазоне во второй полосе движения; 3) разрешать рассматриваемому транспортному средству сменять полосу движения, когда второй диапазон полностью включает в себя первый диапазон. Достигается предоставление способа и устройства управления транспортным средством для автоматической смены полосы движения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 58 ил.

Изобретение относится к области судовождения, к автоматическому управлению движением судна-катамарана с двумя винторулевыми колонками при осуществлении им «сильных» маневров. Используют сигналы: текущих значений угловой скорости ω и ускорения dωdt судна в горизонтальной плоскости относительно центра масс, одинакового для двух ВРК угла поворота δ; постоянные значения: длины судна L, присоединенного момента инерции судна относительно вертикальной оси Jω, одинаковых для двух ВРК упоров винтов Tv, коэффициента усиления kδ и постоянной времени Tδ привода ВРК; значения постоянных задающих воздействий и исходных данных: заданной угловой скорости ω* судна относительно его центра масс; свободного параметра Tu, имеющего смысл постоянной времени и предназначенного для регулирования быстродействия переходного процесса по угловой скорости, шага h дискретности по времени при расчете управления v, подаваемого одновременно на оба привода ВРК. Управляющее воздействие v рассчитывают через фиксированные интервалы времени длительностью h методом терминального управления нелинейными системами - методом конечного состояния. Достигается повышение точности работы системы управления. 2 ил.

Наверх