Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие подходы и методы синтеза систем управления автономными необитаемыми подводными аппаратами 11
1.1 Применение автономных необитаемых подводных аппаратов при решении широкого круга задач 11
1.2 Обеспечение базирования АНПА на подводных объектах 13
1.3 Обзор методов управления автономными необитаемыми подводными аппаратами 17
1.4 Сравнительный анализ векторного нелинейного и линейного регуляторов 26
1.5 Постановка задачи стыковки АНПА с подвижным носителем 28
1.6 Выводы по главе 1 31
Глава 2. Разработка метода управления АНПА при решении задачи стыковки с доком в автоматическом режиме 33
2.1 Разработка математической модели движения АНПА 33
2.2 Математическая модель внешней среды 58
2.3 Метод управления АНПА при стыковке с доком 67
2.4 Позиционирование АНПА на станцию базирования с учетом требования к ориентации и скорости движения АНПА 69
2.5 Оценка области достижимости с учетом ограничений 71
2.6 Обобщенная структура и алгоритм работы системы управления при стыковке АНПА с подводной станцией базирования 75
2.7 Исследование предложенных алгоритмов методом компьютерного моделирования 77
2.8 Выводы по главе 2 83
Глава 3. Адаптация законов управления АНПА
3.1 Синтез наблюдателя возмущений 84
3.2 Повышение быстродействия и точности наблюдателя в области больших отклонений 88
3.3 Адаптация алгоритмов управления АНПА в классе прямого адаптивного управления 96
3.4 Выводы по главе 3 101
Глава 4. Реализация макета системы управления АНПА 103
4.1 Синтез системы управления надводного мини-корабля 103
4.2 Моделирование движения при позиционировании в точку 115
4.3 Разработка структурной схемы системы управления 116
4.4 Программно-аппаратная реализация системы управления 117
4.5 Результаты экспериментального исследования системы управления автономного мини-корабля 121
4.6 Выводы по главе 4 124
Заключение 126
Список литературы
- Обеспечение базирования АНПА на подводных объектах
- Математическая модель внешней среды
- Повышение быстродействия и точности наблюдателя в области больших отклонений
- Разработка структурной схемы системы управления
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
В настоящее время расширяются исследования океанов и морей в плане не только научных океанологических исследований, но и в целях решения прикладных, производственных и военных задач, связанных с применением глубоководной техники различных типов. В решении этих задач все возрастающую роль играют автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). Идея базирования АНПА на донных сооружениях, подводных лодках и надводных кораблях получила широкое распространение. Такой подход повышает эффективность использования АНПА и комплексов в целом.
Одной из основных проблем создания АНПА, способных решать современные задачи исследования морских пространств, является разработка высокоэффективных автоматических систем управления движением АНПА. На практике, в морской глубине постоянно возникают факторы, которые невозможно предвидеть при разработке миссии. Поэтому системы автоматического управления движением АНПА должны быть реализованы в классе адаптивных систем.
Для безопасности АНПА и станции базирования, системе управления (СУ) АНПА необходимо осуществить точное позиционирование аппарата. Такая операция под водой затрудняется наличием подводных течений и завихрений, вызванных работой винтов. Приведение АНПА к подводным причальным сооружениям, стыковка с ними в автоматическом режиме с высокой точностью позволяет минимизировать риск аварийных столкновений.
К основным подходам синтеза систем управления динамическими подвижными объектами можно отнести: метод позиционно-траекторного управления подвижными объектами, разработанный В.Х. Пшихоповым, метод обратных задач динамики, разработанный школами А.С. Галиуллина и П.Д. Крутько, метод структурного синтеза координирующих систем управления Л.М. Бойчука, метод построения систем управления программным движением А.В. Тимофеева, метод согласованного управления И.В. Мирошника, синергетический метод синтеза А.А. Колесникова, метод потенциальных полей О. Хатиба, метод неклассических функционалов (функционала обобщенной работы) А.А. Красовского, включая самоорганизующиеся оптимальные регуляторы с экстраполяцией, методы адаптивного частотно-модального управления А.Г. Александрова, методы адаптивного управления А.Л. Фрадкова, методы робастного управления Андерса Линдквиста, и основанные на перечисленных методах подходы и методики.
При синтезе законов управления для АНПА наиболее часто применяют линейные регуляторы с разделением движения на продольную, поперечную составляющие. Реже используются многосвязные нелинейные модели. Также можно выделить адаптивные и неадаптивные системы управления подвижными объектами.
Таким образом, применяемые подходы для управления стыковкой АНПА, в основном ограничены линейными методами с разделением движений. Такие си-3
стемы управления работоспособны в ограниченном диапазоне скоростей и действующих на АНПА возмущений.
Целью диссертационной работы является расширение функциональных возможностей АНПА, обеспечивающее автоматическое причаливание и стыковку к подводному доку при неопределенных внешних условиях.
Научная задача, решение которой содержится в диссертации, – разработка методов управления АНПА, обеспечивающих автоматическую стыковку с подводным доком при неопределенных внешних условиях, а также их исследование методами математического и компьютерного моделирования.
Основные задачи исследования:
построение многосвязной нелинейной математической модели АНПА с учетом особенностей движительно-рулевого комплекса;
разработка адаптивного к внешним возмущениям метода управления АНПА при причаливании и стыковке с подводной станцией базирования;
разработка критерия переключения с траекторного на позиционное управление с учетом ограничения на управляющие воздействия;
повышение точности системы управления АНПА за счет оценивания внешний возмущений;
исследование системы управления АНПА методом компьютерного моделирования;
разработка структуры системы управления АНПА, реализующего предлагаемые методы управления;
разработка макета системы управления для экспериментального исследования методов управления АНПА;
экспериментальное подтверждение корректности предлагаемых методов управления.
Методы исследования основаны на использовании методов теории управления, аналитической механики, теории матриц, методе аналитического синтеза нелинейных позиционно-траекторных систем управления подвижными объектами, методе построения редуцированных наблюдателей Луенбергера для нелинейных систем, методе анализа устойчивости по функции Ляпунова, методах имитационного моделирования. Проверка эффективности полученных в ходе работы теоретических результатов осуществлялась средствами численного моделирования в среде MATLAB и подтверждена результатами экспериментов.
Наиболее существенные новые научные результаты, полученные автором и выдвигаемые для защиты:
- метод управления АНПА при стыковке с подводной станцией базиро
вания, отличающийся двухэтапной процедурой стыковки со стабилизацией пу
тевой скорости АНПА при учете компоновки исполнительных механизмов и
возмущений, что позволяет производить стыковку с подводной станцией бази
рования в автоматическом режиме;
- критерий оценки области устойчивости АНПА при позиционировании,
отличающийся учетом ограничений на управляющие воздействия и позволяю-
4
щий сформировать критерий переключения с траекторного на позиционное управление;
алгоритм робастного оценивания аддитивных возмущений, отличающийся нелинейным изменением коэффициентов усиления в зависимости от оценки текущей погрешности оценивания, позволяющий понизить интегральную оценку качества до 40 % в установившемся режиме, до 12 % в целом и устранить погрешности оценивания, связанные с неточностью аппроксимации модели возмущений;
метод прямого адаптивного управления АНПА, отличающийся использованием нелинейного ПИ-регулятора, обеспечивающего асимптотическую устойчивость замкнутой системы.
Практическая ценность работы. Представленные результаты могут быть использованы при проектировании и исследовании систем управления АНПА. Разработанные подходы позволяют придать АНПА новые функциональные возможности и повысить качество отработки задач стыковки при неопределенных внешних условиях, снизить стоимость разработки системы управления.
Достоверность полученных результатов:
– обеспечивается применением принципов и методов теории автоматического управления, а также строгими математическими выводами;
– подтверждается результатами экспериментов и компьютерного моделирования;
– согласуется с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, представленными в печатных изданиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на первой Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (с международным участием) «Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы», г. Таганрог, 2005 г.; Всероссийской научно-практической конференция «Перспективные системы и задачи управления», п. Домбай в 2008 -2015 г.; Всероссийском смотре-конкурсе «Эврика 2008», г. Новочеркасск; первой международной конференции «Автоматизация управления и интеллектуальные системы и среды», г. Нальчик, 2010 г.; XI Всероссийской научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», г. Таганрог 2012 г.; второй конференции молодых ученых и специалистов Московского отделения Академии навигации и управления движением, г. Москва, 2010 г.; молодежной научно-практической конференции «Современный взгляд на проблемы технических наук», Уфа, 2014 г.; XXXVII международной научно-практической конференции «Технические науки — от теории к практике», Новосибирск; XXVI-XXVII международной заочная научно-практическая конференция «Научная дискуссия: вопросы технических наук», Москва, 2014 г.; III Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ПАРУСА-2014, Таганрог; X Triennial International SAUM Conference on Systems, Automatic Control and Measurements (Сербия), 2010 г.; IEEE Latin American Robotics
Symposium, LARS 2013; 9th World Congress the International Federation of Automatic Control, Cape Town, South Africa, 2014 г.; 4th International Workshop on Computer Science and Engineering, WCSE 2014; Second Intl. Conf. on Advances In Mechanical and Robotics Engineering - AMRE 2014.
Разработки по теме диссертации отмечены именной стипендией Главы Администрации (Губернатора) Ростовской области в 2011 г. за особые способности в научной деятельности, премией молодых ученых ЮФУ, премией «Лауреатов-студентов ЮФУ «За лучшую научно-исследовательскую работу», 2009 г, дипломом победителя Russian StartUp Tour 2014 г. с проектом «Разработка адаптивных систем управления автономных безэкипажных катеров», медалью «лауреат ВВЦ», 2005 г.; золотой медалью 18 Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий Архимед-2015 за разработку «Интеллектуальная система управления роботизированным катером», благодарственным письмом министра экономического развития Ростовской области за вклад молодых ученых в развитие инновационного потенциала региона.
Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в рамках данной работы, использованы при выполнении ОКР «Разработка малогабаритного комплекса навигации и управления движением для АНПА», 2010 г; НИР «Разработка интеллектуальной системы управления движением автономных необитаемых подводных аппаратов», 2012-2013 г.; НИР «Разработка автономной робототехнической системы на базе надводного мини-корабля», 2013 г.; ОКР «Разработка системы управления типовых платформ АНПА» 2013-2014 г; ОКР «Разработка технического проекта ряда перспективных типовых платформ АНПА», 2013-2014 г.; НИР №114041540005 "Теория и методы позиционно-траекторного управления морскими роботизированными системами в экстремальных режимах и условиях неопределенности среды", грант РФФИ №13-00249 «Разработка и исследование теоретических основ проектирования систем управления нелинейными техническими объектами в условиях неопределенности на базе эквивалентных преобразований формы их уравнений», выполняемые по заказам различных министерств и ведомств РФ.
Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации, выдвигаемые для защиты, получены автором лично.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 53 печатных работах, в том числе 1 монографии (в соавторстве) и двух учебных пособиях (в соавторстве), 23 статьях в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, 12 докладах в материалах и тезисах Всероссийских и международных конференций, 10 зарубежных журналах, 1 патенте на полезную модель и 4 авторских свидетельствах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и содержания. Основная часть работы составляет 141 страницу и включает в себя 88 рисунка и 6 таблиц.
Обеспечение базирования АНПА на подводных объектах
В мире наблюдается тенденция к роботизации технических средств, используемых человеком для решения различных задач. Учитывая все сложности и опасности работы в водной среде, особенно такая тенденция актуальна в области подводных работ и исследований.
Обитаемые подводные аппараты [1,2] дороги, громоздки, требуют специального судна-носителя и подвергают риску жизнь членов экипажа. В связи с этим, широкое распространение получили телеуправляемые подводные аппараты (ТПА). Такие аппараты соединены с кораблем-носителем специальным кабелем, по которому осуществляется энергопитание аппарата, передача управляющих сигналов и получения различной информации с датчиков ТПА. Но у таких аппаратов есть серьезные недостатки. В первую очередь – сам кабель, ограничивающий глубину погружения и дальность действия. В основном они применяются для аварийных и спасательных работ, когда требуется оперативное управление, исходя из подводной обстановки. Поэтому все чаще при решении различных задач применяют автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА), способные в автоматическом режиме выполнять поставленные перед ними задачи. Естественно, что функция дистанционного управления всегда присутствует в аппаратах этого класса. Несмотря на то, что АНПА, автономные в смысле энергообеспечения и в смысле управления, являются отдельным классом подводных робототехнических систем, на сегодняшний день также широко применяются необитаемые подводные аппараты (НПА), обладающие только автономностью в плане управления, а питание осуществляется по кабелю с судна-носителя, и наоборот, питание аппарата является автономным, а управление осуществляется оператором по кабелю. Существующие системы НПА способны работать и обеспечивать выполнение отдельных подзадач в автоматическом режиме, т.е. оператор дает команды «Двигаться к тому предмету», «Поднять заданный объект», а системы управления НПА выполняют поставленные задачи в автоматическом режиме с учетом внешней обстановки (течения, наличие препятствий и т.д.).
Обычно, АНПА работает по заложенной программе – движется, выполняет задание и возвращается к обеспечивающему судну или береговой базе. Аппараты такого типа принимают команды и передают информацию с помощью гидроакустической системы связи. Навигационная система тоже гидроакустическая, дополненная интегральной бортовой навигационной системой, позволяет отслеживать траекторию движения аппарата в реальном времени [3]. Главное преимущество АНПА – высокая маневренность, независимость от обеспечивающего судна, способность погружаться на большие глубины, простота эксплуатации, высокая производительность. В зависимости от емкости источников энергии аппарат может работать до нескольких десятков часов. Модульная конструкция позволяет оперативно устанавливать и изменять комплекс бортовой аппаратуры.
Подводная робототехника активно используется в гражданском флоте для решения таких задач, как картографирование морского дна, наблюдение и диагностика подводных коммуникаций (трубопроводы, сети передачи данных), транспорт материалов к местам выполнения подводных работ и др. Стоит отметить, что выполнение некоторых задач с помощью других средств затруднительно или просто невозможно.
РФ имеет самую протяженную в мире морскую границу и очень важно сегодня обеспечить национальную безопасность нашей страны с моря. Подводные аппараты по своим функциональным возможностям способны решать масштабные оборонительные задачи [4–6].
В России наибольшего успеха в разработке и создании АНПА достиг Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН), где под руководством академика РАН М.Д. Агеева, а теперь директора института Наумова Л.А., разработана уникальная модульная конструкция (технология), позволяющая производить сборку и отладку НПА под конкретную задачу. Созданные в ИПМТ ДВО РАН автономные НПА с глубиной погружения до 6000 м не уступают в настоящее время по своим тактико-техническим характеристикам лучшим зарубежным аппаратам. С учетом того, что на сегодняшний день подводные аппараты могут существенно повышать эффективность военного и гражданского флота, выполняя различные целевые задачи с высокой степенью надежности и точности отработки, существует актуальная задача разработки и развития систем управления АНПА, которые бы отвечали все возрастающим требованиям к качеству функционирования АНПА.
Для обслуживания и запуска автономных необитаемых подводных аппаратов необходимо обеспечивать сопровождающее судно специальным оборудованием, при помощи которого экипаж может спустить АНПА на воду. Однако существуют проекты по развитию системы стыковки АНПА и сопровождающего судна или подводной лодки под водой. Базирование АНПА может осуществляться на подводной лодке, надводном корабле или на подводном стыковочном узле. При этом стыковка АНПА с судном может осуществляться через специальные ниши в днище корабля носителя.
В общем случае АНПА могут базироваться на подвижных и неподвижных доках. К подвижным докам относятся станции базирования АНПА на сопровождающих кораблях или подводных лодках, к неподвижным – донные станции или привязанные к стационарному объекту.
АНПА может стыковаться и с подвижными платформами. Идея базирования АНПА на подводных лодках особенно актуальна при боевых операциях. АНПА может выполнять широкий круг задач [3– 10], а его наличие на борту подводной лодки или надводного корабля существенно повышает тактические возможности такого комплекса.
В настоящее время известен ряд технических решений, направленных на обеспечение базирования АНПА на подводных лодках. Так, в открытой печати представлено много проектов [5–9] и разработок по базированию АНПА на подводных лодках, что, по мнению авторов проектов, существенно повышает боевые возможности подводных лодок. Существует две концепции базирования АНПА на подводных лодках: а) концепция «сухого базирования», когда АНПА хранится и обслуживается внутри прочного корпуса лодки или внутри специальных прочных контейнеров, например, модернизированных пусковых ракетных шахт ПЛ, ; б) концепция «мокрого базирования», когда АНПА в течение всего срока автономности подводной лодки хранится вне прочного корпуса в специально отведенном месте, заполненном забортной водой. В работе [3] рассмотрены достоинства и недостатки первой и второй концепции. Концепция «сухого» базирования требует переоборудования ПЛ, что влечет за собой высокую стоимость внедрения таких систем. Концепция «мокрого» базирования значительно дешевле, однако есть и свои минусы, связанные с отсутствием доступа к системам АНПА, чем значительно затрудняется обслуживание АНПА.
Математическая модель внешней среды
Уравнения (2.21) совместно с уравнениями (2.12) образуют систему уравнений динамики АНПА относительно связанной системы К, то есть математическую модель его поступательных и вращательных движений. Однако в форме (2.12), (2.21) модель представляет лишь чисто математический, исследовательский интерес, так как представлена виртуальными переменными состояния и виртуальными входными воздействиями.
Переход от виртуальных переменных состояния к физически и технически измеряемым переменным осуществляется на основе математической модели кинематики АНПА, построенной в предыдущем параграфе. Переход от виртуальных «результирующих» сил и моментов, изменяющих ориентацию и траекторию движения АНПА, к реально действующим на него силам и моментам осуществляется с использованием частных законов гидростатики и гидродинамики, и рассматривается далее. 2.1.5 Определение сил и моментов, действующих на АНПА
Рассмотрим составляющие главного вектора и главного момента. Взаимодействие аппарата со средой характеризуется гидростатическими, гидродинамическими и управляющими силами и моментами (рисунок 2.4). К гидростатическим воздействиям относятся плавучесть, продольный и поперечный восстанавливающие моменты остойчивости.
К гидродинамическим воздействиям относятся: - силы вязкого сопротивления, складывающиеся из сил сопротивления формы и сил трения; - силы инерционной природы, зависящие от присоединенных масс жидкости.
Силы вязкого гидродинамического сопротивления представляются в виде равнодействующей RГ и ее момента NГ, включающие позиционные и демпфирующие составляющие. Проекции гидродинамической силы и момента в системе координат OXYZ вычисляются по известным формулам гидромеханики [62].
В выражениях (2.12) и (2.21) главный вектор F и главный момент N действующих на АНПА внешних сил можно разложить на их составляющие следующим образом [63]: р = 0 + АП+РД+ЯГ, (2.22) N = NG+NД+NГ, (2.23) где G и NG - соответственно главный вектор и главный момент сил тяжести; АП главный вектор плавучести (сила Архимеда); РД и ЯД - соответственно главный вектор и главный момент силы тяги, создаваемой движителями АНПА; RГ и NГ соответственно главный вектор и главный момент гидродинамических сил, действующих на корпус и оперение АНПА. Все силы, действующие на АНПА, представлены на рисунке 2.5.
Вектор RГ приложен в каждый момент времени к центру давления, то есть к геометрическому центру корпуса – точке O АНПА. В общем случае, центр масс – точка Oцм может не совпадать с центром давления О. Сила Архимеда AП (плавучесть) всегда приложена к АНПА в точке O. Подчеркнем, что сила тяжести, сила Архимеда (гидростатические продольный и поперечный восстанавливающие моменты остойчивости) действуют на АНПА, вне зависимости от того движется он или неподвижен. В тоже время гидродинамические силы, действующие на корпус и оперение АНПА, возникают и оказывают существенное влияние на его состояние только в процессе его движения, увеличиваясь с увеличением скорости движения АНПА относительно среды. При этом силы тяги движителей являются основными управляющими воздействиями на АНПА со стороны системы управления. Поэтому далее сначала рассматриваются сила тяжести, сила Архимеда, затем гидродинамические силы, и только потом силы создаваемые движителями. 2.1.6 Силы и моменты, постоянно действующие на АНПА Для определения проекций векторов архимедовой силы и силы тяжести, входящих в правые части уравнений (2.22), (2.23), целесообразно воспользоваться формализмом однородных преобразований [65].
Сила тяжести и её момент. Для определения проекций вектора силы тяжести и соответствующего момента, входящих в правые части уравнений (2.22), (2.23), целесообразно воспользоваться однородным преобразованием с матрицей Дф, ці, у).
Вектор силы тяжести G в земной системе координат имеет компоненты О, -G, О , то есть вектор G = [0 -G of, где G - вес АНПА. Поэтому, с помощью указанной матрицы можно найти его компоненты в связанной системе координат К
Сила Архимеда и её момент. Сила Архимеда - это так называемая всплывающая сила (плавучесть), благодаря которой АНПА стремится всплыть. Точкой приложения силы Архимеда является статический центр давлений АНПА, который обычно совпадает с геометрическим центром оболочки АНПА точкой О. Другими словами, сила Архимеда приложена в начале системы координат К и направлена вертикально вверх, а её величина Ап пропорциональна плотности р жидкости на глубине погружения и объему U оболочки АНПА, то есть Ап = pgU, поэтому компоненты вектора силы Архимеда Ап в системе К определяются выражениями АПх = pgU sin \\г,АЦу= pgU cos i/ cos у, Аш = pgU cos i/ sin у, (2.26) а вектор момента силы Архимеда относительно точки О, равен нулю. Блок плавучести. Отметим, что в общем случае масса т АНПА может изменяться под влиянием блока плавучести, который либо изменяет массу балластных цистерн с целью обеспечения заданного значения остаточной плавучести, т.е. величины Pocm = pgU-mg, где р - удельная плотность морской воды на глубине погружения АНПА.
Повышение быстродействия и точности наблюдателя в области больших отклонений
В главе построена математическая модель с учетом особенностей движительно-рулевого комплекса конкретного АНПА. Рассмотрены алгоритмы управления АНПА при сближении и стыковке с подводной станцией базирования. Приведен критерий переключения между этими алгоритмами, на основе ляпуновского критерия устойчивости по норме начальных условий. Разработаны структура системы управления АНПА и обобщенный алгоритм работы. Результаты компьютерного моделирования подтвердили работоспособность предложенных алгоритмических решений.
Основные результаты: метод управления АНПА при стыковке с подводной станцией базирования, отличающийся двухэтапной процедурой стыковки со стабилизацией путевой скорости АНПА при учете компоновки исполнительных механизмов и возмущений, что позволяет производить стыковку с подводной станцией базирования в автоматическом режиме; метод оценки области устойчивости АНПА при позиционировании, отличающийся учетом ограничений на управляющие воздействия и позволяющий сформировать критерий переключения с траекторного управления на позиционное управление. Глава 3. Адаптация законов управления АНПА
В главе разрабатывается наблюдатель внешних возмущений. Предлагается использовать переменные коэффициенты усиления в зависимости от оценки текущей погрешности оценивания. Предлагается прямого адаптивного управления АНПА.
Базовый алгоритм позиционно-траекторного управления [72-77] АНПА строится в классе непрямых адаптивных систем, в который существенным образом на качество замкнутой системы влияет алгоритм оценивания возмущения. В данном разделе развивается метод робастного оценивания внешних, параметрических и структурных возмущений [72-75], представленных в аддитивной форме.
Достоинством такой адаптивной системы управления является независимость функционирования контура наблюдения от контура управления. Недостатком системы, показанной на рис. 3.1, является требование по выполнению теоремы разделения. Область устойчивости замкнутой системы в некоторых случаях может зависеть от скорости оценивания возмущений в наблюдателе.
Рассмотрим уравнения динамики АНПА, в которых присутствуют наиболее существенные неопределенности, обусловленные
Таким образом, из (3.19) следует, что алгоритм оценивания (3.16), (3.17) обладает свойством экспоненциальной асимптотической устойчивости в соответствии с уравнением (3.6). Кроме того, из (3.19) видно, что свойства наблюдателя возмущений не зависят от константы /0, поэтому она может быть принята равной нулю. В этом случае уравнения наблюдателя возмущений (3.16), (3.17) принимают вид:
Непрямое адаптивное управление широко распространено в системах управления подвижными объектами в силу того, что структура и параметры регулятора не зависят от структуры и параметров наблюдателя. Это позволяет использовать известные законы управления и адаптировать их за счет контура оценивания, который может строиться на произвольном базисе. При этом данная структура удобна в том случае, когда необходимо модернизировать или адаптировать существующую систему управления. В случае достаточно высокого быстродействия алгоритма оценивания качество адаптивной системы, как минимум, не уступает неадаптивной системе. Однако во время переходных процессов в наблюдателе качество замкнутой системы может ухудшаться вплоть до потери асимптотической устойчивости.
Непрямое адаптивное управление имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что, в общем случае, в нелинейных системах не выполняется теорема разделения, что требует включать наблюдатель возмущений в контур управления. Этот недостаток может быть устранен путем повышения быстродействия алгоритмов оценивания в области больших отклонений.
Однако повышение быстродействия наблюдателя (3.20), (3.21) за счет увеличения матрицы коэффициентов усиления L приводит к увеличению влияния случайных шумов, действующих в каналах измерения. В этой связи ставится задача повышения быстродействия наблюдателя (3.20), (3.21) в области больших отклонений без увеличения этих коэффициентов в установившемся режиме. Данная задача может быть решена за счет нелинейного изменения коэффициентов усиления наблюдателя, который может быть записан в виде
Аналогичный подход использован в работе [72] для повышения быстродействия наблюдателя производных. Однако метод оценивания производных, представленный в [72] опирается на информацию об ошибке по величине, от которой вычисляются производные по времени. В данном случае нет возможности прямо вычислить ошибку (3.3), так как в нее входит вектор не измеряемых возмущений Fest. В этой связи в данном разделе разрабатывается метод, основанный на изменении матрицы коэффициентов усиления („) в зависимости от результатов косвенных измерений. Наряду с уравнениями АНПА (3.2) введем его модель вида: Хт = М"1 (FU +Fd+ Fest \. (3.24) Уравнения (3.24) решаются в управляющем компьютере. Вычтем из первого уравнения (3.2) уравнение (3.24), в результате чего приедем к выражению: МІІ -Іт) = Fest - Pest = ёп. (3.25) Таким образом, ошибку оценивания возмущений наблюдателем (3.22), (3.23) можно вычислить, измеряя ускорения АНПА и его модели (3.24). Для оценивания ускорений применим алгоритм асимптотического оценивания, использованный в [72, 76]. В матричном виде уравнения оценивания величин х и хт имеют вид:
Разработка структурной схемы системы управления
При экспериментальном исследовании разработанного авторулевого, мини-корабль должен был на первом этапе приблизиться в зону стыковочной станции по алгоритмам (2.45), а на втором этапе, осуществить стыковку по алгоритму (2.49). Для выхода в зону стыковочной станции, мини-корабль должен был выйти на заданный курс (ср =1.3 рад) и заданную скорость движения (V = 1.6 м/с). График изменения курса и скорости мини-корабля при его выходе на заданную скорость с заданной ориентацией показаны на рисунках 4.29 и 4.30.
На втором этапе, мини-корабль должен переместиться из точки (x = 5;z =0) в точку (x = -4;z = -10). Результаты эксперимента приведены на рисунках 4.31 - 4.35.
В главе разработана математическая модель надводного мини-корабля, произведена ее идентификация и анализ. Синтезирована система управления, построенная на принципах управления динамическими объектами, предложенными в главе 2, а также на введении в структуру системы автопилотирования блоков оценивания как параметрических, так и структурных возмущений, разработанных в главе 3.
Реализована система авторулевого мини-корабля. Полученные результаты моделирования и экспериментального исследования подтверждают эффективность и корректность предлагаемых алгоритмов. Основной научный результат диссертации заключается в решении актуальной научной задачи, имеющей важное практическое значение: -разработка методов управления АНПА, обеспечивающих автоматическую стыковку с подводным доком при неопределенных внешних условиях, а также их исследование методами математического и компьютерного моделирования.
При проведении исследований и разработок по теме настоящей работы получены следующие результаты, обладающие научной новизной: метод управления АНПА при стыковке с подводной станцией базирования, отличающийся двухэтапной процедурой стыковки со стабилизацией путевой скорости АНПА при учете компоновки исполнительных механизмов и возмущений, что позволяет производить стыковку с подводной станцией базирования в автоматическом режиме; метод оценки области устойчивости АНПА при позиционировании, отличающийся учетом ограничений на управляющие воздействия и позволяющий сформировать критерий переключения с траекторного на позиционное управление; метод робастного оценивания аддитивных возмущений, отличающийся нелинейным изменением коэффициентов усиления в зависимости от оценки текущей погрешности оценивания, позволяющий понизить интегральную оценку качества до 40 % в установившемся режиме, до 12 % в целом и устранить погрешности оценивания, связанные с неточностью аппроксимации модели возмущений; - метод прямого адаптивного управления АНПА, отличающийся использованием нелинейного ПИ-регулятора, обеспечивающего асимптотическую устойчивость замкнутой системы.
При разработке системы управления необходимо выделить ее основные блоки. Для объединения блоков в цепочку разрабатывается структурная схема.
В структурной схеме системы управления надводным мини-кораблем, представленной на рисунке 4.19, миссия – это набор траекторий движения корабля и координат точек позиционирования. Автопилот формирует управляющие воздействия на основе координат точки позиционирования, которые определяют точку стыковки. Блок оценивания осуществляет оценивание внешних не измеряемых сил и моментов. Блок обработки навигационных данных комплексирует навигационные данные от БИНС и спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС.
Микроконтроллерный блок управления исполнительными механизмами (МКБУ ИМ) преобразует управляющие воздействия автопилота в сигналы управления исполнительными механизмами. Исполнительные механизмы представляют собой два привода гребных винтов и сервопривод управления рулем поворота.
Структура аппаратного обеспечения системы управления и навигации автономного мини-корабля показана на рисунке 4.20. Наземный пункт управления показан на рисунке 4.21. При разработке использована парадигма разделения вычислительной части на высокоуровневую (компьютер) и низкоуровневую (микроконтроллерный блок). Микроконтроллерный блок получает данные от компьютера или пульта дистанционного управления и генерирует ШИМ-сигнал для управления двигателями и сервоприводами. Компьютер вычисляет требуемые управляющие воздействий в соответствии с алгоритмом управления, выполняет программное обеспечение навигационной системы, и обменивается данными с наземным пунктом управления.
При разработке архитектуры ПО большое внимание уделялось модульности системы и минимизации связей между модулями. Это позволило вести независимую разработку и отладку модулей, унифицировать обмен данными в системе, повысить ее предсказуемость и отказоустойчивость.
Модуль регулятора и наблюдателя внешних возмущений читает навигационные данные, данные для обхода препятствий (система обхода препятствий является темой отдельной статьи), заданный режим работы, данные миссии и рассчитывает управляющие воздействия, публикуя их затем в соответствующий именованный канал (топик); модуль «/companav» интерфейса интегрированной навигационной системы. Модуль интерфейса интегрированной навигационной системы осуществляет чтение и декодирование пакетов навигационной системы, преобразует координаты в локальную систему и публикует полученные данные в соответствующий именованный канал (топик); модуль «/actuators» интерфейса блока управления исполнительными механизмами. Модуль интерфейса блока управления исполнительными механизмами осуществляет чтение управляющих воздействий, рассчитанных модулем регулятора, либо полученных модулем обмена с пунктом управления, формирует пакет и отправляет его по последовательному порту в блок управления исполнительными механизмами; модуль «/qdatalink» обмена данными с пунктом управления. Модуль обмена данными с пунктом управления осуществляет обмен данными с программным обеспечением пунктом управления - передает на пункт управления телеметрическую информацию, загружает на борт миссию и получает команды дистанционного управления; модуль «/qobstacleavoidanceclient» обмена данными с системой обхода препятствий. Модуль обмена данными с системой обхода препятствий передает навигационные данные и данные о миссии и получает данные для обхода препятствия; система обхода препятствий является темой отдельной статьи.