Содержание к диссертации
Введение
1. Основные принципы построения систем управления курсом судна 7
1.1. Общие сведения об авторулевых 7
1.2. Адаптивные авторулевые 12
1.3. Основные методы адаптации авторулевых 16
1.4. Пассивные методы адаптации САУ 19
1.5. Активные методы адаптации САУ 24
1.6. Математическая модель САУ курсом судна 30
Выводы по первой главе 40
2. Определение области допустимых значений параметров систем авто-матического управления курсом судна, обеспечивающих заданное каче ство функционирования и надежности
2.1. Общая постановка задачи обеспечения заданной точности работы с учетом точности настройки системы и эксплуатационных воздействий
Выводы по второй главе 60
3. Постановка задачи параметрической оптимизация систем по критерию надежности с учетом эксплуатационных и технологических отклонений параметров системы
3.1 Математическая постановка задачи идентификации процесса изменения значений параметров системы под воздействием эксплуатационных факторов 65
3.2 Математическая постановка задачи определения допустимого начального значения вектора параметров 68
3.3. Математическая постановка задачи определения расположения области работоспособности в пространстве параметров 72
3.4. Математическая постановка задачи определения значения вектора обобщенных параметров с учетом начальных и эксплуатационных отклонений 77
Выводы по третьей главе 82
4. Экспериментальная проверка работоспособности адаптации системы автоматического управления курсом судна 83
4.1. Проверка работоспособности алгоритма с помощью моделирования на ЭВМ 83
4.2. Полунатурные испытания авторулевого 89
4.3. Морские испытания авторулевого 92
Выводы по четвертой главе 94
Заключение
- Основные методы адаптации авторулевых
- Общая постановка задачи обеспечения заданной точности работы с учетом точности настройки системы и эксплуатационных воздействий
- Математическая постановка задачи определения допустимого начального значения вектора параметров
- Полунатурные испытания авторулевого
Введение к работе
В последние годы в России и за рубежом разработано большое число методов синтеза систем автоматического управления (САУ), позволяющих осуществлять обоснованный выбор структуры и параметров системы, удовлетворяющей заранее заданным требованиям. Большинство разработанных методов предназначено для синтеза САУ с постоянными параметрами. Однако в практике проектирования САУ управления современными объектами, главным образом динамическими, очень часто параметры объекта управления в процессе эксплуатации изменяются в широких пределах.
Наметившая в последнее десятилетие тенденция автоматизации производственных процессов нашла свое отражение и при разработке САУ курсом судна. САУ курсом судна является одной из важнейших систем судовой автоматики, от эффективности и надежности работы которой зависит безопасность плавания и экономическая эффективность эксплуатации судна.
Актуальность темы. В настоящее время практически все промышлен-но раз-витые страны интенсивно работают по созданию новых, более эффективных систем автоматического управления движением судна, обладающих повышенной эксплуатационной надежностью. Объясняется это в первую очередь необходимостью безопасности мореплавания в условиях интенсивного судоходства, резким ростом цен на топливо для судовых силовых установок, а также усиление экологических аспектов эксплуатации морского флота, строительством крупнотоннажных и скоростных судов, автоматическое управление которыми при использовании обычных авторулевых не обеспечивается или обеспечивается неудовлетворительно.
Как показывает практика внедрения и эксплуатации различных автоматизированных систем, они являются наиболее эффективным средством повышения технико-эксплуатационных характеристик судов и условий труда плавсостава. Автоматизация процессов и операций на судах приводит к уменьшению потерь ходового времени, снижению себестоимости перевозок,
сокращения численности экипажей, повышению надежности оборудования, снижению аварийности.
В России к настоящему времени назрела необходимость разработки и
I промышленного изготовления высокотехнологичных средств автоматизации
и управления. Значительная часть используемого оборудования разработана в 50х-70х годах и является морально и технологически устаревшей, не соответствуют предъявляемым ему современным требованиям, наряду с этим возникла необходимость создания современных систем автоматического управления многоцелевого назначения.
Встает необходимость разработки новых принципов параметрического синтеза систем автоматического управления курсом судна, которые бы учитывали изменение параметров системы и условий эксплуатации, а также неявную формализацию объекта управления при моделировании.
Целью работы является разработка адаптивного управляющего устройства для системы управления курсом судна на основе определения областей работоспособности системы, обеспечивающей с заданной вероятностью требуемое качество управления.
Объектом исследования являлось система управления курсом судна.
Для достижения указанной цели определены задачи исследования :
'% 1. Разработка математического метода определения областей пара-
метров, обеспечивающих работоспособность системы.
Разработка алгоритма предложенного метода.
Разработка программного обеспечения для современных высоко-интегрированных микроконтроллеров.
4. Создание опытного образца адаптивного авторулевого.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Математический метод идентификации параметров объекта управ-ления.
Математический метод оптимизации параметров регулятора, обеспечивающий заданную или максимальную вероятность удовлетворения качества управления.
Алгоритм и программное обеспечение для контроллера системы автоматического управления курсом судна.
Разработка функциональных, структурных и принципиальных схем адаптивного авторулевого.
Методы исследования. Методы системного анализа, методы линейного и нелинейного программирования, методы математического моделирования, положения теории автоматического управления и теории регулирования.
Научная новизна. Предложен и разработан метод идентификации случайных процессов изменения параметров под влиянием эксплуатационных факторов. Предложен и разработан итерационный подход к решению задачи оптимизации параметрической надежности САУКС, который позволяет сравнивать различные структурные схемы с точки зрения обеспечения требуемой эксплуатационной надежности, учесть характеристики элементов системы и разработать рекомендации к технологическим операциям производства компонентов системы. Метод включает в себя:
определение существования области допустимых значений параметров САУКС при заданном ограничении на выходные характеристики исследуемого объекта;
определение ориентации области допустимых значений в пространстве вектора параметров объекта;
определение квазиоптимальных номинальных значений вектора параметров объекта, при котором достигается максимальный диапазон значений эксплуатационных значений.
Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается использованием современных методик планирования эксперимента, корректным использованием принципов построения модели САУКС, а также удовлетворительным качественным и количественным совпадением резуль-
татов экспериментов и данных, полученных при математическом моделировании, полунатурных исследованиях и реальных ходовых испытаниях.
Практическая ценность работы. Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что эти результаты уже вполне могут быть использованы при разработке систем управления судов, которые только проектируются либо проходят переоборудование в нашей стране. Предложенный метод синтеза адаптивного авторулевого реализуем на современной аппаратной среде.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на научно-практической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс», Владивосток, ДВГТУ, 2002 г., международной научной конференции «Безопасность на море. Научно-технические проблемы и человеческий фактор», Владивосток, МГУ, 2002 г., X юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и "молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ'2004», Томск, 2004 г., «Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи», Москва, ВВЦ, 2004 г., конкурсе научно-исследовательских работ «Наука и молодежь - процветанию морской отрасли», Владивосток, ДВМП, 2005 г., международной выставке морского оборудования «Кормарин 2005», Республика Корея, Пусан, 2005г., научно-практической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс», Владивосток, ДВГТУ, 2006 г. Авторулевой установлен на головном судне «Ураганный», вновь строящейся серии судов РС-450. Успешно прошел швартовые, ходовые и морские испытания. Утвержден Регистром морского флота России.
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает десять работ (материалы научно-практических конференций, публикации в сборниках научных работ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 105 страницах машинописного текста и включает 36 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 115 наименований.
Основные методы адаптации авторулевых
В схеме авторулевого (рисунок 1.6) используется специализированная цифровая ЭВМ с набором вычислительных программ, в которую поступает информация от судового гирокомпаса, лага, гироскопического измерителя угловой скорости поворота судна, маятникового кренометра, измеряющего период бортовой качки, а также значения заданного и истинного углов перекладки руля. Данные датчиков первичной информации обрабатываются с помощью фильтра Калмана либо более современных аналогичных фильтров, выделяющего полезный сигнал управления на фоне помех [10, 76], вызванных рысканием судна при волнении, и для вырабатывающего оценки параметров движения судна с целью оптимизации настройки авторулевого и прогнозирования желаемой реакции судна на управляющие воздействия.
Алгоритм адаптации, или логическая последовательность автоматического определения оптимальных значений параметров настройки авторулевого, следующий: - при выходе из порта определяются период бортовой качки судна и характеристики рыскания, вызванного волнением; эти воздействия при расчете сигналов управления исключаются как помехи; - в качестве исходных принимаются значения коэффициентов при пропорциональной и дифференциальной составляющих закона регулирования, рассчитанные по гидродинамическим характеристикам судна; - вычисляется сигнал управления, поступающий на рулевой привод; - анализируется работа замкнутой системы и рассчитывается величина «экономического» критерия качества; - производятся небольшие изменения параметров авторулевого и анализируется их влияние на величину критерия; - вычисляется оптимальное соотношение параметров настройки, минимизирующее заданный критерий для данных условий плавания; - если имеется возможность объективно контролировать условия плавания, то параметры настройки далее меняются согласно априори выработанному алгоритму или иным способом (например, методом проб и ошибок).
Процесс адаптации может занимать несколько минут и повторяется снова при изменении состояния объекта или условий плавания.
Существуют адаптивные авторулевые (разработки фирм «Сперри», «Айо-трон»), использующие априорную информацию о динамике работы САУ движением судна по курсу в различных условиях плавания. Наборы параметров управления, рассчитанные с помощью ЦЭВМ по специальной программе, хранятся в блоке памяти судового микрокомпьютера в виде матрицы и подбираются в зависимости от скорости хода судна, полосы пропускания частот системы и результатов минимизации критерия качества в замкнутой системе. Для этого класса адаптивных АР присущи те же недостатки, не считая того, что матрица настройки должна создаваться для всех режимов эксплуатации конкретного судна.
Анализ современных адаптивных авторулевых показывает, что применяемые в них автоматические методы подстройки к изменяющимся условиям весьма разнообразны.
Значения коэффициентов закона регулирования при адаптации могут определяться беспоисковым и поисковым методами.
Различают адаптацию с применением математической модели судна [80] и адаптацию без модели. Используемые в регуляторе математические модели могут быть различных видов: линейные и нелинейные, алгебраические, дифференциальные, разностные. Эти модели могут применяться: для прогноза процесса управления, для синтеза закона регулирования или значения его коэффициентов, для идентификации параметров возмущений, действующих на объект, для моделирования «эталонной» реакции судна.
Параметры модели в процессе адаптации могут оставаться неизменными, оцениваться по данным от датчиков движения судна, идентифицироваться непосредственно в режиме работы или в специальном режиме [83].
В самонастраивающихся АР условно можно выделить системы с пассивной, активной и комбинированной адаптацией.
Пассивная адаптация применяется, когда факторы, влияющие на качество регулирования, измеряемы, и можно рассчитать, как изменить параметры настройки авторулевого, чтобы качество управления осталось хорошим.
Самонастраивающиеся системы с активной адаптацией делятся на поисковые, аналитические, аналитически-поисковые.
Поисковые системы обладают свойством отыскания значений параметров регулятора, обеспечивающих экстремальное значение критерия качества управления. Для выполнения своей задачи в этих системах должна быть запрограммирована методика поиска значений параметров регулятора и предусмотрена возможность оперативной оценки качества работы. Поисковые системы не нуждаются в достаточно полной априорной информации об объекте управления и о свойствах возмущений, но требует затрат времени на совершение поиска. Поисковый метод в адаптивных АР обьино используется при приспособлении к изменению характера рыскания судна от волн. Поиск оптимальных значений параметров АР после изменения характера волнового рыскания занимает порядка 10-15 минут, после чего АР обеспечивает наилучшее качество стабилизации курса.
Общая постановка задачи обеспечения заданной точности работы с учетом точности настройки системы и эксплуатационных воздействий
Прибор управления и рулевой привод, замкнутые внутренней обратной связью, образуют самостоятельную следящую систему управления рулем. На большинстве современных судов в качестве рулевого привода используются электрогидравлические рулевые машины, обеспечивающие перекладку руля с угловой скоростью примерно 2,5-3%. При одновременном включении насосов левого и правого бортов, угловая скорость перекладки руля увеличивается до 5 %, что положительно влияет на управляемость судна, особенно на малом ходу.
Внутренняя обратная связь в системе, как правило, осуществляется с помощью устройства, механически связанного с баллером руля и вырабатывающего электрический сигнал, пропорциональный углу поворота руля. Внешняя обратная связь обеспечивается гироскопическим либо иным компасом (например, флюкс-гейт компасом), который преобразует изменение курса судна в угол поворота сельсина-датчика курса, связанного с сельсином-приемником в авторулевом.
Практически все существующие системы автоматического управления движением судна по курсу, независимо от схемы и конструкции отдельных звеньев, работают по принципу отклонения, т. е. в авторулевом непрерывно сравнивается фактическое и заданное значения курса и вырабатывается сигнал управления. Под действием этого сигнала рулевая машина перекладывает руль и возвращает судно на заданный курс. Сигнал внутренней отрицательной обратной связи останавливает перекладку руля, а затем возвращает руль в диаметральную плоскость. Сигнал, пропорциональный скорости поворота судна, повышает чувствительность авторулевого при отклонении судна от заданного курса и обеспечивает одерживание при возвращении на заданный курс.
Общая структурная схема САУ курсом судна ничем не отличается от схем других автоматических систем, однако рассматриваемая САУ имеет следующие особенности:
1) Первая особенность САУ курсом судна обуславливается большой инер ционностью судна как объекта регулирования и изменением его гидродинами ческих параметров при изменении скорости хода и загрузки. Это ограничивает возможность выбора структуры системы и типа корректирующих устройств.
Для сохранения одинаковых показателей качества работы системы автоматического управления (например, одной и той же ошибки) при разных режимах работы судна (разных скоростях, загрузке, глубине под килем и т.д.) необходимо в эту систему вводить дополнительные корректирующие устройства и/или менять настройку параметров регулятора авторулевого в процессе эксплуатации. Таким образом, при исследовании и расчете САУ курсом судна следует знать численные значения гидродинамических параметров и пределы их изменений в зависимости от режима работы судна. Большая инерционность судов приводит также к затруднению экспериментального исследования макетов систем в процессе их создания.
2) Вторая особенность САУ курсом заключается в том, что они имеют внутренние жесткие обратные связи, т. е. включают в себя самостоятельную сле дящую систему управления рулем.
Следящие системы управления рулем обладают малыми скоростями отработки (2-3%), сложной нелинейной зависимостью момента сопротивления на исполнительном устройстве от угла перекладки руля, неравенством углов заводки и отработки системы из-за того, что коэффициент обратной связи системы, как правило, меньше единицы. Эти особенности следящих систем управления рулем приводят к необходимости разработки специальной методики их исследования и расчета.
3) Третьей особенностью систем автоматического управления движением судна по курсу является многорежимность работы. Они могут работать при слу чайных внешних управляющем и возмущающем воздействиях, приложенных к разным звеньям системы.
Традиционная САУ курсом судна должна уметь решать следующие задачи: а) маневрирование - достаточно точно и быстро выполнять полученные приказы (управляющие воздействия); б) стабилизацию - автоматически удерживать судно на прямом заданном курсе.
Поэтому система автоматического управления движением судна по курсу может работать в следящем режиме, режиме стабилизации, комбинированном режиме. Система должна быть рассчитана так, чтобы могла работать во всех указанных режимах с заданной точностью.
4) Четвертая особенность обусловлена условиями эксплуатации систем автоматического управления движением судна по курсу. Обеспечение условия непрерывной работы авторулевого в течение всего времени плавания судна зависит от надежности работы его элементов, поэтому необходимо при расчете выбирать такие элементы и корректирующие устройства, которые не ведут к чрезмерному усложнению системы и снижению ее надежности.
Под объектом регулирования в системе автоматического управления движением судна по курсу обычно понимают сложное гидродинамическое звено, состоящее из корпуса судна, руля и окружающей их среды. Точное математическое описание такого звена встречает большие трудности, а получаемые при этом нелинейные дифференциальные уравнения чрезвычайно сложны. Поэтому для практических задач анализа и синтеза САУ курсом судна классическая теория управления идет по пути упрощения математической модели.
При построении математического описания движение судна рассматривается только в горизонтальной плоскости подвижной системы координат с началом отсчета в центре тяжести судна [31]. Скорость судна считается постоянной, а ее изменениями из-за непостоянства частоты вращения гребного винта и других факторов пренебрегают. Выбор такой системы координат в большинстве случаев отвечает поставленным задачам и позволяет считать коэффициенты присоединенных масс жидкости, увлекаемой движущимся судном, постоянными.
Математическая постановка задачи определения допустимого начального значения вектора параметров
II Этап. Как уже отмечалось в разделе 3.1, ограничения на выходные характеристики системы (показатели качества) формируют в пространстве параметров область допустимых значений, которую можно определить как D = {h(xT,kT,zT)eRN /G,(h) 0 , / = 1,2m}, где: h(x ,k ,z ) -обобщенный вектор параметров системы, Gi (//) - вектор функция показателей качества проектируемой системы.
Следует учесть, что всегда существует вероятность того, что вследствие принятых неправильных исходных данных или из-за вычислительных ошибок ограничения на вектор-функцию показателей качества несовместимы и нет ни одного допустимого решения. Поэтому до начала оптимизационных расчетов проверяется существование допустимых решений. В противном случае следует уточнить предлагаемую математическую модель объекта, либо пересмотреть и ослабить ограничения на вектор-функцию показателей качества.
На втором этапе поиска оптимального решения исключим из рассмотрения начальный разброс значений параметров и влияние эксплуатационных факторов, т.е. будем полагать ox = 0,oz = О, тогда TV = л,
В соответствии с этим область допустимых значений параметров системы можно определить как: D = {X,eR"4Gj(X) 0, і = Щ. (3.7)
При решении таких задач широко используются следующие три способа отыскания допустимой точки: случайный поиск, минимизация штрафной функции при отсутствии ограничений и последовательная минимизация при наличии ограничений. Случайные пробные начальные решения получаются при решении уравнения Х;=Х,.+г (Х/+„-ХД (3.8) где Х„Хі+п - граничные значения из области возможных значений параметров системы, г є [0,1 J - псевдослучайное число, полученное использованием генератора псевдослучайных чисел.
Эти решения проверяются на допустимость. Недопустимые решения отбрасываются, а алгоритм случайного поиска продолжает работать до тех пор, пока не будет получено допустимое решение. Следует учесть, что, даже, для задач небольшой размерности с нелинейными ограничениями в виде неравенств, может потребоваться большое время счета. В связи с этим обстоятельством для задач с малой областью допустимых решений и задач большой размеренности используется метод непосредственной минимизации невязок ограничений. При исследовании модели этим методом отыскивается решение задачи безусловной минимизации, в которой в качестве целевой функции принимается некоторая штрафная функция: . „, , sh г г , fO, если G.(x) 0, Найти ішіВД Дх), где ft.( ) = (3.9) f \G;{x), если ц(х) 0. Решение будет допустимым, если значение целевой функции окажется равным нулю.
Рабочим методом поиска minF(x) является метод случайного поиска (ползущий метод Брукка). Выбор случайного метода поиска как рабочего метода обоснован тем, что многочисленные ситуации, возникающие в процессе решения задачи типа «холм, яма, плоскогорье, хребет, овраг» и т.д. заставляют изменять алгоритм в процессе поиска, чтобы поддержать его с минимальными затратами. Параметрическая адаптация алгоритма случайного поиска опирается на то, что параметрами алгоритма являются величина рабочего шага А и параметры плотности распределения P(z) случайного шага г. Ниже приведены основные принципы построения адаптивного алгоритма.
Адаптация величины рабочего шага. Адаптация заключается в том, что получаемая на каждом шаге поиска информации об успехе или неудаче случайного шага используется для изменения этого распределения так, чтобы эффективность процесса поиска возрастала.
Пусть Р(г)-плотность распределения случайного шага г. Основной характеристикой всякого распределения является его математическое ожидание т(г). Изменяя эту характеристику, будем воздействовать на процесс поиска. Практически это сводится к добавлению вектора Акг- случайному вектору с нулевым математическим ожиданием (т (г) = 0), г = г + А, откуда следует, что т(г)=А, т.е. имеет место снос процесса поиска в направлении А. При этом вектор А формируется так, чтобы отражать предысторию поиска, где предпочтение отдается более свежей информации X i+l _ у к ,/-ік _і_ґ к c;=v(Jb-0 (зло) Ck2j=B2 (Xk0-l XkQ:2)J = U, где к -номер шага итерации XQJ - оптимальное значение вектора в окрестности M[r] = А , 0 52 Б1 1 -коэффициенты учета предыстории.
Адаптация распределения случайного шага. Эта процедура связана с необходимостью уменьшить величину случайного шага (дисперсию) по мере приближения к положению оптимума.
Полунатурные испытания авторулевого
Вторым этапом проверки алгоритма являлись полунатурные испытания с помощью имитатора «ИС-2005».
Имитатор предназначен для имитации сигналов приемника ГЛОНАСС/DGPS, лага, компаса и датчика положения руля для проверки и настройки современных авторулевых. Имитатор моделирует: корпус судна (подводная и надводная части); гребной винт фиксированного и регулируемого шага; руль; главный двигатель судна (модель только по частоте вращения); рулевую машину постоянной или переменной производительности (с двумя насосами) со следящей системой; систему ДАУ ГД. А также действующие возмущения: постоянный ветер; порывы ветра; двухмерное нерегулярное морское волнение; постоянное течение. И датчики: лаг с NMEA выходом; приемник ГЛОНАСС/DGPS с NMEA выходом; компас с NMEA выходом; компас с аналоговым выходом; датчик обратной связи руля.
Математическая модель движения судна имеет 4 степени свободы и обеспечивает моделирование только переднего хода (более 1 узла) на глубокой и мелкой воде (равномерное мелководье) при действии ветра, течения и нерегулярного морского волнения.
Параметры возмущения задаются в программе настройки конфигурации имитатора. Изменение параметров ветро-волнового возмущения и положения рукоятки машинного телеграфа возможно в процессе моделирования. Математическая модель датчиков движения судна обеспечивает моделирование погрешности датчиков.
Имитатор состоит из программного обеспечения и аппаратной части. Программное обеспечение состоит из пользовательского интерфейса, в котором конфигурируются характеристики судна и его условий плавания, и непосредственно программного модуля, занимающегося моделированием движения судна. Аппаратное обеспечение состоит из плат ввода-вывода и блока сопряжения имитатора и авторулевого.
Имитатор позволяет моделировать шесть различных моделей судов. Испытания проводились на всех моделях, однако, для дальнейшего описания используем только модель судна, наиболее близкую по параметрам к судну при натурных испытаниях. Параметры этой модели следующие: - тип - пассажирское судно прибрежного плавания; - длина - 35.5 м; - ширина - 7.2 м; - осадка - 2.15 м; - коэффициент общей полноты -0.63; - площадь руля -1.5 м; - число винтов - 1; - винт регулируемого шага; - диаметр винта -1.0 м; - скорость хода - 10 уз.
Предварительно в регулятор вручную были введены 7(,7=1.5, Кд=1.0, #77=0-005. Поведение судна на курсе представлено на рисунке 4.5.
Среднеквадратическое отклонение судна от курса уменьшилось с 0.43 до 0.16. Затем была проведена проверка оптимума настройки регулятора. Для этого параметры регулятора изменялись вручную вблизи от их автоматически настроенных оптимальных значений. Далее, на достаточно большом интервале времени определялось среднеквадратическое отклонение судна от курса. Однако при малых отклонениях параметров оценить точность настройки не удается, так как при одних и тех же значениях регулятора, проводя проверку на различных отрезках времени, наблюдается некоторая вариация среднеквадратического отклонения, обусловленная случайным характером возмущающего воздействия. Дальнейшее увеличение отклонения настроек регулятора (порядка 5% от первоначальных значений для Кп и Кд) приводит к ухудшению показателей качества управления, что подтверждает оптимальность автоматической адаптации.
