Содержание к диссертации
Стр.
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ВЫБОР ТРАЕКТОРИИ СУДНА ПО КРИТЕРИЮ
БЕЗОПАСНОСТИ 17
Постановка задачи противорезонансного управления 17
Противорезонансное управление СВП 20
Математическое моделирование противорезонансного
управления СВП 32
1.4. Универсальный алгоритм противорезонансного
маневрирования 36
Выводы по I главе 42
2. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СВП НА
ЗАДАННОМ МАРШРУТЕ 44
2.1. Постановка задачи синтеза системы управления
движением 44
Синтез системы стабилизации на линии заданного галса... 51
Синтез линейно-квадратичного регулятора. Корневые
годографы оптимальной системы 53
2.4. Синтез регулятора, обеспечивающего заданные
динамические свойства 58
2.5. Стабилизация судна на дуге окружности заданного
радиуса 70
Выводы по II главе 73
3. ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ СВП 76
3.1. Моделирование нелинейных режимов управляемого
движения СВП 76
3.2. Исследование режима стабилизации на прямолинейном
галсе 79
Исследование движения СВП при изменении курса 86
Исследование движения СВП при циркуляции 98
Выводы по III главе 107
4. ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СВП. 108
Синтез цифровой системы управления 108
Формирование вектора состояния объекта 120
Идентификатор состояния системы стабилизации 126
Выводы по IV главе 139
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
ЛИТЕРАТУРА 145
Приложение 1. Характеристики корабля на воздушной подушке
«Джейран» 155
Приложение 2. Программа построения корневых годографов
оптимальной системы 156
Приложение 3. Программа моделирования синтеза системы управления СВП на траектории по заданным собственным
частотам 158
Приложение 4. Программа моделирования нелинейных режимов
движения 161
Приложение 5. Программа моделирования цифровой системы
управления 165
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АР ВИШ ВСУ
ВУ ГДРУ
ГО ГСУ
инс ио
КВП (СВП)
кдпп
КПК, СПК
кэ мпо
НВК (НВС) РУ
СР ССБО
СУ СУД
ЭКНИС
аналогово-цифровой преобразователь,
аэроруль,
винт изменяемого шага,
вспомогательное средство управления,
вычислительное устройство,
главное движительно-рулевое устройство,
гибкое ограждение,
главное средство управления
интегрированная навигационная система,
исполнительный орган,
корабль (судно) на воздушной подушке,
корабль с динамическим принципом поддержания,
корабль (судно) на подводных крыльях,
корабль-экраноплан,
морской подвижной объект,
неповоротный главный движитель,
надводный водоизмещающий корабль (судно),
рулевые устройства,
средства отображения информации,
струйный руль,
система стабилизации боковых отклонений
система управления,
система управления движением,
управляемый объект,
цифро-аналоговый преобразователь,
электронная картографическая навигационно-информационная система.
Кинематические параметры движения МПО
xg - продольное перемещение,
у - вертикальное перемещение,
zg - боковое перемещение,
V0 - скорость хода МПО,
V - скорость продольного перемещения,
V - скорость вертикального перемещения,
Vz - скорость бокового перемещения,
Р - угол дрейфа,
в - угол крена,
ср - угол рыскания,
у/ - угол дифферента,
со х - угловая скорость вращения относительно продольной оси,
со - угловая скорость вращения относительно вертикальной оси,
coz - угловая скорость вращения относительно поперечной оси.
У - угол волнового склона
Характеристики математических моделей МПО
А, В, С, D - матрицы коэффициентов, которые в общем случае могут
зависеть от переменных состояния,
х - вектор переменных состояния,
8 - вектор управляющих воздействий,
w - вектор ветро-волновых возмущений,
Q - нормирующая частота.
Введение к работе
Высокая интенсивность судоходства и увеличение скорости движения и размеров кораблей и судов в значительной степени усложнили судовождение и привели к заметному увеличению аварийности. По данным Ассоциации ливерпульских страховщиков [113], за десятилетие (1991-2001 гг.) погибло 1628 судов (учтены суда валовой вместимостью 500 per. т и более) общей валовой вместимостью свыше 8 млн. per. т.
Несмотря на усилия по обеспечению безопасности мореплавания, предпринимаемые в разных странах, добиться существенного снижения риска не удается. Аварии и катастрофы на море сопровождаются гибелью людей, большими материальными затратами, трудно предсказуемыми последствиями изменения экологической обстановки.
Необходимо отметить, что строительство новых типов судов, внедрение на судах вычислительной техники, радионавигационных систем, электронавигационных приборов и других средств автоматизации позволили снизить величину риска, связанного с морским судоходством, но не избавили человечество от жертв и материальных потерь. Более того, ежегодная гибель кораблей и судов мирового морского флота имеет весьма устойчивую тенденцию и составляет за период с 1986 по 2001 год в среднем около 180 кораблей и судов из состава действующего мирового флота [112, 113].
Неудовлетворительное положение дел с аварийностью на судах настоятельно требует поиска новых подходов к обеспечению безопасности мореплавания. Различным аспектам таких подходов посвящены исследования отечественных специалистов, опубликованные в последние годы [2, 3, 9, 52]. Одним из таких подходов является разработка специальных бортовых систем обеспечения безопасности.
Обеспечение безопасности представляет собой комплекс мероприятий различного уровня, определяемых в первую очередь структурой опасностей или аварийных ситуаций. Анализ отечественного и зарубежного
7 опыта эксплуатации позволяет объединить причины всех аварийных ситуаций в четыре группы [91]:
навигационные:
гидрографические особенности, навигационное обеспечение и
загрузка трассы движения;
гидрометеорологические условия плавания;
загрязненность пути плавающими предметами и ледовая обстановка.
неисправности и повреждения корпуса и технических средств:
недостаточные запасы остойчивости и устойчивости корабля на
курсе;
низкая мореходность и управляемость;
выход из строя главных двигателей;
разрушение или потеря одного из движителей;
отказы навигационного комплекса;
отказы систем управления движением и техническими средствами.
ошибочные действия личного состава.
пожары и взрывы.
В данной работе исследуются вопросы навигационной безопасности. Навигационные аварии возникают, как правило, в результате действия совокупности обстоятельств (факторов), различных по своему характеру: технических, организационных, психофизиологических, метеорологических и других. Практика показывает, что большинство навигационных аварий невозможно предотвратить при помощи конструктивных мероприятий, поэтому основным направлением повышения навигационной безопасности является создание или улучшение систем и средств автоматического управления судами.
Актуальность данного направления подтверждается опытом эксплуатации как отечественных, так и зарубежных морских подвижных объектов различных типов, в результате которых были сформулированы
8 определенные требования к системам такого типа, закрепленные в дальнейшем рядом нормативных документов.
В настоящее время технико-эксплуатационные требования к системам автоматического управления судном по курсу и траектории (авторулевым) разрабатывают Международная морская организация (ИМО), Подкомитет по безопасности на море (ПКБМ), Международная электротехническая комиссия (МЭК), Технический комитет N 80 (ТК 80), а также Международная организация по стандартизации (ИСО), Технический комитет N 8 (ТК 8) [98].
Объектом исследования в работе являются скоростные суда. Значительную часть скоростного флота представляют суда с динамическими принципами поддержания: суда на воздушной подушке (СВП) амфибийного и скегового типа, суда на подводных крыльях (СПК), корабли-экранопланы. Кроме того, к скоростным относятся катера, глиссеры, катамараны, суда с механизированным днищем, а также крупные корабли преимущественно боевого назначения, скорость которых обеспечивается за счет мощности двигательной установки [111].
Таким образом, скоростные суда могут отличаться по типу, размерам, водоизмещению, степени воздействия тех или иных внешних возмущений на корпус. Однако практически для всех типов судов проблема стабилизации на траектории имеет особый статус. Быстротечность протекания аварийных процессов обусловливает повышенные требования к точности стабилизации кинематических параметров, что может быть достигнуто только при условии их высокоточного измерения. Отсутствие или ослабление контакта корпуса с водной поверхностью приводит к необходимости использования средств спутниковой навигации. Таким образом, возможность построения систем стабилизации на траектории скоростных судов обусловлена в первую очередь появлением и развитием интегрированных инерциально-спутниковых навигационных измерительных систем высокой точности.
Статистический анализ зарегистрированных аварий, приводящих к гибели корабля либо выходу его из действия, показывает, что общее количество аварий КДПП к 2000 году составляет 235, из них 155 произошло на СВП и 80 на СПК. Ввиду малой серийности кораблей-экранопланов в России и наличия их за рубежом только в виде самоходных моделей статистика аварий в мировой практике отсутствует [91].
Среди прочих типов скоростных судов наиболее подвержены авариям катамараны, причем их аварии нередко сопровождаются человеческими жертвами. В качестве примера можно привести аварию быстроходного норвежского катамарана «MS Sleipner» в ноябре 1999 года, которая привела к гибели 16 человек. Можно отметить, что характер движения катамаранов схож с движением скеговых СВП. Для глиссирующих судов (в том числе судов с интерцепторами) характерно значительное скольжение по водной поверхности, что свойственно амфибийным судам на воздушной подушке.
Согласно статистике, СВП в большей степени подвержены навигационным авариям. Случаи опрокидывания СВП составляют 27.8 % от общего числа аварий СВП, тогда как случаев опрокидывания СПК не зарегистрировано. Одной из причин опрокидывания СВП является затягивание гибкого ограждения под корпус при больших углах дрейфа. Учитывая, что возникновение больших углов дрейфа характерно для режимов маневрирования СВП, а также его неустойчивость на курсе, обусловленную ослабленным контактом корпуса с водной поверхностью, будем считать СВП основным объектом исследования в работе.
Вопросы, связанные со стабилизацией на траектории, можно условно разделить на две группы. Первая группа вопросов связана с выбором безопасной траектории, вторая - непосредственно с удержанием на сформированной траектории.
1. При формировании траектории можно выделить следующие задачи:
выбор траектории движения в условиях ограниченного района плавания;
выбор траектории движения при расхождении корабля с другими подвижными объектами;
выбор безопасного маршрута в условиях предельных внешних возмущений.
Возможность построения эффективных алгоритмов выбора траектории для первых двух задач, прежде всего, обусловлено развитием электронных картографических навигационно-информационных систем (ЭКНИС). Повышение безопасности плавания обеспечивается решением следующих задач ЭКНИС [15]:
автоматически индуцируется опасная для данного судна изобата (линия равных глубин), при достижении которой появляется звуковой сигнал;
автоматически определяются и индуцируются секторы опасных и безопасных курсов судна, с учетом глубин, береговой черты, запрещенных и ограниченных для плавания районов;
автоматически определяются и индуцируются секторы опасных и безопасных курсов судна, с учетом параметров движения других судов на акватории, вырабатываемых по данным судовой радиолокационной станции;
документируются параметры движения судна.
ЭКНИС интегрирует, обрабатывает и представляет судоводителю всю имеющуюся на борту судна информацию, достаточную для решения задачи выбора траектории в ограниченном районе плавания и расхождения судов. В первом случае применяется кусочно-линейная или эллиптическая аппроксимация навигационных препятствий, что позволяет построить граф видимости. Для графа решается оптимизационная задача методами динамического программирования [14, 68]. Алгоритмы, обеспечивающие выбор траектории при расхождении судов, учитывают Международные
правила предупреждения столкновений судов, и формируются на основе дифференциальной теории игр [47, 89]. В настоящее время алгоритмы успешно применяются на судах разного типа.
Задача формирования безопасной траектории в условиях предельных внешних возмущений носит несколько иной характер. Для ее решения необходимо учитывать характерные особенности различных типов МПО, степень влияния тех или иных внешних возмущений на динамику их движения, возможные аварийные ситуации. В частности, под действием морского волнения, которое в штормовых условиях имеет фактически регулярный характер, возможно появление больших амплитуд качки, опасных для судна. Поэтому необходимо осуществлять маневрирование таким образом, чтобы воздействие волнения на судно было минимальным. Рекомендации по маневрированию в штормовых условиях были разработаны в середине 50-х годов [77, 84], и, при современном уровне развития вычислительной техники, на их основе возможно построение эффективных алгоритмов формирования безопасного маршрута.
2. Удержание судна на траектории предполагает построение соответствующей системы управления движением (СУД). К настоящему времени в России накоплен значительный опыт создания СУД СВП. При этом наблюдается тенденция расширения объема функций, возлагаемых на автоматическую систему управления СВП, совершенствуется элементная база разработанных систем. Первые системы осуществляли функции дистанционного (следящего и дискретного) управления движением («Орион-СК», «Орион-КА»), затем была создана система автоматического управления движением электромеханического типа («Чайка»), и наконец, в последнее время принята в эксплуатацию система «Хризолит», осуществляющая функции автоматического и дистанционного управления, построенная на базе элементов микроэлектроники. Однако описанные СУД обеспечивают стабилизацию по курсу либо по путевому углу. Отсутствие
12 средств высокоточного измерения позиционных координат не позволяло проектировать систему стабилизации на заданной траектории [91, 92].
Задача построения СУД скоростного судна является типичной задачей исследовательского проектирования [62]. На рис. В.1 показано содержание этапов исследовательского проектирования динамических систем и их взаимосвязь. Организация проектирования по этой схеме позволяет найти общие подходы к решению задачи стабилизации скоростных судов разных типов.
1.1. Характеристики УО
2.1. Технические требования к системе
1.2. Нелинейная математическая модель УО
3.3. Полный анализ
синтезированной
системы
2.2. Общие критерии оценки системы
1.3. Линейная математическая модель УО
3.2. Предварительный
анализ
синтезированной
системы
2.3. Частные критерии
3.1. Синтез алгоритмов управления
Рис. В.1. Этапы исследовательского проектирования
Исходными предпосылками к исследовательскому проектированию служат характеристики и технические требования к системе. Первая группа исходных данных является базой для построения нелинейной математической модели, вторая служит для формулировки общих критериев оценки системы работы. В то же время эти группы взаимосвязаны, так как требования к системе необходимо формировать исходя из особенностей управляемого объекта (УО).
Дальнейшее развитие модели объекта связано с ее линеаризацией при условии, что для объекта характерны стационарные режимы малых отклонений относительно балансировочных режимов - опорных точек пространства состояний. Линеаризованная модель является исходной для синтеза алгоритмов управления. Предварительный анализ синтезированной системы имеет целью сопоставить полученные компоненты вектора состояния с уровнем, определяемым техническим заданием. По результатам этого сопоставления может быть организован первый инерционный цикл синтез - анализ - синтез с вариацией параметров линейной модели и уточнением требований. Заключительным этапом исследовательского проектирования является полный анализ системы на основе нелинейной модели. Сопоставление результатов этого анализа с общими критериями оценки системы может привести к необходимости изменения характеристик УО или внести коррективы к техническим требованиям к системе. На этом этапе осуществляется анализ нормальных эксплуатационных и аварийных режимов.
Итак, организация этапов проектирования системы управления движением судна на траектории осуществляется исходя из вышеописанной схемы (рис. В.1). В данной работе ставится задача построения СУД СВП, совмещенной с малогабаритной интегрированной навигационной системой «Мининавигация-1», разработанной в ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор» [6]. С учетом требований к системам управления на траектории необходимо обеспечивать стабилизацию как на прямолинейном участке траектории, так и при развороте с заданным радиусом циркуляции. Поскольку режим стабилизации на линейном участке характеризуется малыми отклонениями кинематических параметров, для него справедлива постановка задачи линейного синтеза. Линейную модель для синтеза предполагается формировать на основе унифицированной модели МПО [66]. Далее рассматривается возможность применения линейного регулятора для обеспечения стабилизации на дуге окружности заданного радиуса.
Помимо выбора структуры и параметров системы управления возникает задача разработки алгоритмов, обеспечивающих маневрирование СВП с ограничением угла дрейфа, а также определения условий, при которых СВП может оказаться в аварийной ситуации. Согласно схеме исследовательского проектирования, на этой стадии необходимо осуществлять исследование поведения СВП на нелинейной модели с учетом синтезированного регулятора. Кроме того, на основе результатов исследования требуется выработать рекомендации по выбору радиуса циркуляции, при котором обеспечивается безопасный разворот.
В данной работе также рассматриваются возможности построения цифровой системы управления движением на траектории. Актуальность данной проблемы обусловлена использованием интегрированной навигационной системы, которая предоставляет информацию о параметрах движения в дискретной форме. Таким образом, необходимо осуществлять сопряжение системы управления и ИНС. Одним из подходов, нашедшим отражение на практике, является построение комбинированной системы [60, 62]. При этом сочетается аналоговое исполнение стандартного авторулевого с цифровым каналом организации обратной связи по величине отклонения от траектории. В настоящее время существует возможность построения цифровых систем управления движением. Другая задача, обусловленная дискретностью информации об измеряемых параметрах, состоит в разработке цифрового идентификатора состояния для обеспечения фильтрации помех измерения.
Целью настоящей диссертационной работы является повышение безопасности движения скоростных судов за счет устойчивого движения на заданном маршруте.
Поставленная цель диссертационной работы потребовала решения следующих задач, выносимых на защиту:
1. Формирование траектории движения судна по критерию безопасности в условиях критических внешних возмущений.
Синтез системы управления движением СВП на произвольном участке траектории.
Формирование алгоритмов управления СВП в режимах движения с большими углами дрейфа на основе исследования нелинейной модели движения.
Разработка цифровой системы управления, совмещенной с интегрированной навигационной системой. В данной диссертационной работе в качестве такой системы рассматривается интегрированная инерциально-спутниковая система «Мининавигация-1».
Содержание и структура диссертации определяется вопросами, поставленными при решении задачи создания и исследования алгоритмов и программ управления движением скоростными судами в аварийных ситуациях.
В первой главе исследуется степень влияния качки в условиях интенсивных внешних возмущений на различные типы МПО. Обосновывается возможность построения алгоритма противорезонансного управления. Разрабатывается математическая модель качки на волнении для СВП и других типов МПО. В итоге предлагается универсальный алгоритм противорезонансного маневрирования, позволяющий перенести шторм в сравнительно благоприятных условиях. Приводятся схемы маневрирования в опасных режимах движения.
Вторая глава посвящена вопросам линейного синтеза системы управления. Формируются требования к системе, осуществляется уточнение и расширение исходной математической модели. Рассматриваются возможности применения для поставленной задачи оптимального регулятора и управления, обеспечивающего заданное расположение собственных частот. Исследуются вопросы организации адаптивной системы по отношению к изменениям параметров математической модели и внешних возмущений. Обосновывается возможность применения линейной задачи для
стабилизации на дуге окружности заданного радиуса, и предлагается единая структура управления, обеспечивающая все режимы движения.
В третьей главе осуществляется исследование нелинейной модели движения управляемого СВП. Рассматриваются типы нелинейностей и их влияние на поведение системы в разных режимах движения: стабилизации на постоянном галсе, режиме перехода на новый курс и циркуляцию. Определяются условия, при которых управление может привести к аварийной ситуации или потере траектории. Для режима изменения курса предлагаются алгоритмы коррекции курса и отклонения от траектории с ограничением дрейфа. Разрабатываются рекомендации по выбору радиуса циркуляции при заданных внешних возмущениях.
В четвертой главе рассматриваются вопросы построения цифровой системы управления, информация в которую поступает по цифровому каналу от ИНС «Мининавигация-1». Обосновывается возможность построения цифровой системы управления, которая сохраняет динамические свойства непрерывной системы, для чего требуется осуществлять выбор шага квантования. На основании этих исследований формируется задача синтеза цифрового регулятора. Разрабатывается алгоритм преобразования географических координат в отклонения в полусвязанной системе. Рассматриваются возможности оценивания и фильтрации переменных состояния в сложных системах управления.
