Содержание к диссертации
Введение
1. Иерархическая система управления движенем скоростных судов
1.1. Обоснование структуры иерархической системы управления движением скоростных судов 11
1.2. Математические модели движения скоростных судов 19
1.3. Унифицированная математическая модель скоростных судов 31
Выводы по I главе 33
2. Синтез локальной системы управления движе нием скоростных судов 34
2.1. Математическая формулировка задачи синтеза 34
2.2. Непрямая квадратичная задача 38
2.3. Синтез системы стабилизации вертикального движения СПК с глубокопогруженными крыльями 41
2.4. Синтез системы стабилизации СВП на заданной траектории 47
2.5. Сравнительная характеристика различных алгоритмов синтеза по заданным собственным частотам 58
Выводы по II главе 75
3. Противоаварийное управление скоростными судами 76
3.1. Сравнительный анализ алгоритмов аварийного управления движением скоростных судов 76
3.2. Алгоритм управления движением скоростных судов в аварийных ситуациях с использованием нейронных сетей 79
3.3. Взаимодействие противоаварийной системы с локальными системами 92
Выводы по III главе Ill
Заключение 112
Приложение 114
Список литературы 121
- Обоснование структуры иерархической системы управления движением скоростных судов
- Унифицированная математическая модель скоростных судов
- Синтез системы стабилизации вертикального движения СПК с глубокопогруженными крыльями
- Сравнительный анализ алгоритмов аварийного управления движением скоростных судов
Введение к работе
Развитие мирового судостроения и судоходства непрерывно связанно с обеспечением безопасности плавания. Несмотря на усовершенствование технологий судостроения, внедрение на судах вычислительной техники, современных навигационных приборов и систем, а также других средств автоматизации, суда и корабли погибали и продолжают погибать. Более того, настораживает и тот факт, что 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 фло-та[80,81].
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 [1,2,3,6,21,60,72]. Одним из таких подходов является разработка специальных бортовых систем обеспечения безопасности[60].
Обеспечение безопасности представляет собой комплекс мероприятий различного уровня, определяемых в первую очередь структурой опасностей или аварийных ситуаций.
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 судам и относятся катера, глиссеры, катамараны, суда с механизированным днищем, а также крупные корабли преимущественно боевого назначения, скорость которых обеспечивается за счет мощности двигательной установки.
Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации позволяет объединить причины всех аварийных ситуаций в четыре группы[30,55]:
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:
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.
Скоростные судна по-разному подвергаются авариям. Статистика показывает, что 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. Навигационные аварии возникают, как правило, в результате действия совокупности обстоятельств (факторов), различных по своему характеру: технических, организационных, психофизиологических, метеорологических и других. Практика показьюает, 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.
Большинство аварий второй группы можно предотвратить путем повышения надежности конструкции и использованного оборудования. То же самое можно сказать об авариях четвертой группы. Кроме того, анализ имеющихся статистических данных [55] показывает, что неисправности технических средств не приводили к гибели судов, а выводили их из действия на различные
сроки в зависимости от масштабов повреждений. Что касается первых двух видов можно определенно сказать, что создание и улучшение систем и средств автоматического управления судами играет не последнюю роль в обеспечении их безопасности. Применение новых способов управления позволяет предотвратить попадание судов в затруднительные ситуации, когда под действием внешних воздействий происходит разрушение конструктивных элементов корпуса или опрокидывание (положение лагом к волне, движение СВП с большим углом дрейфа, приводящее к зарыванию с последующим опрокидыванием).
К основным причинам неправильных действий личного состава относятся [30,55]:
недостаточная подготовленность личного состава к правильной эксплуатации судов и технических средств, в частности, незнание их динамических особенностей, характера взаимодействия с окружающей средой и предельных возможностей их использования.
недостаточно достоверный контроль состояния технических средств, а также нерегулярный характер их проведения.
утомленность личного состава особенно при движении в штормовых условиях.
быстротечность процессов, ограниченные возможности человека в восприятии поступающей информации и вырабатывании ответных действий.
стрессовые ситуации.
Анализируя данные причины можно отметить что, для предотвращения аварии данной группы наряду с повышением подготовленности личного состава, улучшением условия эксплуатации необходимо привести человеческого фактора к минимуму. Естественным путём выхода из сложившихся ситуаций является создание противоаварийной системы с применением вычислительной техники, способствующей вырабатывать сигналы управления практически мгновенно.
Многим из скоростных судов характерна структурная неустойчивость
(имеются собственные числа системной матрицы объекта с положительным знаком, к ним относятся СПК с глубокопогруженными крыльями) или слабодемпферная колебательность СВП, функционирование таких судов невозможно без локальной системы автоматической стабилизации даже в нормальных эксплуатационных условиях. Естественно, безопасность движения судов возможна лишь при координированной работе системы стабилизации и противо-аварийной системы.
Таким образом, задача установки локальной и проттоаварийной систем, а также координации их совместной работы является актуальной.
Рассмотрение существующих систем управления СВП и СПК[55] позволяет делать следующие выводы:
на большинстве из них применяется одноуровневая структура, при которой практически все функции управления движением выполняются одним человеком - оператором. Такая структура, повышая оперативность в принятии и отработке решений по управлению движением, повышает психофизиологическую нагрузку и утомляемости оператора - водителя, что влияет на безошибочность управления и, следовательно, на безопасность движения судов.
исследованы алгоритмы управления в аварийных ситуациях, однако, в качестве одних из признаков аварийных ситуаций рассматриваются предельные значения параметров движения. В тоже время, известно, что авария может и происходить при сочетании параметров, каждый из которых не превышает своего предельного значения.
Целью настоящей диссертационной работы является формирование структуры и алгоритмов двухуровневой системы управления скоростными судами, обеспечивающей повышение безопасности и устойчивости движения
Разработка поставленной задачи в диссертационной работе потребовала решения основных вопросов:
1. Разработка структуры иерархической системы управления движением скоростных судов.
2. Синтез локальных систем управления движением СПК и СВП.
3. Разработка структуры противоаварийной системы с использованием
многослойных нейронных сетей.
Это определило содержание и структуру диссертации.
В первой главе обосновывается общая структура иерархической системы управления. Рассматриваются математические модели и режимы движения скоростных судов. В результате предлагается двухуровневая структура системы управления движением, состоящей из локальных систем на исполнительном уровне и противоаварийной системы на стратегическом уровне.
Вторая глава посвящена алгоритмам линейного синтеза локальных систем. Предлагается алгоритм непрямой квадратичной задачи. Проверка предлагаемого алгоритма на примерах синтеза систем стабилизации СПК в вертикальной плоскости и СВП на заданной траектории подтверждает его эффективность.
В третьей главе осуществляется исследовательское проектирование противоаварийной системы. Обосновывается применение многослойных нейронных сетей в задаче определения области устойчивости движения. В итоге предлагается структура противоаварийной системы с использованием МНС. Данная глава завершается примером противоаварийного управления для СПК.
Обоснование структуры иерархической системы управления движением скоростных судов
Основным направлением повышения безопасности на море является построение интегрированных систем управления судами[4,10]. Подобная организация управления предполагает комплексное решение разнородных задач, что приводит к усложнению функций человека-оператора. Однако, процесс принятия решений можно автоматизировать за счет создания иерархических систем управления (ИСУ) на основе нейросетевых технологий.
Под ИСУ понимается такая система оценки ситуаций и принятия управленческих решений, которая при использовании знаний на базе качественных понятий и структурных отношений между ними обеспечивает процесс управления движением объекта и, в необходимых случаях, за счет обратных связей, осуществляет неоднократный выбор граничных условий и критериальной базы, определяющих текущую цель управления а также реконфигурацию способа управления и программу действий, исходя из заданной высшей цели функционирования системы.
В данной работе рассматривается ИСУ движением скоростного судна. Конструктивные особенности скоростных судов таковы, что даже в основных эксплуатационных режимах существует угроза возникновения аварии. Внештатные ситуации требуют координированного управления различными техническими средствами, что может быть обеспечено только за счет систем автоматического управления. Кроме того, в зависимости от режима движения изменяются локальные цели управления, что приводит к изменению состава управляющих органов. Последовательную цепочку действий, отражающих процесс принятия решений, можно сформулировать следующим образом: изменение внешней среды либо состояния объекта - появление новых ограничений - кор рекция критериальной базы или граничных условий - реконфигурация способа управления объекта. Исходя из этих требований, предлагается функциональная структура ИСУ, представленная на рис. 1.1.
В ИСУ условно можно выделить два уровня. Верхний уровень является стратегическим, так как на нем решаются задачи формирования цели либо критерия качества управления. Нижний уровень - исполнительный, реализующий поставленную цель.
По сути, ИСУ представляет собой надстройку к традиционной схеме управления. На основе информации о состоянии объекта и уровне внешних возмущений, выбирается цель управления, формируемая в виде критерия и терминальных условий. Критерием может являться минимизация тех или иных параметров движения, граничные условия могут включать в себя как ограничения средств управления, так и нахождение в допустимом диапазоне кинематических параметров движения объекта.
После выбора стратегии управления необходимо произвести реконфигурацию регулятора. В процессе перестройки регулятора может измениться количество каналов управления, состав управляющих органов. Осуществить реконфигурацию регулятора можно за счет базы знаний, в которой также должна храниться информация о математических моделях объекта при разных целях и способах регулирования.
Помимо реконфигурации регулятора необходимо произвести его расчет. Для этого требуется изменить математическую модель объекта согласно базе знаний, и произвести настройку коэффициентов регулятора. Для каждого регулятора должны быть разработаны управляющие алгоритмы. Иногда совокупность блоков между стратегическим уровнем и регулятором выделяют в отдельный уровень, называемый тактическим, куда как раз и включается перестройка математической модели, структуры регулятора и его настройка.
Совокупность блоков контроля состояния объекта и контроля уровня внешних возмущений образует информационный блок.
Для эффективного функционирования ИСУ важно обеспечить удобное предоставление полной требуемой информации о движении и состоянии объекта. В системе управления движением скоростного судна информационный блок должен выполнять следующие функции: высокоточное измерение кинематических параметров движения (обеспечивается миниатюрной интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системой типа Мининавигация-1 ); восстановление и фильтрация дополнительных параметров, необходимых для реализации управляющих алгоритмов (требуется разработка специфических фильтрующих наблюдателей); предоставление информации о характере и уровне внешних воздействий, о районе плавания и т.д. (обеспечивается гидрографической системой, различными датчиками, а также требуется разработка алгоритмов, позволяющих рассчитать параметры внешних возмущений на основе косвенных измерений); предоставление информации о состоянии исполнительных органов, управляющих средств и т.д. (обеспечивается системой диагностирования).
Дополнительной функцией информационного блока является обеспечение взаимодействия ИСУ и человека оператора. Учитывая объемы и скорость изменения информации, для обеспечения связи «человек-машина» требуется разработка специфических средств визуализации движения скоростного судна.
Структура ИСУ (см рис. 1.1), вообще говоря, является обобщенной, в зависимости от типа судна и поставленной задачи может изменяться количество регуляторов или законов управления. Для более детального представления состава ИСУ необходимо разработать структуры и алгоритмы локальных подсистем управления.
Унифицированная математическая модель скоростных судов
Сопоставление уравнений движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях различных типов судов свидетельствует о их структурном подобии. Это обусловлено тем, что при их формировании используются общие уравнений динамики и кинематические соотношения движения твердого тела в пространстве.
Элементы общности имеют также векторы внешних сил и моментов, с учетом определяющего влияния гидроаэродинамических сил. Однако именно через эти векторы в уравнениях движения проявляются специфические особенности различных типов судов вследствие разных гидроаэродинамических характеристик, состава технических средств управления, особенностей компенсации веса и т.д.
Опыт моделирования и экспериментальных исследований показывает, что применительно к большинству режимов прямолинейного движения с постоянной скоростью хода допустим раздельный анализ бортовой качки и продольного поступательного движения. Но рыскание тесно связано с боковым сносом, образуя движение в горизонтальной плоскости, а килевая качка- с вертикальным перемещением, формируя движение в вертикальной плоскости. При этом движения в каждой из двух плоскостей описывают одинаковые по структуре матричные уравнения представляющие собой унифицированную математическую модель: «її» «21» «42 «43 hh hi hh h2" постоянные коэффициенты; а]2(х2), a22te) переменные коэффициенты; бІ5 52- управляющие воздейст вия (углы перекладки рулей, разворота закрылков крыла, изменение силы плавучести); M\(t), w2(r)- возмущающие момент и сила, которые создает на корпусе ветро волновой процесс.
Согласно принятым обозначениям первая и вторая строки в выражении (1.8) следуют из уравнений динамики, а третья и четвертая - из кинематических связей вращательного и поступательного движений. Зависимости первого диагонального блока 1,2-1,2 матрицы А обобщенной модели от переменной х2 отражают нелинейное изменение гидроаэродинамических коэффициентов от условий обтекания корпуса потоком внешней среды. Особый же интерес пред ставляет собой блок матрицы А обобщенной модели [35]. Он характе ризует наличие или отсутствие в математической модели исследуемого объекта зависимостей производной угловой скорости и производной угла дрейфа (атаки) от угла рыскания (дифферента) и перемещения (бокового или вертикального). Например, модели горизонтального движения для всех типов скоростных судов имеют нулевой внедиагональный блок матрицы А («із = «и = «23 = «24 - ) но в моделях вертикального движения СПК имеет место полное заполнение этого же блока. Таким образом, в неопределенности первого вне диагонального блока 1,2-3,4 матрицы А, в размерности вектора б и заполненности матрицы В заключена специфика вида движения и типа судов. Разнообразие моделей является также следствием различных видов нели-нейностей, образующих гидроаэродинамические характеристики объектов.
Выводы по главе 1.
1. Предлагается структура иерархической системы управления скоростных судов, на исполнительном уровне которой находятся ЛСУ, выполняющие частные задачи. На втором уровне находится система противоаварийного управления, задача которой заключает в координации работы ЛСУ, а также обеспечение управления в аварийных ситуациях.
2. Характерной особенностью данной системы является линейный характер ЛСУ исполнительного уровня и нелинейность системы 2-ого уровня, работающей в аварийных ситуациях, когда вектор состояния системы выходит за предел области устойчивости. Данная особенность требует применения различных подходов при построении данной системы.
3. При иерархической структуре достигается высокая надежность управления - за счет того, что при выходе из строя более высокого уровня работоспособность низших уровней сохраняется, вплоть до возможности непосредственно ручного управления.
4. Четкое разделение уровней по характеру выполняемых задач, а также локальность выполняемых задач ЛСУ облегчают выбор программных и технических средств. При этом используется весь их потенциальные возможности.
5. Модели движения скоростных судов в горизонтальной и вертикальной плоскости имеют общую структуру. Неопределенность первого вне диагонального блока 1,2-3,4 матрицы А, размерность вектора 5 и заполненность матрицы в определяют специфику вида движения и типа судов.
Синтез системы стабилизации вертикального движения СПК с глубокопогруженными крыльями
СПК с глубокопогруженными крыльями при движении на расчетных волнах почти не испытывает воздействия от морского волнения, т.к. крылья все время находятся под водой. Поэтому для синтеза системы стабилизации можно использовать унифицированную модель без учета возмущения. (2.6) где coz - угловая скорость килевой качки; у,а - углы дифферента и атаки соответственно, yg - ордината центра масс СПК; 5Ь82 - углы поворота закрылков носового и кормового крыла; ву,Ьу,- коэффициенты математической модели объекта, приведенные в таб.2.1
Это уравнение совместно с уравнением привода исполнительных органов 5, = щ образует математическую модель неизменяемой части. Однако, инерционность современных приводов существенно меньше инерционности объекта, кроме того, учет уравнения приводов приводит к повышению порядка системы и рождает нежелательные перекрестные связи между каналами управления, что противоречиво принципу многоканального управления - развязка каналов и затрудняет процесс настройки. Поэтому при синтезе целесообразно исключить влияние приводов и рассматривать только уравнение объекта.
Существование положительного полюса объекта говорит о том, что данный объект является собственным неустойчивым и требуется система управления.
Для синтеза регулятора системы (2.6) необходимо определить значения желаемых собственных частот. Один из принципов синергетики гласит, что эффективность управления напрямую зависит от того, насколько используются потенциальные возможности объекта.
Сопоставляя данный принцип с обозначенной выше целью управления, можно сделать вывод, что желательно как можно меньше изменять собственные частоты объекта. Это очевидно также из тех соображений, что резкое изменение динамики потребует значительных затрат мощности средств управления, которой в реальных условиях может не хватить. Применительно к модели СПК, максимальное использование возможностей объекта будет достигнуто то гда, когда будет обеспечена устойчивость по корню, который находится в правой полуплоскости. Таким образом, в рассматриваемой системе устойчивые полюса с большим модулем следует оставить без изменения, а неустойчивый -инвертировать по знаку, сохраняя значение собственной частоты. Таким образом, замкнутая система согласно выше сказанному принципу имеет следующие собственные частоты
Данные уравнения содержат нелинейность вида взаимного произведения весовых множителей XXj при переменных состояния, что при заданных значениях полюсов и весовых множителей при управляющих воздействиях и приводит к множественности решений.
Результат расчетов регулятора, значения полюсов разомкнутой системы, заданные коэффициенты \и1 ,Хи2 (весовые коэффициенты при управляющих воздействиях) рассчитанные коэффициенты Xxi, коэффициенты обратной связи, а также полученные полюса замкнутой системы приведены в таб. 2.4. Расчет весовых матриц и коэффициентов обратной связи был произведен в среде MATLAB, с использованием специальной библиотеки функций символьной алгебры (SYMBOLIC MATLAB TOOLBOX). В процессе расчета было выявлено, что система уравнений имеет 6 решений, причем встречаются даже комплексно-сопряженные весовые множители. Уравнение Риккати решается и при отрицательных значениях весовых коэффициентов Xxi. Таблица 2.4. Результат расчета для СПК
Сравнительный анализ алгоритмов аварийного управления движением скоростных судов
Существует ряд подходов к построению алгоритма управления движением скоростных судов в аварийных ситуациях. Основными из них являются разработка: алгоритма на основе оценки эталонной модели; алгоритма на основе оценки источников аварий; алгоритма на основе оценки ограничений в виде области устойчивости на вектор состояния.
Моделирование режима движения скоростных судов на эталонной модели в ускоренном масштабе времени позволяет заблаговременно выявлять аварийные ситуации и своевременно изменять режим движения объекта с целью устранения возможности аварий.
Построение эталонной модели можно осуществить с помощью широко распространенных средств вычислительной техники, на базе персонального компьютера. Использование ЭВМ связано с необходимостью получения высокой степени точности моделирования пространственного движения скоростных судов, что связано с использованием большого числа нелинейных зависимостей и с большим временем решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамику скоростных судов.
Применение алгоритма на основе оценки эталонной модели, реализованного на базе вычислительной машины, позволяет получить, с одной стороны, приемлемую точность решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамику скоростных судов, а с другой стороны, достаточное быстродействие. Однако использование данного принципа построения алгоритма аварийного управления движением скоростных судов су щественно требует непрерывного измерения мгновенных значений ветра и морского волнения с движущегося скоростного суда для точного моделирования на эталонной модели динамики исследуемого объекта, что практически реализовать очень трудно.
При построении алгоритма аварийного управления движением скоростных судов на основе оценки источников аварий необходимо учитывать, что данный способ построения связан с предварительным анализом аварийных ситуаций, возникающих при движении объекта, и их моделированием на ЭВМ, что позволяет выявить критические значения кинематических параметров движения исследуемого объекта, при которых происходит авария.
Однако при разработке алгоритма аварийного управления движением скоростных судов, построенного на данном принципе, возникают существенные трудности, связанные с тем, что современные технические средства оснащения различных скоростных судов весьма развиты, источники возникновения аварий многочисленны, и все возможные их последствия с трудом поддаются анализу.
Действительно, при анализе причинно - следственной обусловленности возникновения аварий нетрудно заметить все многообразие существующих источников возникновения аварийных ситуаций. Именно из-за существования столь обширной иерархии причин возникновения аварий, а также из-за сложности исследования всех возможных отказов в системах, приюдящих к аварийной ситуации, оказывается практически невозможным получение полной классификации аварийных ситуаций для конкретных скоростных судов.
Кроме того, авария скоростных судов может произойти в результате совместного действия каких-либо причин, каждая из которых в отдельности не приводит к аварии. При этом число сочетаний не единичных отказов технических средств рассматриваемого объекта, ошибок оператора, ветро - волновых воздействий настолько велико, что, с одной стороны, появляется вероятность пропуска каких-либо совокупностей причин, приводящих к аварии, а с другой стороны, требуются большие затраты машинного времени на моделирование всех аварийных ситуаций, возникающих при движении исследуемого объекта.
Помимо этого, исследования, проведенные в работе [30], показали, что авария, возникающая при одном ходовом режиме движения скоростных судов, может не произойти, если объект движется в другом ходовом режиме. Последнее обстоятельство приводит к необходимости проведения моделирования аварийных ситуаций исследуемого объекта при его движении для каждого из возможных установившихся режимов движения, что во много раз увеличивает неопределенность в диагностировании аварийной ситуации.
При построении алгоритма аварийного управления движением скоростных судов на основе оценки ограничений в виде области устойчивости на вектор состояния необходимо учитывать, что система управления движением скоростных судов в общем случае представляет собой многоуровневую иерархическую структуру. Каждый уровень иерархии характеризуется своим показателем качества, определяющим эффективность управления, а также своей целью управления, состоящей в приведении объекта в некоторое множество конечных состояний G, называемое целевым множеством.
Для данного способа построения алгоритма аварийного управления движением скоростных судов целевое множество будет представлять собой множество точек, принадлежащих области устойчивости исследуемого объекта G.
При использовании данного способа построения алгоритма управления движением скоростных судов в аварийных ситуациях возникает проблема, связанная с приведением вектора состояния объекта в область G и удержание его внутри этой области у точки равновесия Хув G.
Похожие диссертации на Структура и алгоритмы двухуровневой системы управления движением скоростных судов
