Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для проведения подводных океанологических исследований создаются и широко используются морские подвижные комплексы (МІЖ), состоящие из надводного судна и необитаемого подводного аппарата (НПА). Работа МІЖ происходит в условиях случайных ветро-волновых возмущений, поверхностных и подводных течений, сопровождается ошибками в определении местоположения судна и НПА и характеризуется высокой сложностью управления. Для повышения эффективности работ создаются различные системы автоматического управления движением (САУД) элементов МІЖ, реализующие режимы отслеживания заданной траектории и динамического позиционирования.
В процессе проведения исследовательских операций один из элементов МІЖ, как правило, является ведущим и движется по заданной траектории, а второй удерживает заданную относительно него позицию, при этом ведущий должен максимально точно отслеживать заданную траекторию, а ведомый лишен возможности маневрирования. Это приводит к необходимости перехода на ручное управление в случае движения МІЖ в сложных навигационных условиях, например, при обследовании фарватера, появлении навигационных опасностей и т.д. Алгоритмы координированного управления движением элементов МІЖ, при котором судно и НПА должны следовать каждый по своей траектории с точным соблюдением заданной скорости, смогли бы обеспечить оперативную коррекцию траекторий и автоматизировать процесс управления в условиях навигационных ограничений. Однако такие алгоритмы недостаточно исследованы.
Кроме того, в известных МІЖ, как правило, используется раздельное оценивание параметров движения судна и НПА, что не позволяет достичь потенциальной точности. Алгоритмы совместного оценивания параметров движения МІЖ практически не исследованы.
Следует отметить также, что существующие САУД морских подвижных объектов (МПО) ориентированы на относительно простые, в основном, прямолинейные, траектории, задаваемые набором путевых точек. Управление движением при этом реализуется в связанной системе координат (ОС) и сводится, по сути, к управлению только курсом. При этом алгоритмы управления движением в базовой СК исследованы недостаточно.
Вместе с тем, именно создание, моделирование и оптимизация алгоритмов совместного оценивания параметров и координированного управления в базовой СК позволит обеспечить движение элементов МІЖ с высокой точностью по различным криволинейным траекториям, что приведет к уменьшению затрат на проведение исследований Мирового океана.
Таким образом, задача моделирования и оптимизации систем управления движением МІЖ является весьма актуальной.
Цели и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности подводных океанологических исследований за счет моделирования и оптимизации алгоритмов совместного оценивания параметров движения элементов
МІЖ и автоматического управления их движением по заданным траекториям. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Провести сравнительный анализ известных математических моделей систем управления движением МІЖ по заданной траектории.
Разработать математические модели движения МІЖ в базовой СК.
Разработать алгоритмы оптимального оценивания параметров и управления движением элементов МІЖ в базовой СК, учитывающие модели движения управляемых объектов, а также модели навигационных средств.
Выполнить сравнительное исследование эффективности разработанных оптимальных алгоритмов оценивания и управления с помощью численного моделирования на ЭВМ.
Разработать комплекс программ для исследования и практической реализации алгоритмов оптимального оценивания параметров и управления движением МІЖ.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись методы математического моделирования, теории оптимальной фильтрации и управления, теории вероятностей и математической статистики. При разработке программных средств применялись методы объектно-ориентированного программирования и проектирования распределенных вычислительных систем.
Научная новизна положений, выносимых на защиту. В диссертации получены следующие новые научные результаты.
Предложены и исследованы математические модели движения МІЖ в горизонтальной плоскости в базовой СК. Показано, что разработанные модели могут использоваться при разработке рекуррентных алгоритмов оценивания и управления движением МІЖ.
Разработаны алгоритмы оптимального оценивания параметров и управления движением МІЖ, позволяющие с использованием моделей движения в базовой СК реализовать различные режимы оптимального управления, в том числе при движении по заданной криволинейной траектории и динамическом позиционировании.
Исследована эффективность процедур совместного оценивания параметров и управления движением МІЖ с помощью численного моделирования на ЭВМ. Установлено, что применение алгоритмов совместного оценивания параметров МІЖ позволяет снизить среднеквадратическую ошибку (СКО) оценивания координат судна и НПА до 40% по сравнению с известными алгоритмами раздельного оценивания.
Разработан программный комплекс «Интегрированная система управления движением», позволяющий проводить настройку и испытания алгоритмов автоматического управления движением различных МІЖ, состоящих из надводного судна и телеуправляемого подводного аппарата.
Практическая ценность. Предложенные в работе математические модели и алгоритмы управления совместным движением судна и НПА оформлены в виде законченных программных модулей и использованы при разработке САУД специализированных кораблей ВМФ. Разработанный программный комплекс «Интегрированная система управления движением», реализующий имитацию
внешних воздействий, датчиков навигационной информации, а также средств активного управления движением, предоставляет разработчикам САУД возможность исследования и настройки алгоритмов управления движением различных МІЖ, состоящих из надводного судна и телеуправляемого подводного аппарата.
Результаты диссертационных исследований внедрены в производственную деятельность ФНПЦ ОАО «НПО «Марс» (г.Ульяновск) и ОАО ЦМКБ «Алмаз» (г.Санкт-Петербург), что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Ульяновского государственного технического университета (2008-2010 г.), плановых заседаниях Научно-технического совета ФНПЦ ОАО «НПО «Марс» (2008-2010 г.), седьмой Международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, УлГУ, 2009 г.), научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов» (г. Москва, ОАО «Концерн «Моринформсистема - Агат», 2009 г.), шестой Всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) (Ульяновск, УлГТУ, 2009 г.), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (Ульяновск, УлГТУ, 2009 г.), LXV научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе две в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и приложений. Работа содержит 152 страницы текста, 37 рисунков и 6 таблиц.
