Разработка методов идентификации и управления движением неустойчивого на курсе объекта со скрытыми динамическими особенностями: На примере речных водоизмещающих судов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, доктор технических наук Чиркова, Маргарита Макаровна

• Чиркова, Маргарита Макаровна
• доктор технических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор технических наук Чиркова, Маргарита Макаровна

Введение.

Глава I. Проблемы идентификации математической модели неустойчивого на курсе подвижного объекта, функционирующего в среде непредсказуемых внутренних и внешних помех (на примере речного водоизмещающего судна).

1.1. Проблемы идентификации нелинейной модели под вижного объекта с перекрестными связями и неизмеряемыми коорданатами состоя

12 . Методика натурных испытаний для структурной идентификации объекта (идентификация "в большом").

13 . Методика параметрической идентификации математической модели неустойчивого на заданном направлении объекта (идентификация "в малом").,.".

1.4. Таблица коэффициентов и набор расчетных и экспериментальных характеристик управляемости.

1.5. Выводы погшве I.

Глава II. Исследование скрьпых динамических особенностей подвижных объектов.

2.1. Существование эффекта седла и возможности его использования для стабилизации неустойчивости на курсе. Условие существования эффект седла.

2.2. О существовании областей пониженной управляемости в фазовом пространстве коорданат состояния.

2.3. О возможности длительной потери управления при заниженных скоростях привода руля направления.

2.4. Чередование областей различных сгатико-динамических особенностей объекта с изменением его чувствительности к управляющему воздействию.

2.5. О совместимости свойств поворотливости и устойчивости судна на курсе.—

2.6. Вывода по пиве II.

Глава III. Методика полномасштабных испытаний для определения стань ко-дошамическихособенностей объекта.

3.1. Метод продольного и поперечного сканирования сгатико-динамической плоскости . Эффекты, выявляемые при сканированиии. . 102 3. 2. Результаты натурных испытаний по оценке особенностей неустойчивых на курсе водоизмещающих судов, функционирующих в быстроизменяющейся внешней среде.

3.3 . Метод сканирования для оценки математических моделей объектов.

3.4. Выводы по главе III.

Глава 1У . Разработка алгоритма управления движением объекта по заданной траектории с использованием его динамических особенностей.

4.1. Идеология интеллектуального управления.

4.2. Алгоритм управления. Блок-схема диспетчера программ.

4.3. Режим стабилизации. Блок-схема алгоритма управления режимом стабилизации.

4.4. Осциллограммы натурных испытаний авторулевого с интеллектуальным алгоритмом управления в режиме стабилизации.

4.5. Алгоритм оптимального перевода объекта на новое направление с использованием эффекта седла.

4.6. Осциллограммы натурных испытаний интеллектуального авторулевого в режиме перевода на новое направление.

4.7. Выводы по главе IV.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов идентификации и управления движением неустойчивого на курсе объекта со скрытыми динамическими особенностями: На примере речных водоизмещающих судов»

Повышение качества процесса управления сложными техническими устройствами невозможно без детального изучения свойств объекта и поиска новых алгоритмов управления, использующих эти свойства . Известно, что исследование свойств и решение задачи управления усложняется, если динамика объектов описывается нелинейными дифференциальными уравнениями, структура и параметры которых существенно зависят от состояния внешней Среды. У рассматриваемого класса объектов неоднозначны не только собственные, но и вынужденные как установившиеся состояния, так и переходные процессы. Когда такой объект является подвижным, то процесс управления может потребовать лишних затрат энергии и быть не безопасным, если нет достаточной информации о текущем состоянии объекта (что возможно при неполностью измеряемом наборе координат состояния) , а его специфические свойства недостаточно изучены. Широко распространенными, но мало изученными с точки зрения статико-динамических особенностей и влияния внешней Среды на свойства объекта являются речные водоизмещающие суда, неустойчивые на курсе и функционирующие в среде непредсказуемых быстроменяющихся внешних помех.

Актуальным направлением повышения эффективности работы системы управления таким объектом в смысле увеличения скорости его дви-* жения, уменьшения энергии на управление, повышения безопасности движения является реализация внутренних ресурсов объекта.

Среди пробмем, возникающих при изучении динамики таких объектов и требующих решения, необходимо отметить сждуюище: I) разработка специальной методики проведения жсперимегапов над объектам в условиях ограниченного пространства, и времени в процессе его нормальной жсплусь-пищии; 2) определение математической модели "объект - Среда", адекватпищищ 2) определение штымапшческой модели "объект - Среда" адекватно отражающей реальные процессы; 3 ) разработка эффективного способа представления результатов моделирования или натурных экспериментов по оценке апатико-дшшмических особенностей объекта.

Первая проблема возникает в связи со спецификой объекта - речное водоизмещающее судно реально функционирует в среде , которая постоянна в окрестности небольшого водного пространства и на коротком интервале времени. Это требует специальной методики для изучения динамики объекта, выявлению скрытых, редко проявляемых свойств, некоторые из которых усложняют процесс управления, иногда даже приводят к катастрофическим последствиям, другие, наоборот, способствуют существенному улучшению качества процесса управления и значительной экономии энергии.

Вторая проблема связана с невозможностью отделить математическое описание объекта и Среды. Объект существует в Среде и с её изменением, как показали натурные испытания, математическая модель и, соответственно, свойства объекта меняются. Адекватность структуры математической модели объекта без учета изменений внешней среды непосредственно зависит от квалифицированно выполненного учета всех сил, создающих вращательные движения для объекта и этот вопрос можно считать решенным [ работы Афремова А.Ш., Басина А.М., Войткунского Я.И., Гофмана АД.,, Зайкова В.И., Kose К, Nomoto, Острецова (Шлейера) ГЭ., Першица Р.Я., Соболева Г.В., Тумашика А.П., Юдина Е.Б. и др.]. Однако вопрос создания максимально простой и в то же время сильной модели, адекватно отражающей динамику объекта при различном состоянии Среды, остается открытым. Кроме того для оценки параметров (коэффициентов) математической модели , требуются полномасштабные эксперименты в ограниченных пространственно-временных условиях и решение проблемы "восстановления" неизмеряемых координат состояния. г

Третья проблема связана с тем, что существующие способы отображения информации - частотные, временные характеристики и фазовые отображения, как показал опьгг работы с судами, не достаточно информативны и наглядны, а некоторую информацию, такую как расположение и размеры, исчезновение и возникновение под влиянием внешней Среды областей различной управляемости объекта , с помощью этих способов практически получить невозможно.

Решение этих проблей позволит разработать способ управления состоянием подвижных объектов, использующий их внутренние резервы, работоспособный при любом состоянии внешней Среды, допускающей движение, мгшкшюирующий время выхода объекта из сложных ситуаций и обеспечивающий минимум расхода энергии на управление.

Надо отметить, что рассмотренные проблемы присущны любым движущимся объектам, функционирующим в быстроменяющейся среде и неустойчивым на заданном направлении.

Этим взаимосвязанным проблемам идентификации, исследованию особенностей, отображению результатов исследования и разработке на этой основе способа управления движением объекта оптимального с точки зрения быстродействия , минимума затраченной энергии и безопасности движения посвящена данная диссертационная работ

Постановка такого комплекса проблем связана с выполнявшимися автором в течение последних десяти лет разработками способов проведения натурных экспериментов по выявлению статико-динамических особенностей , составлению и испытанию на различных типах речных судов самонастраивающегося амплшудно-широтноимпульсного логического алгоритма управления, учитывающего собственные свойства объекта.

Объектом исследования является: подвижный объект, в частности, неустойчивое на курсе водоизмещающее судно, функционирующее в условиях быстро и непредсказуемым образом меняющейся внешней среды.

Предмет исследования: проблемы идентификации математической модели и "восстановления" неизмеряемой координаты состояния; методики моделирования и проведения натурных испъпаний по выявлению особенностей динамики объектов; способы управления различными режимами движения, использующие скрытые свойства неустойчивого на курсе объекта.

Целью исследования является создание авторулевого, работоспособного при любом состоянии внешней Среды, допускающей судовождение, минимизирующего рысканье судна около заданного направления и количество перекладок рулевого органа. Это позволит повысить скорость и безопасность движения и уменьшить затраты энергии на управление.

Достижение цели исследования включает в себя решение следующих задач:

- создание метода структурной и параметрической идентификации математической модели и "восстановления" неизмеряемой координаты состояния по результатам натурных испытаний;

- разработку алгоритмов тестирования модели при машинном или объекта при натурном экспериментах доя оценки скрытых сгатико-динамических особенностей;

- создание самонастраивающегося ампшпудно-широтноимпульс-ного логического алгоритма, включающего элементы ситуационного управления и использующего скрытые динамические особенности объекта;

- испытания авторулевого с разработанным алгоритмом на речных судах различны проектов.

Методическую и теоретическую .базу диссертационной работы составляют подходы к решению задач идентификации подвижного нелинейного объекта с неизмеряемой координатой состояния, методы анализа свойств и управления его состоянием. При выполнении исследований автор опирался на работы отечественных и зарубежных ученых в области теории управления нелинейными и подвижными объектами : Айзермана МА., Александрова А .Г., Андронова А А., Арнольда В.И., Афремова А ЛИ., Васина А.М., Бесекерского ВА., Брусина ВА., Воронова А А., Воротникова В.И., Гилмора Р., Гофмана А Д., Зайцева В.И., Зубова В.И., Имаева ДХ., Катханова М.Н., Клыкова Ю.И., Красовского АА., Красовскош Н.Н., Красносельского МА., Кротова В.Ф., Кузнецова НА., Куржанского А.Б., Летова А.М., Лукомского Ю А., Миллера Б.М., Небылова А.В., Олейникова В А., Павлова Б.В., Первозванского А А., Першица Р.Я., Поспелова ДА., Румянцева В.В., Рушовского В.Ю., Соболева Г.В., Федяевского К.К, Фейгина М.И., Фельдбаума АА., Фрейдзона И.Р., Цыпкина Я.З., Черно-усько Ф.М., Inoue Z., Diffmar PJ., Kose N., Ljung L., Nomoto K., VoltaE., сотрудников отдела ИПУ РАН, возшавляемого в прошлом Кузнецовым НА., в настоящее время Павловым Б.В.

Научная новизна и ценность основного результата диссертационной работы состоит в следующих, выносимых на защиту, компонентах:

1. Разработан способ структурной и параметрической идентификации математической модели подвижного объекта и "восстановления" не-измеряемой координаты состояния. Разработанный способ позволяет по результатам эксперимента, проведенного в условиях рабочего режима движения , в ограниченном пространстве и времени, выяснить вид нелинейности объекта, порядок (1-ый или более) его дифференциальной модели и идентифицировать коэффициенты полной модели, включающей неизмеряе-мые координаты состояния.

2. Разработана методика проведения натурных и машинных испытаний по определению расположения и размеров областей различной управляемости объекта - нелинейных эффектов , учет которых в алгоритме повышает надежность процесса автоматического управления движением и увеличивает быстродействие ввода объекта в заданное состояние.

3. Предложен способ представления информации по результатам экспериментов в пространстве "координата состояния - управление - время" для отображения областей допустимых и опасных состояний объекта.

4. Предложен способ ввода объекта в стационарное неустойчивое типа седла состояние с нулевыми значениями измеряемых и неизмеряемых координат и остаточным управлением, величина которого определяется внешней Средой.

5. Разработан и испытан самонастраивающийся логический алгоритм управления из класса амплитудно-широтноимпульсньк, позволяющий минимизировать затраты энергии на управления, повышать скорость поступательного движения, за счет спрямления траектории движения и уменьшения лобового сопротивления движению, и работоспособного при любых внешних условиях , допускающих движение судна.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечена вычислительными исследованиями и натурными экспериментами, а также реализацией основных защищаемых положений в ряде внедренных прикладных разработок, прошедших испьпание на различных проектах речных водо-измещающих судов в 1985-1995 гх.

Практическая значимость и ценность диссертационной работы определяется созданным методическим обеспечением для исследования динамических особенностей подвижного объекта с помощью машинных или натурных экспериментов, анализом связи некоторых конструктивных параметров объекта с особенностями его динамики; обнаружением свойств, использование и учет которых при разработке способа управления позволил составить алгоритм , обеспечивающий показатели качества близкие к оптимальным.

Реализация результатов. Материалы диссертации представляют собой теоретическое обобщение подходов к решению взаимосвязанного набора практических задач идентификации, исследованию динамики и разработке алгоритма управления неустойчивыми на курсе объектом, реализованном в разработанном при участии и руководстве автора и опробованном на различных марках речных водоизмещающих судах авторуле9 вом.

Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с координационными планами научных исследований Департамента речного флота., целевой комплексной программой КГНТ СССР "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, станками и оборудованием с применением мини- и микроЭВМ, поддержаны грантами Российского фонда фундаментальных исследований (93-013-16253, программы 1993-95г.). Прикладные разработки осуществлялись в рамках планов тем бюджетных и хоздоговорных работ Волжской государственной академии водного транспорта, Департамента речного транспорта, Волжского объединенного речного пароходства.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на факультетах ВГАВТ.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: #

ХУ1, ХУШ, XIX и последующих н-т конференциях проф.-преп. состава ГИИВТ. - Горький, 1972, 1975, 1976 - 1996 гг., ГУ координационном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана" (г.Севасгополь, 1983г.), н-т конференции ученых Горьковского региона. - Горький, !984, семинарах по управляемости судов Волжско - Камского отделения НТО им. А.Н. Крылова (г. Горький, 1984-85 гг.), ХУ всесоюзной научно-технической конференции "Очередные задачи судостроения" (г. Горький, 1 985г.),

10

Всесоюзной конференции по нелинейным колебаниям. - Москва, 1987, У Четаевской конференции "Аналитическая механика, устойчивость, управляемость". - Казань, 1987, на 14, 16, 18, 19, 21, 22 расширенных заседаниях Совета по управлению движением морских судов и аппаратов, ИПУ РАН, 1987, 1989, 1991, 1992, 1994, 1995 гг., Всесоюзном семинаре "Динамика нелинейных процессов". - Таллин, 1987, II Всесоюзной конференции "Нелинейные колебания механических систем". - Горький, 1990, VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике. Москва, 1990 , III Межгосударственной конференции "Нелинейные колебания механических систем", Н-Новгород, 1993, Всероссийской научно - технической конференции "ТРАНСКОМ - 94, "Управление и информационные технологии на транспорте". - С-Петербург, 1994, IV конференции "Нелинейные колебания механических систем5'. - Н-Новгород, 1996, на семинарах в ИПУ РАН (1985,1996гг.).

Публикации. Результаты, полученные автором по теме диссертации, опубликованы в работах [150,152-160,162-164,172-180] .

Руководство хоздоговорными , научно-исследовательскими работами и участие в грантах.

1. Руководство научно-исследовательской работой " Разработать алго-ршм автоматического управления курсом судна и провести натурные испытания цифрового авторулевого на базе ЦВМ" , 1990г. Заказчик НИС ШИВТ.

2. Руководство х/договорной работой N 91/08 от 1.01.91г. Заказчик "Волжское объединенное речное пароходство". "Исследование возможности создания цифрового авторулевого для судов с плохой управляемостью и проведения испытания макетного варианта авторулевого".

3. Руководство х/договорной темой N 92401 от 1.04.92. Заказчик

Волжское объединенное речное пароходство". "Изготовление опытного а образца авторулевого на базе микроЭВМ 1201.04 дня грузового состава ОТ-2459".

4. руководство х/договорной темой 93/13 от 1.01.93 г. Заказчик "Волжское объединенное речное пароходство". "Разработка и изготовление интеллектуального авторулевого для судна "Л.Соболев".

5. руководство х/договорной темой N 943536 от 19.05.94 . Заказчик "Департамент речного транспорт министерства Транспорта". "Разработать лабораторный образец интеллектуального авторулевого с ситуационным алгоритмом управления на т /х "Ю. Долгорукий".

6. руководство х/договорной темой N953937 / 57 от 1.01.95г. Заказчик "Департамент речного транспорта министерства Транспорта". "Разработка опьпного образца авторулевого дня речных водоизме-щающих судов".

7. Исполнитель проекта, финансируемого Российским Фондом Фундаментальных Исследований 1993 - 95 гг. "Странные аттракторы, бифуркации, управление и оптимизация в динамических системах : новые эффекты, методы и алгоритмы". Раздел 3. "Последовательности бифуркаций, новые нелинейные эффекты и их реализация в алгоритмах управления неустойчивыми объектами".

В первой главе (Проблемы идентификации математической модели неустойчивого на курсе подвижного объекта , функцжширующего в среде непредсказуемых внутренних и внешних помех) рассматриваются проблемы идентификации объекта с частично измеряемыми координатами состояния, у которого статико-динамические характеристики как в качественном так и в количественном отношении зависят от состояния внешней Среды, состояние которой может меняться быстро и непредсказуемым образом.

В разделе 1.1 рассматриваются проблемы идентификации "полной" математической модели объекта, включающей неизмеряемые фазовые координаты. Показано, что исключение неизмеряемой координаты и переход к модели более высокого порядка относительно идешифицируемои , не только затрудняет анализ, но и скрывает некоторые особенности его динамики.

В разделе 1.2 разрабатывается методика натурных экспериментов д ля качественной и количественной оценки статической характеристики управляемости объекта с одной или более неустойчивой ветвью. Предложенный способ медленного сканирования плоскости статической характеристики не требует большого пространства и сложной метод ики обработки результатов эксперимента.

В разделе 1.3 разрабатывается способ параметрической идентификации "полной" с неизмеряемой координатой,математической модели нелинейного объекта по результатам натурных испьпиний. Определяется набор необходимых осциллограмм измеряемой координаты, по которым возможна оценка всех коэффициентов модели с точностью до неизвестного масштаба.

В разделе 1.4 даны таблицы коэффициентов модели (1Л. 1) для различных типов судов . В таблице 1.4.1 представлены данные из указанных в разделе источников. В 1.4.2 - определенные по результатам натурных испыганий судов, проведенных автором работы, и методике, разработанной в 13 .

Во второй главе (Исследование скрытых динамических особенностей подвижных объекте®) проводится исследование скрытых нелинейных эффектов объекта с 5 - образной статической характеристикой управляемости и неустойчивым типа седла желаемым состоянием равновесия с помощью математического моделирования и по анализу осциллограмм натурных испытаний. В разделе 2.1 выводится условие существования эффекта седла и возможности его использования для стабилизации неустойчивости объекта. Показывается , что при некоторых соотношениях коэффициентов модели, что определяется состоянием внешней Среды, седловая точка может иметь эффект притяжения, т.е. при вовремя снятом управлении объект способен быстро прийти в состояние неустойчивого равновесия и находится в нем теоретически бесконечно долго, если приход в седло шел по сепаратрисе, и таким образом вести себя как устойчивый объект. В этом случае идет речь об эффекте седла. При невыполнении условия существования седло может быть "безразличным" ( корни характеристического уравнения системы (1.1.1) приблизительно равны по абсолютной величине) или "отталкивающим" (положительный корень больше, чем модуль отрицательного). В разделе 2.1 так же сформулирована и решена задача перевода объекта из состояния с отклоненными значениями фазовых координат и управления в состояние с нулевыми значениями координат и "остаточным " управлением, величина которого неизвестна и зависит от внешней Среды. Данная задача возникает при оптимальном переводе судна на новый курс.

В разделе 2.2 с помощью математического моделирования показывается и устанавливается причина существования в фазовом пространстве г /7ека^о* iio.-e.TcJ , >цо „ области пониженной управляемости. Устанавдашаетея причина указанной оеебеннвешткогда при управлении больше критической величины после оео6енности,тсоща при упраш^иибожше^критче^ после слияния седла с одним из узлов и их исчезновения остается фазовое пятно -область состояний объекта с пониженной управляемостью. Скорость изображающей точки внутри этой области может быть существенно меньше скорости той же точки вне её и при этом знаки фазовых координат еще противоположны знаку управляющего воздействия. Такие случаи соответствуют потере управляемости судна на определенном отрезке времени. Характеристика управляемости судов дополняется значением минимального угла перекладки руля, при котором исчезает влияние фазового пятна.

В разделе 23 показано, что при некоторых соотношениях гидродинамических коэффициентов (что определяется внутренними (конструкция корпуса и рулевого устройства) и внешними (состояние внешней Среды) причинами объект может на д лительное время терять управление - эффект обратной управляемости , когда судно продолжает наращивать угловую скорость поворота при смене знака управления. Это состояние может продолжаться от 10 - 20 сек (при нормальной) до 2-3 минут (при заниженной скорости перекладки руля направления. Определено , при каких соотношениях гидродинамических коэффициентов этот эффект практически незаметен.

В разделе 2.4 показано, что объект, функционирующий в условиях непрерывно меняющей своё состояние среде, может иметь не один набор коэффициентов модели. Для речного водоизмещающего судна определено 4 таких набора. При переходе от набора к набору некоторые коэффициенты меняются на 1 -2 порядка, вплоть до смены знака, что определяет разные статико-динамические характеристики судов. Показано, что при одном из наборов ситуаций объект имеет "проницаемую характеристику управляемости", когда координаты состояния не задерживаются при подходе к верхней, устойчивой ветви характеристики, а выходят на вторую нижнюю устойчивую ветвь. Это может привести к тому, что при построении сгати

-устойчивую ветвь. Это может привести к тому,, что при построении статической характеристики по результатам натурных испытаний, проведенных по стандартной методике, часть характеристики в окрестности управления меньше критической величины будет потеряна. В этом случае реальный объекта может находится в непредсказуемом статическом состоянии , кото

V се сс рое в действительности соответствует потерянному участку характеристики, и во вторых, если это состояние близко к границе проницаемости, возможен "срыв" на статическую ветвь с противоположными по знаку координатами состояния.

В разделе 2.5 выводится условие совмещения двух противоречивых свойств: хорошей поворотливости объекта и достаточной устойчивости его е на курсе.

В третьей главе (Методика полномасштабных испыташда для определения статико-динашнеских особенностей объекта) разрабатывается методика проведения полномасштабных испытаний речного водоизме-щающего супца для глобальной идентификации его математической модели и поиска скрытых нелинейных эффектов.

В разделе 3.1 разрабатывается метод простого , поперечного и продольного сканирвания плоскости статической характеристики У(Ц) для получения сгатико-динамическош портрета объекта . Картина на статико-динамической плоскости "У-Ш" позволяет выявить количество и расположение устойчивых ветвей характеристики управляемости, расположение и размеры областей повышенной, пониженной и обратной управляемости объекта.

В разделе 3.2 представлены результаты натурных испытаний по оценке особенностей неустойчивых на курсе водоизмещающих судов. Испытания подтвердили наличие особенностей , обнаруженных моделированием (эффект седла, существование области пониженной управляемости) и выявили некоторые особенности (существование области обратной управвыявили некоторью бсобешосш (существование <>бласш^ управляемости, эффекта "блуждания угловой скорости рысканья"), в дальнейшем подтвержденные моделированием. Учет этих особенностей в алгоритме управления позволил практически на порядок поднять показатели качества управления и существенно расширить диапазон изменения внешней Среды, допускающий режим автоматического управления движением объекта.

Четвертая глава посвящена описанию интеллектуального (логического ) амплтудно-широтноимпульсного способа управления неустойчивым на курсе объектом с перекрестными связями, частично наблюдаемыми координатами, с неустойчивым типа седла стационарным состоянием и подверженном сильному влиянию быстроизменяющейся внешней Среды.

В разделе 4.1 обсуждается идеология развития управляющего воздействия. Показывается , что в условиях быстроменяющейся внешней Среды свойства объекта и, соответственно, его реакция практически непредсказуемы. На первое место выступает правильная оценка его отклика на малое управление, которая делается по результатам текущего и предыдущего опроса датчиков состояния. Предлагается формировать управление за несколько тактов. На первом подается минимальное управление , на втором оценивается направление, а на третьем интенсивность реакции. По результатам анализа ситуации на 2 и 3 тактах с учетом причин, приведших объект в данное состояние, принимается решение об изменении управления.

В разделе 4.2 рассматривается алгоритм принятия решения. На первом этапе из зад анного ограниченного пространства ситуаций выбирается текущая, после чего оценивается состояние объекта: знаки и величины фазовых координат, абсолютная и относительная интенсивность их развития. я

После этого анализа из пространства решений выбирается необходимое, соответствующее данному этапу развития процесса управления.

В разделе 43 описывается алгоритм управления режимом стабилизации. Амплитуда, фронт, длительность и скважность управляющего импульса формируются по состоянию объекта с учетом предыстории развития процесса, т.е. с учетом ситуации (или причины), приведшей объект в данное состояние. В режиме "стабилизация" автомат может принимать два решения - оперативное решение о величине управления на данный момент и глобальное решение об изменении некоторых констант алгоритма, например, минимального значения управления и положения рулевого органа, принимаемого за нулевое. Алгоритм использует эффект седла и обходит все места фазового пространства с пониженной управляемостью, что заметно улучшает качественные показатели процесса. Натурные испытания авторулевого с таким интеллектуальным алгоритмом подтвердили его работоспособность при любых внешних условиях, допускающих судовождение.

В разделе 4.4 приводятся осциллограммы ручного и автоматического удержания судна на заданном направлении. Для сравнения приводятся осциллораммы стабилизации объекта штатным авторулевым с ПИД-регулятором.

В разделе 4.5 описывается алгоритм оптимального перевода объекта на новое направление с использованием эффекта седла (сепаратрисы). Решается задача перевода объекта из начального отжюненного состояния в некоторое конечное, принадлежащее сепаратрисе седла.

В разделе 4.6 приводится набор осиллограмм ручного и автоматического перевода судна на новое направление. ;>

На защиту выносятся

1. Методика параметрической идентификации и идентификации в целом нелинейной математической модели неустойчивого на курсе объекта с неполностью измеряемыми фазовыми координатами состояния.

2. Методика натурных испытаний и машинных экспериментов по определению скрытых сгатико-динамических особенностей (нелинейных эффектов) объект управления.

3. Способ представления информации в пространстве " координата состояния - управление - время " для отображения областей допустимых и опасных состояний объекта.

4. Способ ввода объекта в стационарное неустойчивое типа седла состояние с нулевыми значениями фазовых координат и остаточным управлением, величина которого определяется состоянием внешней Среды.

5. Алгоритм управления состоянием из класса логических амплшудно-широтноимпульсных, учитывающий сгатико-динамические особенности неустойчивого на курсе объекта, функционирующего в среде быстро и непредсказуемым образом меняющихся помех.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Чиркова, Маргарита Макаровна

4.7. Выводы по главе IV.

1. Разработан и прошел испытания интеллектуальный алгоритм управления д вижением неустойчивого на курсе объекта, движение которого происходит в условиях сильных и быстро меняющихся внешних условиях.

2. Предлагается формировать управление на основании текущего и предыдущего состояния объекта с учетом результатов анализа причин (ситуации), приведших объект в данное состояние. Формирование больших управлений, как правило, имеет несколько фаз. В первом такте формируется минимально возможное управление, во втором оценивается тип реакции - отреагировало ли ускорение должным образом на изменение управления или нет, в третьем такте оценивается интенсивность реакции, после чего принимается (или не принимается) решение об увеличении управления.

3. Автомат может принимать два решения - оперативное решение о величине управления на данный момент и глобальное решение об изменении некоторых констант алгоритма, например, минимального значения управления и положения рулевого органа, принимаемого за нулевое.

4. Показано, что отсутствие информации о состоянии внешней Среды не является препятствием! для формирования необходимого по величине и длительности управления, так как в алгоритме заложен механизм "ловушек" которые набирают статистику о некоторых особых ситуациях, на основании которой принимается глобальное решение об изменении некоторых констант алгоритма, что необходимо в случае, когда по-слушливосгъ объекта управлению меняется.

5. В результате натурных экспериментов обнаружена экстремального характера зависимость между показателями качества управления, в частности, количеством перекладок рулевого органа, и частотой опроса датчиков состояния. Проверка при натурных экспериментах различных алгоритмов показали ухудшение показателей качества управления при попытке ввести элементы прогнозирования по координате отклонения от курса.

6. Разработанный импульсный алгоритм "дышит", т.е. по мере необходимости меняет амплитуду, ширину и "фронт" управляющего импульса, алгоритм наращивания и уменьшения управляющего сигнала зависит от типа и величины реакции на управление. состояния объекта на данный момент и ситуации (причины), из-за которой он пришел в данное состояние. Алгоритм использует эффект седла и обходит все места фазового пространства с пониженной управляемостью, что заметно улучшает качественные показатели процесса. Натурные испытания авторулевого с таким интеллектуальным алгоритмом управления на различных проектах речных водоизмещающих судах неустойчивых на заданном направлении подтвердили его работоспособность при любых внешних условиях, допускающих движение судна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом диссертационной работы является решение крупной проблемы, имеющей важное научно-практическое значение, в части идентификации математической модели , скрытых свойств и способов управления, использующих динамические особенности неустойчивого на курсе объекта, функционирующего в условиях быстро и непредсказуемым образом меняющейся внешней среде.

Разработка и внедрение, основанного на результатах исследования, алгоритма управления, позволило практически на порядок улучшить такие показатели качества управления как точность удержания на курсе, угловую скорость рысканья, количество перекладок рулевого органа при стабилизации объекта на заданном направлении и тем самым поднять скорость его поступательного движения при уменьшении затрат на топливо.

Алгоритм авторулевого оказался работоспособным при любом состоянии внешней Среды допускающей движение судна .

При решении указанной проблемы были разработаны вопросы и получены следующие результаты.

1. Впервые, применительно к речным судам, осуществлена общая постановка задачи для решения крупной проблемы, имеющей важное научно-практическое значение, в части идентификации математической модели , скрытых свойств и способов управления, использующих диамические особенности объекта, функционирующего в условиях быстро и непредсказуемым образом меняющейся внешней среде.

2. Показано, что, нецелесообразно выводить из системы уравнений, описывающих динамику неустойчивых на курсе объектов, неизмеряемые, по причине отсутствия датчиков, координаты состояния. В противном случае не находится полный набор коэффициентов математической модели, а лишь соотношения между ними. Это усложняет исследование и 4 объяснение некоторых динамических особенностей объекта управления.

3. Разработана методика идентификации в большом (структурная) и предложен способ оценки параметров полной модели объекта, вклю чающей и неизмеряемые координаты состояния, по результатам анализа осциллограмм измеряемой координаты, записанных на специальных режимах движения объекта.

4. Разработана методика получения и способ представления информации для наглядного отображения областей допустимых и опасных состояний объекта по результатам медленного поперечного и продольного сканирования етатико-динамической плоскости "У- и -1".

5. Разработан способ ввода (по линии сёдел на плоскости "У- и - г") объекта в седло - желаемое состояние неустойчивого равновесия с нулевыми значениями координат состояния и управлением , меняющимся с изменением внешней Среды. Таким образом решена задача перевода объекта из заданного состояния УцО) = Ую, и(0) = Но, в состояние У1 Ок) = 0 и неполностью определенными остаточным управлением и(гк) = ДО, где ДО- неизвестная функция , зависящая от состояния внешней среды.

6. Выведено соотношение между конструктивными характеристиками судна - условие существования эффекта седла , когда при попадании в малую окрестность последнего объект управления способен дпительное время находится в состоянии неустойчивого равновесия с нулевыми значениями координат состояния.

7. Показано, что при невыполнении условия существования эффекта неустойчивое состояние равновесия при нулевых значениях фазовых координат отталкивает от себя изображающую точку и поведение в окрестности седла становится аналогично поведению в окрестности не* устойчивого узла, что соответствует повышенной рыскливости судна на заданном направлении.

8. Показано» что для судов неустойчивых на прямом курсе с З-образной характеристикой управляемости при управлении больше критической величины после слияния седла с одним из узлов и их исчезновения остается фазовое пятно - область состояний судна с пониженной управляемостью. Скорость изображающей точки внутри этой области может быть существенно меньше скорости той же точки вне её и при этом знаки фазовых координат еще противоположны знаку управляющего воздействия. Такие случаи соответствуют понижению управляемости судна на определенном отрезке времени. Характеристика управляемости судов дополняется значением минимального угла перекладки руля, при котором исчезает влияние фазового пятна.

9. Экспериментально обнаружена и подтверждена моделированием способность некоторых проектов судов к временной потере управляемости, когда объект длительное время продолжает наращивание угловой скорости поворота даже при смене знака управления. Выход из этого состояния требует значительного увеличения управляющего воздействия соответствующего знака. Выведено соотношение между коэффициентами модели (гидродинамическими коэффициентами судна), при выполнении которого область потери управления (обратной управляемости) практически отсутствует.

I (^Моделированием показано, что для одного из видов статических характеристик объекта управления существует "эффект проницаемости" характеристики , когда координаты состояния не задерживаются при подходе к верхней, устойчивой ветви характеристики;, а выходят на вторую нижнюю устойчивую ветвь. Таким образом, при построении статической характеристики по результатам натурных испытаний, проведенных по стандартной методике, часть характеристики в окрестности критических управлений может быть потерянной. Это, во-первых, приводит к тому, что для реального объекта возможны непредвиденные статические состояния, которые в действительности соответствуют "потерянному " участку характеристики, и во вторых, при нахождении объекта в статическом состоянии, близком к границе проницаемости, возможен его "срыв" на статическую ветвь со значительно измененными координатами состояния .

II .Показана возможность совмещения двух противоречивых свойств подвижного объекта : устойчивости на курсе и поворотливости. Выведено соотношение между гидродинамическими коэффициентами, обеспечивающее хорошую поворотливость и достаточную устойчивость судна на курсе.

12.Разработана методика проведения экспериментов по оценке скрытых особенностей объекта, для чего введено понятие простой , продольной и поперечной спирали для сканирования статико-динамической плоскости, в этом случае "У- 11-1" -отображение позволяет выявить некоторые важные для построения алгоритма управления свойства объекта: количество и расположение устойчивых ветвей характеристики управляемости, существование и размеры областей повышенной, пониженной и обратной управляемости объекта.

13. Аналитически показано и подтверждено результатами натурных испытаний, что при изменении внешней Среды меняются все гидродинамические коэффициенты модели, сильнее всего (на 2-3 порядка) меняется чувствительность объекта к управлению, что является причиной существования 4 видов статической характеристики управляемости и, соответственно, динамических особенностей одного и того же судна.

14.Разработан интеллектуальный (логический) ситуационный амплитуд-но-широтно-импульсный способ управления неустойчивым на курсе объектом с перекрестными связями, частично наблюдаемыми координатами состояния и подверженным сильному влиянию быстроизме-няющейся внешней Среды. Способ, опробованный на различных типах речных водоизмещающих судов, обеспечивает: а) минимизацию использования энергии на управление за счет уменьшения амплитуды и количества перекладок руля, б) увеличение скорости поступательного движения за счет уменьшения лобового сопротивления движению судна, что обеспечивается уменьшением максимальных значений фазовых координат при рысканье объекта около заданного направления, в) работоспособность и удовлетворительные показатели качества при любом состоянии внешней Среды, допускающей движение объекта. Амплитуда, фронт, длительность и скважность управляемого импульса формируются по состоянию объекта с учетом предыстории развития процесса, т.е. с учетом ситуации (или причины), приведшей объект управления в данное состояние.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Чиркова, Маргарита Макаровна, 1997 год

1. Автоматизация производственных процессов на водном транспорте. Учебник./ Попов С.А., Кулибанов Ю.М., Ковалев Ю.Н., Бондаренко В.Л., Сазаров B.B. М.: Транспорт, 1983. -240с.

2. Айзерман МА. Теория автоматического регулирования. -М.: Наука, 1979.-335с.

3. Айзерман М.А. Краткий очерк становления и развития классической теории регулирования и управления (обзор) // А и Т. 1993. N7. С.5-18.

4. Александров А.Г. Частотное адаптивное управление. I // А и Т. 1994. N12. С.93-103.

5. Александров А.Г. Частотное адаптивное управление. II // А и Т. 1995.N1.C. 117-127.

6. Андриенко АЛ. Оценивание вектора возмущений. Алгоритм быстрого оценивания вектора высокой размерности // А и Т. 1996. N3. С.4-14.

7. Андронов A.A., Витг A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. -М.: Физматгиз, 1959. -915с.

8. Антипов В.В., Подгорец В.Я., Скороходов Д.А. Адаптивная система управления движением судна на подводных крыльях. В сб. «Автоматизация морских судов». Л., Судостроение, 1985.

9. Арнольд В.И. Теория катастроф. -М.: МГУ, 1 Ю.Астафьева И.Н., Гаврилов А.Е., Логачев С.Ю., Пастернак

10. С.М., Торопцов B.C. О неэффективности апатистических режимов управления процессом // А и Т. 1993. N2. С.29-33.

11. П.Афремов А.Ш. Рыскание судов на волнении. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1966, вып. 232, с. 3-20.

12. Баганин A.A., Бочагов В.И., Сидоров В.П. Методика Выбора параметров системы автоматического управления движением транспортных средств, оборудованных КАУИ. Сборник трудов N 19 Совета по управлению движением. М.: ИПУ АН РФ, 1992г.

13. Басин A.M. Теория устойчивости на курсе и поворотливости судна. -М.-Л. :ГИТТЛ, 1949. -176с.

14. Басин A.M. Ходкость и управляемость судов. -М.: Транспорт, 1961. -175с.

15. Басин A.M., Анфимов В.Н. Гидродинамика судна. -Л.: Речной транспорт, 1969. -553с.

16. Баутин H.H. Поведение динамических систем вблизи границы области устойчивости. -М.: Наука, 1984. -176с.

17. Баутин H.H., Леонтович Е.А. Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости. -М.: Наука, 1976. -476с.

18. Бахтизин Р.Н., Латыпов А.Р. Оценка порядка линейных объектов по экспериментальной информации // А и Т. 1992. N3. С.108-123.

19. Беллман Р. Методы вычислений : Избранные главы (обзор) //А и Т. 1993. N8. С.3-39.

20. Бенедикт С. Принятие решений при ненадежной информации//А и Т. 1996. N9. С.151-162.

21. Березин СЛ., Тетюев В А. Системы автоматического управления движением судов по курсу. -Л.: Судостроение, 1974. -264с.

22. Бернштейн С.И., Кузнецов H.A., Шлейер Г.Э. Функциональная структура подсистемы управления движением. В сб. «Теоретические вопросы построения АСУ крупнотоннажными транспортными судами». М., Наука, 1978.ш

23. Теоретические вопросы построения АСУ крупнотоннажными транспортными судами». М., Наука, 1978.

24. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1975. -767с.

25. Бесекерский В.А, НебылоВ A.B. Робастные системы автоматического управления. -М.: Наука, 1983, -240с.

26. Бобылев H.A., Дементьева A.M., Красносельская А.Н. Об индексе Пуанкаре в задачах управления и оптимизации // А и Т.1994. N2. С.32-42.

27. Бодянский Е.В., Котляревсрий C.B. Адаптивное управление динамическим существенно нестационарным объектом //А и Т.1995. N6. С.11-21.

28. Борисов В.Г., Гуляев А.И., Тарасов H.H., Тахтамышев М.Г. Оценка текущего состояния объекта в задачах ситуационного1.Г—"управления. Доклад на XXI совете по упр.У 1994г.

29. Бояринов B.C., Чиркова М.М. К теории нелинейного авторулевого с запаздыванием, Т/ Горьковск.ин-т инж.водн.тр-та, 1978. Вып. 16 i.e. 19-34.

30. Бояринов B.C., Чиркова М.М. К исследованию динамики некоторых нелинейных систем автоматического регулирования. Тр./ Горьк.ин-та инж. водн.тр-та, 1974,вып. 137, с.60-67.

31. Брусин В.А. Об одном классе сингулярно-возмущенных адаптивных систем. I //А и Т. 1995. N4. С.119-130.

32. Брусин В.А. Об одном классе сингулярно-возмущенных адаптивных систем. II // А и Т. 1995. N5. С. 103-113.

33. Брусин В.А. Частотные условия H управления и абсолютной стабилизации // А и Т. 1996. N5.С. 17-27.

34. Брусин В.А., Угриновская ЕЛ. Децентрализованное адаптивное управление с эталонной моделью IIА и Т. 1992. N10. С.29-45.

35. Брусин В.А., Угриновская ЕЛ. О децентрализованном адаптивном управлении с эталонной моделью // А и Т. 1996. N12. С.67-77.

36. Булычев Ю. Г., Манин A.A. Синтез адаптивных систем оптимального управления стохастическими объектами на основе прогнозирующей модели // А и Т. 1995. N9. С.81 -93.

37. Булычев Ю.Г., Бурлай И.В. Системный подход к моделированию сложных динамических систем в задачах оптимизации с прогнозирующей моделью //А и Т. 1996. N3. С.34-45.

38. Булычев Ю.Г., Манин A.A. Аналитическое конструирование систем управления в условиях априорной неопределенности II А и Т. 1996. N11.С.74-84.

39. Бюнау А.Э., Гольдин А.И., Корчанов В.М. Комплексная система управления движением судна будущего. М., ИПУ АН СССР, 1987, ДСП.

40. Васильев A.B., Белоглазов В.И. Управляемость винтовогогсудна.-М.: Транспорт, 1966. 167с.

41. Войткунский Я.И., Титов И.А. Судовые двигатели и управляемость, / Справочник по теории корабля. Л.: Судостроение, 1973. -321с.

42. Воронов A.A. Устойчивость, управляемость, наблюдае-мость.-М.: Наука, 1979. -336с.

43. Воротников В.И. Об оптимальной стабилизации нелинейных управляемых систем И А и Т. 1991. N3. С.22-32.

44. Воротников В.И. Задачи и методы исследования устойчивости и стабилизации движения по отношению к части переменных:7