Системы адаптивного управления движением судна по курсу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат наук Чинчукова Елена Павловна

• Чинчукова Елена Павловна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Чинчукова Елена Павловна

Введение

1 Математические модели судна

1.1 Общая математическая модель судна

1.2 Упрощенные математические модели судна

1.3 Математические модели рулевой машины

Выводы по первой главе

2 Разработка систем идентификации математической модели судна на основе степенных рядов

2.1 Оценка параметров модели судна

2.2 Разработка алгоритмов и систем адаптивной идентификации параметров управляемости судна на основе метода скоростного градиента и степенных рядов

2.3 Реализация систем адаптивной идентификации параметров судна в среде Ма^аЬ

2.4 Численное моделирование разработанных систем адаптивной идентификации параметров судна

2.4.1 Пример идентификации параметров судна с использованием данных таблиц маневренных элементов

2.4.2 Моделирование системы идентификации параметров судна по линейной модели

2.4.3 Моделирование системы идентификации параметров судна по

1-й нелинейной модели

2.4. 4 Моделирование системы идентификации параметров судна по

2-й нелинейной модели

Выводы по второй главе

3 Разработка алгоритмов настройки оптимальных параметров системы управления курсом судна на основе эталонной модели

3.1 Алгоритм настройки параметров системы управления курсом судна на основе эталонной модели

3.2 Настройки параметров системы управления курсом судна по критерию технического оптимума

3.3 Настройки регулятора системы управления по критерию минимального времени переходного процесса

Выводы по третьей главе

4 Синтез адаптивных систем управления курсом судна

4.1 Робастно - адаптивная система управления курсом судна

4.2 Синтез адаптивных систем управления курсом судна на основе квадратичного критерия качества

4.3 Адаптивная система управления курсом судна на основе квадратичного критерия качества с рулевой машиной линейной динамики

4.4 Адаптивная система управления курсом судна на основе квадратичного критерия качества с рулевой машиной нелинейной динамики

4.5 Синтез адаптивных систем управления курсом судна на основе квадратичного критерия качества с огрублением алгоритма процесса адаптации

4.6 Синтез адаптивных систем управления курсом судна на основе интегрального критерия качества

4.7 Сравнительный анализ адаптивной и робастной систем управления курсом судна

Выводы по четвертой главе

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системы адаптивного управления движением судна по курсу»

Введение

Актуальность темы исследования. Повышение безопасности мореплавания является одной из актуальных проблем при эксплуатации морского транспорта. Морское судно представляет собой сложный комплекс, содержащий множество систем (основные системы - система управления, системы радиосвязи и навигации, системы жизнеобеспечения, энергетические установки и др.). Одной из основных систем, обеспечивающих функционирование судна, является система управления его движением. Качество процессов управления и соответственно безопасность мореплавания в значительной мере зависит от характеристик показателей системы управления. Совершенствование известных и разработка новых систем управления движением судна является актуальной проблемой.

Вопросами исследования и разработки системы управления движением судна и смежными задачами занимались российские ученые -М.Д. Агеев, Л.Л. Вагущенко, К.К. Васильев, А.С. Васьков, Е.И. Вере-мей, Я.И. Войткунский, В.В. Завьялов, Ю.А. Лукомский, А.А. Миро-ненко, В.Г. Пешехонов, Д.А. Скороходов, В.С. Чугунов, Ю.И. Юдин и другие, а также зарубежные исследователи - J. van Amerongen, J.G. Cooke, Egeland, T.I. Fossen, T.A. Johansen, Healey, A.A. Longhi, S. Monteriu, Peres, A. Ross, J.-J.E. Slotine, L. R. Sutton, O.D.R. Yorger, и др.

Морское судно представляет собой сложный динамический объект, движение которого описывается в общем случае системой нелинейных дифференциальных уравнений, где кинематика и динамика судна представлены 12 уравнениями [43, 44].

В виду сложности математической модели, основанной на дифференциальных уравнениях высокого порядка, на практике часто исполь-

зуются упрощенные линеаризованные и нелинейные модели динамики судна.

Для частных режимов движения судна может быть выполн е-на декомпозиция полной математической модели большой размерности на математическую модель меньшего порядка.

Существует множество подходов для решения задач управления движением судна, использующих методы линейной теории автоматического управления, нелинейного управления, робастного, управление с переменной структурой, нейросетевого, адаптивного, интеллектуального управления [ 3, 11, 14, 21-32, 35, 37, 44, 48-50, 54-57, 62, 63, 65, 67, 68, 73, 74, 77-81, 83, 86-93, 97-99].

Анализ особенностей судна и условий его эксплуатации показывает, что для этого объекта управления характерна неопределенность параметров. Это объясняется изменением загрузки судна, е е распределением, варьирование его осадки, изменением качества поверхности судна и другими факторами. Известно, что изменение параметров управляемого объекта, при фиксированных параметрах регулятора может приводить к ухудшению качества процессов в системе управления или даже к потере ее устойчивости (т.е. работоспособности). В связи с этим прямое применение классических методов линейной теории управления может не гарантировать высокое качество процессов в управляющей системе. Методы построения систем с переменной структурой, представляющих класс нелинейных систем, ориентированы на применение сигналов релейного (разрывного) типа, они обеспечивают в определенной степени робастные и пассивные адаптивные свойства [23, 95], однако, представляются сложным для реализации в системах управления движением судна. Методы интеллектуального управления и, в частности, нейросетевые методы построения систем в настоящем время также нашли свое применение для управления морскими подвижными объектами [23, 41, 95, 100], однако они

не разработаны теоретически в достаточной мере и требуют дальнейшего развития.

Из перечисленных выше методов построения системы управления одним из перспективных представляется подход, основанный на принципе адаптации, т.е. приспособления параметров управления к изменению управляемого объекта.

Цель диссертации заключается в разработке, исследовании систем и алгоритмов адаптивной идентификации, и управления движением судна по курсу.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- краткий анализ особенностей математических моделей движения судна по курсу;

- разработка алгоритмов и систем адаптивной идентификации параметров управляемости судна на основе степенных рядов;

- построение алгоритма настройки параметров регуляторов системы управления движением судна по курсу на основе эталонных моделей;

- реализация алгоритма и системы робастно-адаптивного управления движением судна по курсу;

- создание алгоритмов и систем адаптивного управления курсом судна на основе квадратичных критериев качества локального и интегрального типа;

- проведение численных экспериментов по проверке теоретических результатов.

Область исследования - разработка методов и систем обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства.

Объект исследования - совокупность методов и средств автоматического управления курсом судна и методы его настройки.

Предметом исследования являются методы адаптивной настройки параметров регулятора системы управления движением судна по курсу,

в том числе на основе локальных и интегральных критериев качества процессов управления движением судна, а также адаптивная идентификация параметров управляемости судна с применением линейных и нелинейных моделей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Алгоритм идентификации параметров управляемости судна, на основе применения степенных рядов, с использованием линейных и нелинейных моделей судна.

2 Методика применения идентифицированных параметров управляемости для настройки судоводителем системы управления курсом судна на основе уравнений эталонной динамики.

3 Алгоритмы и системы адаптивного и робастно-адаптивного управления курсом судна.

Методы исследования, применяемые в диссертации, включают использование теории дифференциальных уравнений, современной теории автоматического управления, в том числе идентификации, адаптивного, нелинейного и робастного управления, компьютерное моделирование.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- Показана эффективность и перспективность применения степенных рядов для представлений моделей динамики судна, а также для решений задач идентификации его параметров управляемости;

- Применение степенных рядов позволяет свести проблему функциональной неопределенности в модели судна к решению более простой задаче параметрической идентификации.

- Разработаны новые алгоритмы идентификации параметров управляемости судна на основе степенных рядов по упрощенным линейным и нелинейным моделям судна.

- Предложено использование уравнений эталонной динамики при настройке судоводителем параметров системы управления курсом судна, в том числе при использовании критериев технического оптимума и минимального времени переходного процесса.

- Предложено применение критерия робастной устойчивости для остановки процесса адаптивной настройки параметров системы управления курсом судна.

- Предложено применение квадратичных критериев качества локального и интегрального типа для выполнения адаптивного настройки системы управления курсом судна, с применением метода скоростного градиента .

Достоверность результатов подтверждается корректным использованием строгих математических методов исследования; применением экспериментально подтвержденных линейных и нелинейных математических моделей судна, а также данных таблиц маневренных элементов; применением современных компьютерных технологий вычислений и моделирования.

Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:

1 Применение степенных рядов при идентификации позволяет получать более адекватные модели судна, и как следствие, достигать повышения качества процессов управления движением судна;

2 Разработана методика, позволяющая судоводителю получить параметры регулятора, обеспечивающего эталонную динамику системы управления курсом судна;

3 Разработанные алгоритмы робастно - адаптивной настройки, а также адаптивной настройки на основе интегральных и локальных критериев качества обеспечивают улучшение процессов управления и эффективность использования рулевой машины.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на международной мультиди с-циплинарной конференции по промышленному инжинирингу и совр е-менным технологиям «Far East Con-2019», на национальной научно-практической конференции «Перспективы беспилотных технологий на водном транспорте» (Санкт-Петербург, 2018), на 60-й, 59-й и 58-й международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь, наука, инновации» МГУ им. адм. Г.И. Невельского, на Третьей всероссийской научно-практической конференции «Морские исследования на Дальнем Востоке» МГУ им. адм. Г.И. Невельского, а также на научных семинарах кафедр электронной и микропроцессорной техники и автоматических и информационных систем МГУ им. адм. Г.И. Невельского.

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 19 работ, из них 5 - в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе одна работа индексирована в международной базе Web of Science.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименования, 3 приложений. Работа изложена на 131 странице и включает 127 рисунков и 4 таблицы.

В первой главе выполнен краткий анализ общих свойств существующих математических моделей движения судна. Отмечается, что полные нелинейные математические модели судна обладают выс окой степенью сложности. Факторы, определяющие сложность матем а-тических моделей, связаны с такими его особенностями, как измен ение загрузки судна, его осадки, неопределенностью присоединенных масс и моментов инерции воды, изменением характеристик поверхности судна и другим. На практике широкое применение имеют упрощенные линейные и нелинейные модели, полученные путем декомпозиции

сложной многомерной математической модели движения судна. Приводятся простые линейные и нелинейные модели динамики судна, а также модели рулевых машин, которые далее используются в работе.

Во второй главе приводится краткое описание методов скоростного градиента, которые являются основным математическим инструментом, используемым в настоящей работе для построения алгоритма адаптивной идентификации параметров управления судна, а также системы адаптивного управления его движением. Априорно-неопределенную (в общем случае - нелинейную) функцию, входящую в математическую модель движения судна по курсу, предложено представлять в виде степенных рядов, зависящих от угловой скорости судна. Такой подход позволил свести проблемы функциональной неопределенности математической модели к решению существенно более простой задачи - параметрической идентификации коэффициентов степенного ряда. На основе метода скоростного градиента разработан алгоритм и система адаптивной идентификации коэффициентов степенных рядов, позволяющий идентифицировать, в том числе, и параметры управляемости судна. Проверка разработанного алгоритма идентификации была выполнена одной линейной и двух нелинейных моделях судна.

В третьей главе решается задача настройки параметров регулятора, выбранного типа, обеспечивающего желаемую эталонную динамику системы управления движением судна по курсу. Необходимые для этого параметры динамики судна идентифицируются на основе предложенных ранее алгоритмов. Получены общие соотношения для определения судоводителем настраиваемых параметров регулятора системы управления по выбранной эталонной модели. Приведены примеры расчета параметров регулятора, обеспечивающих эталон-

ную динамику системы управления согласно критериям - технического оптимума и минимального времени переходного процесса.

В четвертой главе исследуется адаптивно-робастная система управления курсом судна, построенная на основе сочетания принципов адаптации и робастного управления. Суть предложенного подхода заключается в выполнении адаптивной настройки параметров регулятора, которая прекращается после достижения условий робастной устойчивости в соответствии с теоремой В.Л. Харитонова [39]. Моделирование подтвердило работоспособность предложенного подхода. На основе метода скоростного градиента далее разработаны алгоритмы и системы адаптивного управления движением судна по курсу с использованием локальных и интегральных критериев качества, которые учитывают требования к процессу управления и ограничения на управляющие воздействия.

1 Математические модели судна

В настоящее время разработано значительное количество математических моделей судна, которые представляют собой совокупность математических выражений, в частности дифференциальных -от простых линейных и одномерных до чрезвычайно сложных многомерных и нелинейных математических моделей динамики судна [3 , 4, 11, 21, 28, 35, 36, 38, 55, 63, 74, 82, 84-86, 87, 89, 92, 95-97 ]. Степень детализации применяемых математических моделей судна, в первую очередь, определяется характером решаемых задач. При выборе достаточно сложной математической модели судна построение системы управления может натолкнуться на значительные и даже непреодол и-мые трудности теоретического характера. В связи с этим на практике часто используется упрощенные линеаризованные и нелинейные модели. В частности, математическая модель динамики водоизмещающего судна может быть достаточно и адекватной простой при решении задачи управления курсом [93, 95, 96].

1.1 Общая математическая модель судна

Движение судна в общем случае происходит в трехмерном пространстве. В общем случае, судно имеет шесть степеней свободы: три характеризуют линейные перемещения центра масс, и три - вращение объекта относительно центра масс. При описании движения судна, как сложного объекта управления используются различные системы координат, в частности, связанную с судном систему координат [43, 44]. На рис. 1.1 изображено судно в двух системах координат.

Вертикальная ось Рисунок 1.1 - Пространственное движение судна в двух

системах отчета

Общая математическая модель [16, 43, 44] динамики судна имеет

вид:

, т т т т г-.

тх —+ т2а)уУ2 - туа)2Уу = Ях;

У Z у

^Уу Т Т т т г.

т2 ^ + туа)хУу - тхо)уУх = Я2;

(1.1)

\у-^Г + <*> X <*>2 ОX - \2) + УХУ2(тх - т 2) = Му ;

]2 ^ + <*> х <*>уОу - ]х) + УхУу(ту - тх) = М 2, где , , - внешние силы относительно соответствующих осей координат; , , - моменты внешних сил относительно соответствующих осей координат; , , - центр масс судна относительно

соответствующих осей координат с учетом присоединенных масс; ]х, ]у, Ь - моменты инерции относительно соответствующих осей координат с учетом присоединенных моментов инерции; Ух, Уу, У2 - линейная скорость судна относительно соответствующих осей координат;

, , - угловая скорость судна относительно соответствующих осей координат.

Модель (1.1) позволяет оценить влияние различных факторов на динамику судна, в частности изменение загрузки судна и ее распр е-деления соответствует изменению коэффициентов дифференциальных уравнений в (1.1), зависящих от масс и моментов инерции, в том числе и присоединенных. Кроме того изменяются коэффициенты, соответствующие силам и моментам вязкого сопротивления, которые влияют на движение судна. Отмеченные факторы вносят значительную неопределенность в динамику судна, что следует учитывать при построении системы управления. Как отмечалось выше, перспективными системами для управления подобными объектами являются адаптивные системы.

1.2 Упрощенные математические модели судна

Для конкретных режимов движения судна из общей модели можно получить уравнения, сводимые к простой модели Номото первого порядка [93]:

ф к

Т =-, (12)

5 Т5+1' v '

где Т - постоянная времени, которая характеризуется моментами инерции судна, меняющимися в значительных пределах; К - коэффициент передачи; б и ф - угол перекладки руля и курс судна соответственно .

На рис. 1.2 приведена схема модели Номото первого порядка.

б к Ф

> Тэ+1 >

Рисунок 1.2 - Схема модели Номото первого порядка При учете нелинейного характера сил и моментов сил вязкого сопротивления может быть получена модель Норбина (рис. 1.3) имеющая следующий вид:

Тф + Нм(ф) = Кб , (1.3)

где Н н - нелинейная функция от ф (угловой скорости).

Рисунок 1.3 - Схема модели Норбина первого порядка К числу наиболее распространенных математических моделей движения судна по курсу относятся также модели Номото второго порядка и Беха. Модель Номото второго порядка (рис. 1.4) представлена следующим линейным дифференциальным уравнениями:

т ! т 2ф + (т! + т 2 )ф + ф = К( б + т 35), (1.4)

где - постоянные времени, которые характеризуются момен-

тами инерции судна; и - угол перекладки руля и курс судна соответственно.

Рисунок 1.4 - Схема модели Номото второго порядка

Модель Беха [87] (рис. 1.4) представляется нелинейным дифференциальным уравнением третьего порядка:

Ф + ^^ + ^Щф^^б + Тзб). (1.5)

Х1Х2 х1х2 Х1Х2

Функцию Н(ф) можно выразить следующим образом:

Н(ф) = Сзфз + с2ф2 + схф + с0 , (1.6)

где q = const, i — 0,1,..., 3.

Рисунок 1.5 - Схема модели Беха Рассмотренные модели являются наиболее распространёнными при моделировании и оценке различных методов автоматического управления морских судов

1.3 Математические модели рулевой машины

Неотъемлемой частью математической модели движения судна является модель рулевой машины. Рулевая машина обеспечивает изменение угла поворота судна. Особенности рулевой машины описаны во многих трудах [ 12, 95, 98]. Согласно требованиям Морского Регистра (1МО) [99] рулевая машина (РМ) должна обладать следующими характеристиками - РМ должна обеспечивать перекладку полностью

погруженного руля при максимальной скорости переднего хода судна с 35° одного борта на 30° другого борта за время, не превышающее 30 с., допускается погрешность угла перекладки не более одного градуса. Максимальная скорость перекладки руля, определяемая техническими характеристиками РМ, обычно находится в диапазоне от 2,5 до 7 градусов в секунду [ 87].

С учетом ограничений, наложенных на рулевые приводы (на максимальный угол поворота и скорость перекладки руля), математическая модель рулевой машины может быть представлена в виде соотношения:

6 = F un[ F( u)-6 ], (1.7)

где u - сигнал, поступающий с регулятора (управление); Fun, F — функции, ограничивающие скорость и угол перекладки руля; б - угол перекладки руля.

Рисунок 1.6 - Схема математической модели рулевой машины

При малых углах перекладки руля РМ судна ограничением угла поворота и угловой скоростью перекладки руля можно пренебречь, то есть динамика рулевой машины может быть описана линейной дифференциальным уравнением (1.8), структурная схема линейной РМ представлена на рис. 1.7.

(Тр5 + 1 )5 = Кри , (1.8)

где - Кр коэффициент передачи; Тр - постоянная времени; и - выход регулятора (управление).

Рисунок 1.7 - Линейная модель рулевой машины

Использование модели рулевой машины при моделировании движения судна, приближает моделирование движения судна к реальной динамики судна, и позволяет сформулировать дополнительные характеристики модели судна, отвечающие, например, за более рациональное использование ресурсов.

Выводы по первой главе

1 Анализ математических моделей, описывающих движение судна, показал, что в общем случае они представляют собой систему сложных нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка. Параметры, входящие в эти уравнения, зависят от множества факторов, таких как загрузка судна, глубина погружения корпуса судна, скорость его движения, условия плавания и др. , при этом для моделей характерна существенная неопределенность, влияющая на динамику судна. Существенная нелинейность динамики и неопределенность параметров управляемости судна значительно затрудняет решение задачи построения (синтеза) системы управления его движением.

2 Наибольшее практическое применение получили упрощенные нелинейные и линеаризованные модели, применение которых является корректным для ряда частных режимов движения судна.

3 Для дальнейшего совершенствования систем управления движением судна, целесообразным является построение новых и усовер-

шенствованных известных моделей, а также методов определения априорно-неопределенных параметров моделей и функциональных зависимостей , входящих в состав математической модели.

2 Разработка систем идентификации математической модели судна на основе степенных рядов

В настоящем разделе решается задача идентификации параметров математической модели движения судна по курсу. Эта задача имеет важное теоретическое и практическое значение для построения системы управления движением морского судна или других морских подвижных объектов (МПО) [4, 11, 14].

Известны работы, в частности Я.В. Бурылина [11], в которых путем выбора специальных траекторий и создания специальных условий, получают систему уравнений, решения которых определяют параметры идентифицируемой модели. По мнению самого автора [11] погрешности этого подхода могут быть достаточно большими, в частности и из - за неточности измерений и влияния внешней среды. В работе предлагается другой альтернативный подход к идентификации [21].

Общая математическая модель судна, приведенная в 1 главе, представляет собой набор сложных нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка [ 42-44 ], эта модель также характеризуется существенной неопределенностью параметров управляемости морского судна, которая связана со сложной природой взаимодействия корпуса судна и внешней водной среды, изменением загрузки судна и другими факторами.

Полная нелинейная математическая модель движением судна чрезвычайно сложна, в связи с этим, для решения частных задач, например, для задач управления курсом судна, широкое применение получили, как отмечалось выше, упрощенные линейные и нелинейные модели - линейная модель Номото первого и второго порядка [95, 96], и нелинейные модели Норбина и Беха [ 87, 89, 97].

Естественно, что модели системы управления движением судна, представленные линейными дифференциальными уравнениями, являются более простыми для исследования. Однако нелинейные модели, в частности, описывающие движение судна по курсу, представляются более адекватными и близкими к реальной модели динамики судна.

Анализ публикаций [ 12, 42-44, 64 ], в которых рассматриваются описания сил и моментов сил вязкого сопротивления, воздействующие на функционирующий в водной среде, объект показывает большое разнообразие аналитических выражений. Все соотношения содержат, естественным образом, линейные и угловые скорости объекта, и являются их степенными функциями, при этом показатели степени варьируются в широких пределах.

Подбор аналитического вида математического описания сил и моментов вязкого сопротивления, как правило, основывался на экспериментальных данных для каждого конкретного морского подви ж-ного объекта. Необходимо отметить, что проведение соответствующих экспериментов достаточно дорогостояще.

Принципы адаптивного управления, развиваемые в настоящей работе применительно к морским судам, позволяют в определенной степени уменьшить требования к объему предварительно производимых натурных исследований. В частности, задача определения параметров управляемости судна, то есть задача идентификации, может решаться в реальном масштабе времени в процессе управления, результаты которой могут быть использованы для настройки регулятора системы либо как рекомендации судоводителю.

В данной главе предлагается обобщенный подход к решению задачи определения параметров нелинейной модели судна, позволяющей предложить более общее описание сил и моментов вязкого сопротивления в сравнении с частными соотношениями, приведенными в литературе [ 12, 42-44, 64].

2.1 Оценка параметров модели судна

Оценка параметров модели судна может быть выполнена как на основе экспериментальных данных, так на основе данных таблиц маневренных элементов, так и данных полученных на тренажерах. Ниже приводятся примеры таких оценок.

Управление движением судна по курсу описывается согласно законам механики уравнением:

]со = Мвр -М в, (2.1)

где J - момент инерции судна относительно вертикальной оси; с — угловое ускорение; М вр - вращающий момент, обеспечиваемый перекладки руля; Мв - момент вязкого сопротивления, оказываемый на судно.

Принято, что вращающий момент ( ) пропорционален углу перекладки руля судна ( ):

Мвр = Кб, (2.2)

где к - коэффициент пропорциональности.

При установившейся линейной скорости движения судна момент вязкого сопротивления зависит от угловой скорости судна:

М в = М в( с). (2.3)

Функция М в( с) может быть разложена в ряд вида:

М в( с ) = гх с + г2с 2 + • • • = 1 Г с \ (2.4)

где , , - коэффициенты при , , соответственно.

Так как очевидно, что момент вязкого сопротивления должен менять знак на противоположный при смене направления вращения (замене с на - с ), справедливо следующее:

М в( с) = + г2с 2 + г3о) 3. . . ; (2.5)

( ) . (2.6)

Сравнивая формулы (2.5) с (2.6), так как модули М в(о)) и М в(—оо) должны быть равны, а это возможно при , , то есть все чет-

ные коэффициенты должны быть равны 0. Таким образом, разложение в ряд функции момента вязкого сопротивления содержит лишь нечетные степени скорости поворота судна.

Сам подход позволяет рассматривать полное выражение степеней, то есть учитывать и бортовое сопротивление, но в данной работе рассматривается движение судна в пло скости, поэтому четные составляющие ряда обнуляются.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чинчукова Елена Павловна, 2020 год

- -

I -

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 t, С

Рисунок 4.25 - Графики настройки параметров регулятора

Сравнивая графики изменения критерия качества Р в системе управления судном без огрубления (рис. 4.22) и с огрублением настройки параметров (рис. 4.16), видно, что в случае включения в схему настройки параметров регулятора огрубления критерий Р

меньше, чем критерий Q без включения в схему настройки параметров регулятора огрубления.

Применение огрубления позволяет снизить возможный рост настраиваемых параметров регулятора (рис. 2.25) и настроить параметры системы управления движением судна по курсу с большей точностью и меньшими потерями продольной скорости.

4.6 Синтез адаптивных систем управления курсом судна на основе интегрального квадратичного критерия качества

Для адаптивной настройки системы управления кроме локального квадратичного критерия качества, применяется также интегральный критерий качества. Для реализации адаптивной настройки параметров системы управления движением судна по курсу с заданным качеством процессов управления по интегральному критерию качества воспользуемся моделью Номото 1-го порядка (1) и выберем ПИД-регулятор (2), параметры которого далее будут настраиваться. Предполагая, что динамикой рулевой машины можно пренебречь в сравнении с динамикой судна, воспользуемся, используемой ранее общей математической модели системы управления (4).

Применение метода скоростного градиента предполагает выбор критерия в качестве процесса управления. Зададимся следующим критерием качества [ 68, 69].

схо^е^+с^б2^ (4.15)

где - отклонение курса судна от заданного значения, - угол перекладки руля, с - константа, весовой коэффициент.

Очевидно, что минимизация этого критерия обеспечивает одновременное уменьшение ошибки по курсу и угол перекладки руля (что способствует, как отмечалось выше сохранению продольной ско-

рости хода судна). Кратное применение с методом скоростного градиента [ 68, 69], приходим к выведенным ранее алгоритмам настройки.

й = ££ + с б б = ££ + с б( Кп£ + Ки£ + Кд£). (4.16)

Следуя, [ 68 ] запишем законы настройки (алгоритмы) ПИД-регулятора:

Кд = ус б £ ; Кп = ус б £ ; Ки = у с б £, (4.17)

Для проверки работоспособности системы управления с полученными законами адаптивной настройки параметров регулятора было проведено численное моделирование (рис. 4.27). Поскольку алгоритм настройки параметров регулятора для случаев локального квадратичного и интегрального критериев одинаковы, приведем лишь графики изменения интегрального критерия при наличии и отсутствии адаптации (рис. 4.26). град 3 с

J

с наспюйкой пяпяметоо

1

2000 1500 1000 500 0

0 100 300 300 400 500 600 700 800 900 С

град 3 с

300000 200000 100000 о

1 1 1

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ^ С

Рисунок 4.26 - Изменение интегрального критерия качества Р(1:) при наличии и отсутствии адаптации

Рисунок 4.27 - Схема системы управления в Simulink Matlab

Как видно из результатов моделирования - системе с адаптацией соответствует существенно более высокое (в смысле выбранного критерия) качество процессов управления.

4.7 Сравнительный анализ адаптивной и робастной систем

управления курсом судна

Сравним адаптивную систему управления курсом судна на основе квадратичного локального критерия качества и робастную систему управления курсом судна на основе критерия степени устойчивости [21, 31].

Согласно методу робастной оценки параметров регулятора [21, 31], который обеcпечивает задaнное качеcтво процессов (степeнь устойчивoсти а = 0,0 08), для судна водоизмещением 12500 т интервальные значения параметров управляемости:

Т = [ 1 6 ; 2 5 ], Кс = [0,03 6; 0,0545].

Данные значения получены в результате обработки таблиц маневренных элементов, и согласно этим значениям рассчитаны параметры ПИД-регулятора:

Кп = 0,9; Ки = 0,003; Кд = 0,7.

Для адаптивной настройки того же судна примем начальные параметры ПИД - регулятора равным рассчитанным в работе Е.Б. Осокиной.

Характери ^ики переходных проце c сов ф({) при ^ аничных знач e ниях параметров Т и Ке приведены на рис. 4.28, 4.29.

При адаптивной настройке параметров регулятора уменьшается перерегулирование и время переходного процесса в сравнении с ро-бастной настройкой параметров (рис. 4.28, 4.29).

Ф,рад

Ф,рад

1 0.8 0.6 0.4 02 0 -0.2

доблегнля систстл управления адаптивная системе управление

ш ем

1

0.8 0.6 СИ 02 0 ■02

^^"роиааная система уирашшння — - — адаптивная сметема управлемия

50

100 150

а) Тшт = 16 c; Кошт = 0,036 c

С

-1

50

100

150

С

б) Тшт = 16 с; Кетах = 0,0545 с

-1

Рисунок 4.28 - Переходные процессы в системе управления

курсом судна

а) Ттах = 25 с; КС1Ш1х = 0,0545 с-1 б) Ттах = 25 с; КС1ПШ = 0,036 с-1 Рисунок 4.29 - Переходные процессы в системе управления

курсом судна

Сравнение результатов моделирования показывает, что применение адаптивной настройки позволило улучшить качество процессов управления курсом судна.

В табл. 4.1 приведены значения локального квадратичного критерия качества (4.9) для робастной и адаптивной систем управления курсом судна при граничных знач е ниях параметров Т и Кс.

Таблица 4.1 - Сравнительный анализ локального квадратичного критерия для робастной и адаптивной систем управления курсом судна

Значения параметров судна Q1, квадратичный критерий для робастной системы управления Q2, квадратичный критерий для адаптивной системы управления Отношение 100 0/о <21

Тшт =16 ^ КС1ШП = 0,036 ^ 0,002962 0,001926 3 5%

Тщт =16 ^ К^ = 0,0545 ^ 0,001013 0,0008955 18%

Тmax = 25 ^ К^ = 0,0545 ^ 0,003061 0,0002836 8%

Тmax = 25 ^ КС1ШП = 0,036 ^ 0,001409 0,0008333 41%

Таким образом, проведенные исследования показывают, что предложенный подход адаптивной настройки параметров регулятора позволяет обеспечить высокое качество процессов системы управления курсом судна.

Применение адаптивной настройки параметров регулятора представляется целесообразным при наличии априорной неопределенности параметров. Выбранный критерий, на основе которого выполнена система управления. Выражает компромисс между точностью движения судна по курсу и сохранением скорости движения судна.

Выводы по четвертой главе

1 Разработана система управления, основанная на принципах ро-бастности и адаптивности. Предложены алгоритмы адаптивной

настройки, обеспечивающие выполнение робастной устойчивости системы управления курсом судна при широких вариациях параметров его управляемости.

2 Разработана система адаптивного управления курсом судна, основанная на применении локального и интегрального вариантов квадратичного критерия качества, который объединяет в себе требования к точности движения судна по курсу с малыми углами перекладки руля. Что способствует уменьшению потерь полезной скорости движения судна и сохранению (рациональному использованию) ресурса рулевой машины.

3 Разработаны и исследованы модификации адаптивных систем, использующих принцип с огрубления, который позволяет предотвратить возможный неограниченный рост параметров регулятора системы управления движением судна по курсу.

4 Показана работоспособность алгоритмов систем управления курсом судна с адаптивной настройкой параметров регулятора, для различных видов рулевых машин, используемых для управления движением судна по курсу. В частности, с насосами переменной и постоянной производительности.

5 Результаты моделирования подтвердили эффективность и работоспособность робастно-адаптивного и адаптивного алгоритмов управления курсом судна.

Заключение

В настоящей работе выполнены исследования, которые можно сформулировать в виде следующие основные научные результаты.

1 Математические модели морских судов в общем случае представляют собой системы сложных нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка, параметры которых обладают достаточно высокой степенью неопределенности, обусловленной условиями эксплуатации судна. Практическое использование полных математических моделей затруднено, в связи с чем при построении систем управления движением судна, в частности, по курсу, как правило, используют упрощенные линейные и нелинейные математические модели .

2 Для определения параметров линейной и нелинейной математических моделей движения судна по курсу на основе м етода скоростного градиента разработаны алгоритмы и системы адаптивной идентиф и-кации, использующие представление нелинейности в модели судна в виде степенного ряда. Предложенный подход позволил свести решение сложной проблемы функциональной неопределенности к более простой задаче параметрической идентификации коэффициентов ряда. Результаты идентификации представляют собой основу для дальнейшего синтеза системы управления курсом судна и настройки ее параметров судоводителем.

3 Для настройки судоводителем параметров регулятора системы управления движением судна по курсу предложено использование уравнений эталонной динамики, описывающих желаемый характер процессов управления. На примере конкретных уравнений эталонной динамики, соответствующих критериям технического оптимума и минимального времени апериодического переходного процесса и моделей судна второго и третьего порядка получены аналитические соотношения для типовых регуляторов. Предложена методика расчета парамет-

ров регулятора системы управления курсом судна по задаваемому судоводителем типу регулятора и виду критерия, и ее реализация в виде электронной таблицы (табл. А.1).

4 Предложена адаптивно - робастная система управления движением судна по курсу, реализующая алгоритмом адаптивной настройки параметров регулятора и остановкой процессов настройки при выпо л-нении критерия робастной устойчивости. Что позволило обеспечить работоспособность системы управления курсом судна при широкой в а-риации его параметров управляемости.

5 На основе метода скоростного градиента разработаны алгоритмы адаптивного управления курсом судна, минимизирующие локальный и интегральный критерии качества процессов управления. В ы-бранные критерии представляют собой компромисс, направленный на одновременное достижение высокой точности движения судна по курсу при малых углах перекладки руля.

6 Предложены модифицированные алгоритмы и системы адаптивного управления с огрублением, позволяющие предотвратить во з-можный неограниченный рост настраиваемых параметров регулятора, что является важным для практического использования.

7 Показано, что алгоритмы адаптивной настройки для систем управления курсом судна, разработанные без учета динамики рулевой машины, сохраняют свою работоспособность для систем управления с учетом динамики рулевой машины и обладают меньшей вычислительной сложностью, что является важным для практической реализации.

8 Результаты численного моделирования подтвердили основные теоретические результаты и эффективность развитых в работе подходов.

Список литературы

1 Андриевский, Б.Р. Методы управления в условиях неопределенности / Б.Р. Андриевский, Ю.М. Козлов. - Л.: ЛМИ, 1989. - 88 с.

2 Андриевский, Б.Р. Избранные главы теории автоматического управления / А. Л. Фрадков, Б.Р. Андриевский. - СПб.: Наука, 2000. -475 с.

3 Антонов, В.А. Теоретические вопросы управления судном: учебное пособие / В.А. Антонов, М.Н. Письменный; - 2-е изд., пере-раб. и доп. - Владивосток: Мор. гос. ун - т, 2007. - 78 с.

4 Афанасьев, Б.В. К задаче идентификации коэффициентов математической модели движения судна / Б.В. Афанасьев, В.В. Афанасьев // Проблемы морского судовождения. - М.: Мортехинформреклама, 1983. - С. 53-57.

5 Башарин А. В. Управление электроприводами: учебное пособие для вузов / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. -Л.: Энергоиздат, 1982. - 392 с.

6 Бенькович, Е.С. Практическое моделирование динамических систем / Е.С. Бенькович, Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 464 с.

7 Березин, С.Я. Системы автоматического управления движением судов по курсу / С.Я. Березин, Б.А. Тетюев. - Л.: Судостроение, 1990. - 256 с.

8 Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. - М.: Наука. - 1976. - 768 с.

9 Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - СПб.: Профессия, 2004. - 747 с.

10 Блинов, И.А. Методика определения маневренных элементов и параметров управляемости судна с применением судового автоматизи-

рованного комплекса / И.А. Блинов, С.С. Губернаторов // Морской транспорт серия «Судовождение и связь». - М.:1982. - вып. 1 (146). -С. 13-31.

11 Бурылин, Я.В. Идентификация нелинейной модели движения судна и адаптивное управление по траектории: диссертация ... кандидата технических наук: 05.22.19 / Бурылин Ярослав Васильевич. - Новороссийск, 2018. - 132 с.

12 Вагущенко, Л.Л. Системы автоматического управления движением судна / Л.Л. Вагущенко, Н.Н. Цымбал. - 2-е изд., перераб. и доп. - Одесса: Латстар, 2002. - 310 с.

13 Васильев, К.К. Теория автоматического управления (следящие системы): учебное пособие / К.К. Васильев. - 2-е изд. - Ульяновск: изд. УГТУ, 2001. - 98 с.

14 Васьков, А.С. Обобщенная адаптивная модель движения судна / А.С. Васьков, О.И. Меньшин, А.И. Студеникин. // Навигация и мореходная астронимия. - М.: Мортехинформреклама, 1984. - С. 47-52.

15 Веремей, Е.И. Компьютерное моделирование систем управления движением морских подвижных объектов / Е.И. Веремей, В.М. Корчанов, М.В. Коровкин, С.В. Погожев. - СПб.: НИИ Чимии СПбГУ, 2002. - 370 с.

16 Войткунский, Я.И. Справочник по теории корабля: Том 3. - Л.: Судостроение, 1985. — 544 с.

17 Гавриленко, П.Ю. Исследование параметрической неопределенности динамических объектов на примере судна / П.Ю. Гавриленко // Молодежь, наука, инновации : материалы 58-й Международной молодежной научно - технической конференции. - Владивосток : МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2010. - С. 103-104.

18 Горохов, И.В. Экспериментальное исследование модифицированного авторулевого / И.В. Горохов // Методы и технические средства судовождения. - М.: Мортехинформреклама, 1985. - С. 107-111.

19 Дворецкий, С.И. Понятие «модели» Классификация математических моделей [Электронный ресурс] / С.И. Дворецкий. - Режим доступа: ЫТр^вШ^втапЛвШ.ги/рёМесШ^.рё^ свободный.

20 Дыда, А. А. Автоматизация проектирования систем управления движением морских подвижных объектов / А.А. Дыда, Е.В. Любимов // Транспортное дело России. - 2006. -№1. - С. 3-8.

21 Дыда, А. А. Адаптивная идентификация параметров моделей судна на основе алгоритма скоростного градиента / А.А. Дыда, П.А. Дыда, Е.Б. Осокина, Д.А. Оськин // Морские интеллектуальные технологии. - 2016. - №3 (33), Т.1. - С. 250-257.

22 Дыда, А. А., Адаптивное и нейросетевое управления сложными динамическими объектами : Владивосток : Дальнаука, 2006. 149 с.

23 Дыда, А.А. Алгоритм управления динамическим объектом со структурной неопределенностью / А.А. Дыда, Е.П. Чинчукова, М.В.Шевченко // Вестник Морского государственного университета. Сер. Автоматическое управление, математическое моделирование и информационные технологии. - 2010. - № 37. - С. 38-42.

24 Дыда, А.А. Задача идентификации в проблеме управления беспилотным судном / А.А. Дыда, Е.П. Чинчукова, Е.Б. Осокина // Перспективы беспилотных технологий на водном транспорте: сб. док. нац. науч.-прак. конф. - СПб.: ГУМРФ, 2018. - С. 17-22.

25 Дыда, А.А. Перспективные направления совершенствования систем управления движением морских подвижных объектов / А.А. Дыда, А.К. Шейхот // Транспортное дело России. - 2006. -№9, Ч. 2. - С. 24-25.

26 Дыда, А.А. Построение робастно-устойчивой системы управления курсом судна, / А. А. Дыда, Е. П. Чинчукова, С. А Воробьева // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. -№ 1. - С. 107-111.

27 Дыда, А. А. Применение степенных рядов для построения адаптивной системы управления курсом судна / А.А. Дыда, Е.П. Чин-чукова, М.В.Шевченко // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - № 1. - С. 121-124.

28 Дыда, А. А. Применение степенных рядов в задаче идентиф и-кации математической модели судна, / А.А. Дыда, Е.П. Чинчукова, Н.Р. Чижиков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2018. - № 1. - С. 73-77.

29 Дыда, А.А. Параметрическая идентификация модели судна на основе степенных рядов / А.А. Дыда, Е.Б. Осокина, Е.П. Чинчукова // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - №4 (42), Т.5. -C. 125-130.

30 Дыда, А.А. Синтез адаптивного и робастного регулятора системы управления исполнительными устройствами подводных роботов: диссертация ... доктора технических наук: 05.13.01 / Дыда Александр Александрович. - Владивосток, 1 998. - 3 99 с.

31 Дыда, А. А. Синтез регулятора для управления курсом судна на основе принципов адаптации / А. А. Дыда, П. А. Дыда, Е. Б. Осокина, Д.А. Оськин // Морские интеллектуальные технологии. - 2016. - №3 (33), Т.1. - С. 275-281.

32 Дыда, А. А. Робастно-адаптивное управление курсом судна, / А.А. Дыда, Е.П. Чинчукова, Н.Р. Чижиков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2018. - № 1. - С. 77-82.

33 Дьяконов, В.П. МаНаЬ. Анализ, идентификация и моделирование систем: специальный справочник / В.П. Дьяконов, В.В. Круглов. -СПб.: Питер, 2002. - 446 с.

34 Дьяконов, В.П. МЛТЬЛБ 6.5 БР1/7 + 81тиНпк 5/6 в математике и моделировании / В.П. Дьяконов. - М.: Солон - Пресс, 2005. - 576 с.

35 Жабко, Н.А. Параметрическая идентификация динамических моделей морских судов / Н.А. Жабко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - № 1. - Т.8. -

С. 80-84.

36 Жидков, Э.М. Моделирование объекта управления в морских тренажерах / Э.М. Жидков, О.И. Меньшин, Т.Н. Фадеева // Судовжде-ние. - Владивосток.: ДВИМУ, 1973. - вып.17. - С. 65-71.

37 Завьялов, В.В. Измерители скорости с линейной базой направленных приемников: монография / В.В. Завьялов. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2004. - 1 76 с.

38 Иванов, Н.В. Влияние амплитуд перекладки руля и амплитуд рысканья на скорость хода судна / Н.В. Иванов // Морской транспорт серия «Судовождение и связь». - М.:ЦБНТИ ММФ, 1984. - Вып. 10(145). - С. 107-111.

39 Ким, Д.П. Теория автоматического управления. Т. 1 . Линейные системы / Д.П. Ким. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288 с.

40 Ключев, В. И. Теория электропривода: учебник для вузов / В.И. Ключев. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с.

41 Костантинова, Е.А. Системы управления движением морских судов на основе рекуррентных нейросетевых моделей: диссертация ... кандидата технических наук: 05.22.19 / Константинова Елена Анатольевна . - Владивосток, 2012. - 143 с.

42 Лукомский, Ю. А. Навигация и управление движением: учебник / Ю. А. Лукомский, В.Г. Пешехонов, Д.А. Скороходов. - СПб.: Элмор, 2002. - 360 с.

43 Лукомский, Ю. А. Системы управления морскими подвижными объектами : учебник / Ю.А. Лукомский, В.С.Чугунов. - Л.: Судостроение, 1988. - 272 с.

44 Лукомский, Ю. А. Управление морскими подвижными объектами : учебник / Ю.А. Лукомский, В.М. Корчанов. - СПб.: Элмор. -1996. - 320 с.

45 Льюнг, Л. Идентификация систем. Теория для пользователя / Л. Льюнг. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1991. - 432 с.

46 Мазуров, В.М. Автоматические регуляторы в системах управления и их настройка. Часть 1 . Промышленные объекты управления [Электронный ресурс] / В.М. Мазуров // журн. Компоненты и технологии. - 2003. - №4 - С. 154-157. Режим доступа: http://www.kit-е.ги/аг^с1ев/е1сотр/2003_04_154.рЬр, свободный.

47 Мазуров, В.М. Автоматические регуляторы в системах управления и их настройка. Часть 1 . Автоматические регуляторы и их настройка. Общие сведения о промышленных системах регулирования [Электронный ресурс] / В.М. Мазуров // журн. Компоненты и технологии. - 2003. - №5 - С. 154-157. Режим доступа: http://www.kit-е.ги/аг^с1ев/е1сотр/2003_04_114.php, свободный.

48 Мазуров, В.М. Автоматические регуляторы в системах управления и их настройка. Часть 3. Цифровые регуляторы и их настройка [Электронный ресурс] / В. М. Мазуров // Компоненты и технологии. -2003. - №6 - С. 154-157. Режим доступа: http://www.kit-e.ru/artic1es/e1comp/2003_04_146.php, свободный.

49 Масляев, С. И. Идентификация математической модели нелинейных составных объектов. [Электронный ресурс]: электронное науч. периодическое изд. / С.И. Масляев. - Электроника и информационные

технологии. - 2009. - Вып. 2 (7). - Режим доступа: http:fetmag.mrsu.ru/, свободный.

50 Математическая модель [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiri/Математическая_модель# cite_note-10, свободный.

51 Методы классической и современной теории автоматического управления: учебник в 3 т., т.1. Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления / под ред. Н.Д. Егупова. -М.: Изд - во МГТУ им. Баумана, 2000. - 736 с.

52 Мирошник, И. В. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами / И.В. Мирошник, В.О. Никифоров, А.Л. Фрадков. - СПб.: Наука, 2000. - 549 с.

53 Мирошник, И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы: учеб. пособие / И.В. Мирошник, В.О. Никифоров, А.В. Фрадков. - СПб.: Питер, 2005. - 272 с.

54 Никифоров, В.О. Адаптивное и робастное управление с компенсацией возмущений / В.О. Никифоров. - СПб.: Наука, 2003. - 282 с.

55 Осокина, Е.Б. Адаптивная идентификация параметров судна на основе простых моделей / Е.Б. Осокина, А.А. Дыда, Д.А. Оськин. // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - 2015. - №2. - С. 24-31.

56 Осокина, Е.Б. Интервальный подход к моделированию динамики морских подвижных объектов / Е.Б. Осокина // Вестник Морского государственного университета. Сер. Автоматическое управление, математическое моделирование и информационные технологии. -2015. - Вып. 68. - С. 72-73.

57 Романов, А.В. Структурная и параметрическая идентификация математической модели водоизмещающих судов / А.В. Романов // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова. - 2012. - №1. - С. 115-118.

58 Руководство по определению маневренных характеристик судов: утв. Российским морским регистром судоходства 31.01.15. - М.: Морской регистр, 2005. - 16 с.

59 Сапегин, В. Б. К задаче построения оптимальной системы стабилизации судна на заданной траектории движения при квадратичном критерии качества управления / В.Б. Сапегин // Проблемы морского судовождения. - М.: Мортехинформреклама, 1983. - С. 87-91

60 Семенов А.Д. Идентификация объектов управления: учебное пособие / А.Д. Семенов, Д.В. Артамонов, А.В. Брюхачев. - Пенза: изд. Пенз. гос. ун - та, 2003. - 211 с.

61 Советов, Б.Я. Моделирование систем: учебник для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 343 с.

62 Солодов, В.С. Применение методов планирования активного эксперимента для идентификации судового комплекса / В.С. Солодов, Ю.И. Юдин // Вестник Мурманского гос. техн. ун - та. - 2003. - №2, Т. 9 - С. 187-190.

63 Степахно, Р.Г. Еще раз об уравнении управляемости Номото / Р.Г. Степахно // Вестник Мурманского гос. техн. ун - та. - 2003. - №1, Т.6. - С. 69-74.

64 Суевалов, Л.В. Справочник по расчетам судовых автоматических систем / Л.В. Суевалов. - Л.: Судостроение, 1989. - 408 с.

65 Тюкин, И.Ю. Адаптация в нелинейных динамических системах: учебное пособие / И.Ю. Тюкин, В.А. Терехов. - СПб.: изд. ЛЭТИ, 2006. - 377 с.

66 Федосов, Б.Т. Моделирование. Теория автоматического управления и смежные вопросы [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://mode1.exponenta.ru/bt/bt_contents.htm1, свободный.

67 Фомин, В.Н. Адаптивное управление динамическими объектами / В.Н. Фомин, А.Л. Фрадков, В.А. Якубович. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит. - 1981. - 448 с.

68 Фрадков, А.Л. Адаптивное управление в сложных системах: беспоисковые методы / А.Л. Фрадков. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит, 1990. - 296 с.

69 Фрадков, А. Л. Кибернетическая физика: принципы примеры / А.Л. Фрадков. - СПб.: Наука, 2003. - 208 с.

70 Харитонов, В.Л. Об асимптотической устойчивости положения равновесия семейства систем линейных дифференциальных уравнений / В.Л. Харитонов // Дифференциальные уравнения. - 1978. - №11. -С. 2086-2088.

71 Черных, И.В. З^иНпк: Инструмент моделирования динамических систем [Электронный ресурс]: Учебно -методический комплекс / И. В. Черных. - Режим доступа: http://mat1ab.exponenta.ru/simu1ink/book1/, свободный.

72 Чинчукова, Е.П. Адаптивная система управления курсом судна с учетом динамики нелинейной рулевой машины на основе локального критерия качества./ Е.П. Чинчукова // Морские исследования на Дальнем Востоке: сб. мат. 3-й всерос. науч. - практ. конф. -Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2019. - С. 76-81.

73 Чинчукова, Е.П. Адаптивно-робастное управление объектами со структурно-параметрической неопределенностью / Е.П. Чинчукова // Молодежь, наука, инновации : материалы 59-й Международной молодежной научно - технической конференции. - Владивосток : МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2011. - Т. 1. - С. 181-182.

74 Чинчукова, Е.П. Адаптивное управление объектами со структурно-параметрической неопределенностью./ Е.П. Чинчукова, М.В. Шевченко // Молодежь, наука, инновации : материалы 58-й

Международной молодежной научно-технической конференции. -Владивосток : МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2010. - Т. 1. - С. 103-105.

75 Чинчукова, Е. П. Метод настройки системы управления курсом судна, на основе эталонных моделей./ Е.П. Чинчукова // Морские исследования на Дальнем Востоке: сб. мат. 3 - й всерос. науч. - практ. конф. - Владивосток: Мор. гос. ун - т. - 2019. - С. 71-76.

76 Чинчукова, Е.П. Обзор математических моделей объектов с неопределенными параметрами на примере морских подвижных объектов / Е. П. Чинчукова // Молодежь, наука, инновации : материалы 60-й Международной молодежной научно-технической конференции. -Владивосток : МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2012. - Т. 1. - С. 177-179.

77 Чинчукова, Е.П. Обзор систем управления объектами с неопределенными параметрами / Е. П. Чинчукова // Молодежь, наука, инновации : материалы 59-й Международной молодежной научно -технической конференции. - Владивосток : МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2011. - Т. 1. - С. 178-181.

78 Чинчукова, Е. П. Особенности управления морскими подвижными объектами./ Е.П. Чинчукова // Молодежь, наука, инновации : материалы 58-й Международной молодежной научно-технической конференции. - Владивосток : МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2010. - Т. 1. - С. 105-107.

79 Чинчукова, Е.П. Робастно - адаптивный подход в управлении объектами со структурно-параметрической неопределенностью / Е.П. Чинчукова // Вестник Морского государственного университета. Сер. Автоматическое управление, математическое моделирование и информационные технологии. - Владивосток: Мор. гос. ун - т, 2016. -Т. 1. - С. 115-120.

80 Чинчукова, Е. П. Устойчивость системы управления морскими подвижными объектами с параметрической неопределенностью / Е.П. Чинчукова // Молодежь, наука, инновации : материалы 58-й Международной молодежной научно - технической конференции. -Владивосток : МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2010. - Т. 1. - С. 107.

81 Чинчукова, Е. П. Управление объектами с неопределенными параметрами с использованием робастного и адаптивного подходов/ Е. П.Чинчукова // Вестник Морского государственного университета. Сер. Автоматическое управление, математическое моделирование и информационные технологии. - Владивосток: Мор. гос. ун - т, 2012. -Вып. 51. - С. 165-169.

82 Чуликов, А. И. Математические модели нелинейной динамики / А.И. Чуликов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Физматлит, 2003. -296 с.

83 Шейхот, А.К. Совершенствование систем управления морскими подвижными объектами на основе идентификации и адаптации: дис. канд. техн. наук: 05.22.19 / Шейхот Андррей Константинович. - Владивосток, 2008. - 1 30 с.

84 Юдин, Ю. И. Использование идентифицированных математических моделей судна для обеспечения безопасности судовождения / Ю. И. Юдин, А.Г. Степахно, А. Н. Гололобов // Вестник Мурманского гос.техн.ун - та. - 2009. - №1, Т.12. - С. 10-12.

85 Юдин, Ю. И. Математические модели плоскопараллельного движения судна. Классификация и критический анализ / Ю.И. Юдин, И.И. Сотников // Вестник Мурманского гос. техн. ун-та. - 2006. - №2, Т.9. - С. 200-208.

86 Юдин, Ю.И. Метод расчета параметров математической модели судна / Ю.И. Юдин, А.Н. Гололобов, А.Г. Степахно // Вестник Мурманского гос.техн.ун - та. - 2009. - №1, Т.12. - С. 5-9.

87 Amerongen, J. van, Adaptive Steering of Ships: Ph.D. Thesis of Job van Amerongen. - Delft University of Technology, 2005. - P. 156.

88 Amerongen, J. van Model reference adaptive autopilots for ships / J. van Amerongen and A.J. Udink ten Cate // Automatica. - 1975. - Vol. 11. - P. 441-449.

89 Bech, M. Analogue simulation of ship maneuvers / M. Bech and L. Wagner Smitt // Hya report, Hy -14. - 1969. - P. 400-406.

90 Casado, Manuel Haro Recursive identification procedure of the nonlinear model ship based on the turning test maneuvering / Manuel Haro Casado, A. Fernandez Ameal // CAMS 2004, IFAC Conferens on control Application in Marine Systems. - Ancona, Italy, 2004. - P. 197-202.

91 Dyda, A.A. Algorithms of ship parameters' identification via speed gradient method / A.A. Dyda, E.B. Osokina, E.P. Chinchukova // Asia-pacific journal of marine science&education. - 2018. - Vol. 8, No. 1. - P. 4-9.

92 Dyda, A.A. Symbolic Synthesis of Control Laws and its Application / A.A. Dyda, D.A. Oskin, L.A. Krasiuk, E.B. Osokina // Asia -Pacific Journal of Marine Science& Education. - 2014. - Vol. 4, No.2. -P. 7-18.

93 Dyda, A.A., Oskin, D.A., Longhi, S., and Monteriu, A. (2015), An adaptive VSS control for remotely operated vehicle. Int. J. Adapt. Control Signal Process., doi: 10.1002/asc.2565.

94 Isidori, Alberto. Nonlinear control systems: an introduction / Alberto Isidori. - Roma, 1989. - P. 482.

95 Nomoto, K. On the Steering Quality of Ships / K. Nomoto, K. Taguchi, K. Honda and S. Hirano // Int. Shipbuilding Progress. - 1957. - Vol. 4. - P. 354-370.

96 Nomoto, K. Simulators from the naval architects' point of view / K. Nomoto // Proceedings of MARSIM. - Southampton, UK, 1978. -P. 554-556.

97 Norrbin, N.H., On the Design and Analysis of the Zig - Zag Test on Base of Quasilinear Frequency Response / N.H. Norrbin // SSPA Report No. B140-3, 10th ITTC. - London, 1963. - P. 355-374.

98 Oskin, D.A. Underwater Robot Intelligent Control Based on Multilayer Neural Network / D.A. Oskin, A.A. Dyda, S. Longhi, A. Monteriu // Advansed in Intelligent Robotics and Collaborative Automation. - Denmark, 2015. - P. 147-166.

99 Skjetne, R. Adaptive maneuvering, with experiments, for a model ship in a mine control laboratory / R. Skjetne, T.I. Fossen, P.V. Kokotovic // Automat. - 2005. - Vol. 41, No. 2. - P. 289-298.

100 Sutten, R. An on - line intelligent multi - input - multi - output autopilot design study /R Suttot, PJ Craven // Journal of Engineering for the maritime environment. - 2002. -Vol. 216, № M2. - P. 117-131.

101 Ross, A. Identification of underwater vehicle hydrodynamic coefficients using free decay test / A. Ross, Thor I. Fossen, Tor A. Johansen // IFAC. - 2004. - P. 363-368.

102 Viorel, N. Rudder - roll damping affect by control of the rudder command time moments / N. Viorel, C. Miholca, Gh. Pucasu, S. Judele // IFAC conf. on Control Application in Marine Systems. - Ancona, Italy, 2004. - P. 167-172.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Электронная таблица для расчетов параметров ПИД-, ПИ- и ПД-регуляторов по эталонным моделям

Таблица А.1 - расчет значений параметров регулятора для системы управления по критерию технического оптимума и минимального

времени апериодического переходного процесса

siä *>- г- настройка регулятора - Microsoft Excel (Сбой активации продукта) 1 - П ■

1 Главная Вставка Разметка страницы Формулы Данные Рецензирование Вид й G = s s

А J Вставить Буфер обмена ■ Calibri .11 - A' A' ж к ч - ш ôi - Д Шрифт Выравнивание ^ Общий - ÈÏ3 т о; * * ° Ггм .ос Число Условное форматирование • У^ форматировать как таблицу • Стили ячеек т Стили Вставить • Удалить -[^формат -Ячейки Щ. ^Г ¡й ~ _ Сортировка Найти и и фильтр- выделить -Редактирование

N12 " fir "

А Б С D Е F G H 1 J К L M ш

1 —1

2 3 П ИД-ре гулятор+РМ + Номото1

4 Кс Тс Кр Тр al а2 аЗ Ки Кп Кд

5 техн.оптимум ОД 100 1 0,1 2,6 3,8 2,3 603,4125 1078 1453

6 мин.время 4 б 4 339,7547 1001 1491,5

7

S ПИ-ре Гулятор+HOMOTOI

9 [

10 Кс Тс al з2 Ки Кп

11 техн.оптимум ОД 100 2,06 1,31 295,6656 581,3957

12 мин.время 3 3 519,6152 1933,991

13

14 15 ПД-регулятор+РМ+Номото1

16 Кс Тс Кр Тр al а2 Кп кд

17 техн.оптимум 0,1 100 1 0,1 2,06 1,31 1071,149984 626,5583

IS мин.время 3 3 609,4937186 991

19 20

21 Актив

22 Чтобы с

w < ► м /S3 < ." и >

Готово 1 ana 100% Q-n ffl

В табл. А.1 использованы следующие обозначения: Кс -коэффициент усиления судна; Тс - постоянная времени судна; Кр -коэффициент усиления рулевой машины судна; Тр - постоянная времени рулевой машины судна; а1, а2, а3 - коэффициенты дифференциальных уравнений из табл. 3.1 и 3.2 соответствующие степени характеристического уравнения системы и выбранному критерию; Ки, Кп, Кд - пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты выбранного регулятора.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

690003, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 66 - 29, тел/факс 51-52-87

ООО НПФ

Управляющие системы

СПРАВКА

Настоящим подтверждается, что научные результаты, полученные в диссертационном исследовании Чинчуковой Е. П. «Системы адаптивного управления движением судна по курсу», запланированы к внедрению в процессе выполнения опытно-конструкторских работ в ООО НПФ «Управляющие системы» при МГУ им. адм. Г. И. Невельского.

К практической реализации планируются, в частности, адаптивные системы и алгоритмы адаптивной идентификации параметров судна, динамика которого представлена степенными функциями. В настоящее время прорабатывается программно-аппаратная реализация системы адаптивной идентификации.

Практическую ценность представляет также предложенная Чинчуковой Е. П. методика параметрического синтеза типовых линейных регуляторов, обеспечивающих системе управления курсом судна эталонное качество процессов.

Директор НПФ «Управляющие си А.В.Артемьев

кандидат технических наук

ПРИЛОЖЕНИЕ В

УТВЕРЖДАЮ

Нрбректор по учебной работе МГУ им. адм.Х.И, Невельского Юзов А.Д.

\

Акт4*1

Об использовании в учебном процессе результатов диссертационной работы Чинчуковой Е.П. «Системы адаптивного управления движением судна по курсу», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Диссертационная работа Чинчуковой Е.П. «Системы адаптивного управления движением судна по курсу» посвящена синтезу и исследованию систем адаптивного управления курсом судна на основе локального и интегрального критерия качества процессов управления, которые представляют собой компромисс, направленный на одновременное достижение высокой точности движения судна по курсу при малых отклонениях пера руля. В работе развит подход к построению систем управления морскими подвижными объектами, обеспечивающий адаптивное управление с идентификацией неопределенных параметров объекта с применением степенных рядов.

Предложенные и исследованные в диссертации Чинчуковой Е.П. адаптивно-робастные системы управления движением судна по курсу, реализующие алгоритмом адаптивной настройки параметров регулятора и остановкой процессов настройки при выполнении критерия робастной устойчивости, а так же алгоритмы определения параметров линейной и нелинейной математических моделей движения судна по курсу на основе метода скоростного градиента и

использующие представление нелинейности в модели судна в виде степенного ряда используются в учебном процессе кафедр «Электрооборудования и автоматизации судов», «Электронной и микропроцессорной техники» и «Автоматических и информационных систем» в процессе подготовки аспирантов, студентов и курсантов при чтении дисциплин «Основы теории управления», «Теория автоматического управления», «Моделирование систем управления», а так же при выполнении курсовых и дипломных работ. Разработанные в диссертации алгоритмы и системы используются при проведении научно-исследовательских работ, связанных с проектированием систем управления морских подвижных объектов и других сложных систем в учебно-научной лаборатории нелинейных и интеллектуальных систем управления.

Заведующий кафедрой

Автоматических и информационных систем

к.т.н., доцент _Полоротов С.П.