автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы адаптивного управления автономными необитаемыми подводными аппаратами при стыковке с подводными станциями базирования

На правах рукописи

ГУРЕНКО Борис Викторович

МЕТОДЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМИ НЕОБИТАЕМЫМИ ПОДВОДНЫМИ АППАРАТАМИ ПРИ СТЫКОВКЕ С ПОДВОДНЫМИ СТАНЦИЯМИ БАЗИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 ОКТ 2015

Таганрог - 2015

005564060

Работа выполнена в Инженерно-технологической академии Южного федерального университета в г. Таганроге, Институт радиотехнических систем и управления, кафедра электротехники и мехатроники

доктор технических наук, профессор

Пшихопов Вячеслав Хасанович

Филимонов Николай Борисович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (ИПУ РАН)»

Елсуков Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры автоматики и телемеханики ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный

политехнических университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН)»

Защита диссертации состоится «17» декабря 2015г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д.212.208.22 при Южном федеральном университете по адресу: по адресу г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: 344103, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 21Ж, а также на библиотечном портале ЮФУ http://hub.sfedu.ru/diss

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.208.22, доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

А.Н. Целых

Общая характеристика работы

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 A.C. Галиуллина и П.Д. Крутько, метод структурного синтеза координирующих систем управления Л.М. Бойчука, метод построения систем управления программным движением A.B. Тимофеева, метод согласованного управления И.В. Мирошника, синергетический метод синтеза A.A. Колесникова, метод потенциальных полей О. Хатиба, метод неклассических функционалов (функционала обобщенной работы) A.A. Красовского, включая самоорганизующиеся оптимальные регуляторы с экстраполяцией, методы адаптивного частотно-модального управления А.Г. Александрова, методы адаптивного управления A.JI. 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-

з

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 МАТЪАВ и подтверждена результатами экспериментов.

Наиболее существенные новые научные результаты, полученные автором и выдвигаемые для защиты:

- 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;

- 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

5

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», 20122013 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.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, выделены основные положения работы, имеющие новизну и практическую значимость.

В первой главе произведен обзор систем управления АНПА, существующих систем причаливания и стыковки АНПА с подводным доком. Дана оценка современного состояния и перспектив решения задачи стыковки АНПА с под-I водным доком или доком подводной лодки в автономном режиме.

Исходя из анализа существующих систем стыковки, с точки зрения процесса управления, в диссертации была предложена двухэтапная процедура стыковки АНПА с подводной станцией базирования:

1. Приведение или причаливание АНПА в зону стыковочной станции ' без требования к точному поддержанию ориентации и скорости;

2. Позиционирование или стыковка АНПА на станцию базирования с учетом требования к ориентации и скорости движения АНПА.

Таким образом, автором сформирован обобщенный алгоритм управления АНПА при стыковке с доком [12]. Пусть АНПА находится в произвольной точке Ац. Система управления должна привести АНПА к доку, имеющему координаты Аа. На первом этапе АНПА должен попасть в зону стыковочного модуля Д по пространственной траектории Ц без требований к углам ориентации. Следующим этапом, в точке Д, включается алгоритм позиционирования АНПА.

фессора В.Х. Пшихопова [1, 4]. В соответствии с данным методом, все множество требований к установившемуся режиму движения подвижных объектов в

пространстве К" базовых координат У и скоростей У, в общем случае может быть представлено в виде вектор-функции ¥ базовых координат и углов ориентации, а также их производных, вида:

Л

На этом этапе АНПА должен сблизиться с доком и занять необходимую ориентацию и выйти на определенную скорость непосредственно для стыковки. Схематично вся процедура двух-этапного метода стыковки показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Траектория движения АНПА при стыковки АНПА с подводным доком

В качестве базового метода управления АНПА был выбран метод позиционно-траекторного управления про-

О)

«р =

* /г

Г*(Р,0 Ф(Р,0,О

где N(^,0 - требования к траектории в виде линейных квадратичных форм внешних координат, Ф(Т,0,О - вектор, задающий требования к углам ориентации подвижного объекта. Скоростное многообразие имеет вид:

¥Л=1,У+5, + У=0, У = [о 0 ^-у*2) 0 0 оГ, (2) где V, V* - скорость ПО и ее желаемое значение, матрица А - блочная диагональная матрица коэффициентов, -функциональные матрица и вектор.

Данный метод выбран в качестве базового для конструирования системы управления АНПА на основании следующих выявленных преимуществ:

метод позволяет учесть многосвязность и нелинейность математической модели АНПА, что позволяет реализовать на его базе эффективные автопилоты, а также гарантируют свойство асимптотической устойчивости в целом планируемых траекторий;

разработанные в соответствии с данным методом алгоритмы управления не требуют наличия блока кинематических преобразований, аппроксимирующих устройств и интерполяторов в структуре системы управления, что позволяет исключить погрешности, связанные с приближенностью расчетов и, следовательно, повысить точность движения АНПА;

метод, в зависимости от поставленной задачи, позволяет в автономном режиме: организовать движение из произвольной точки пространства внешних координат в заданную; обеспечить движение подвижного объекта вдоль траекторий, описываемых квадратичными и линейными формами, с заданной траекторией скоростью; осуществить перемещение подвижного объекта вдоль заданной траектории в заданную точку без предъявления дополнительных требований к траекторией скорости.

Для реализации автономного управления АНПА при сближении и стыковке с доком необходимо решить следующие задачи:

- разработать многосвязную, нелинейную математическую модель АНПА с учетом особенностей движительно-рулевого комплекса;

- синтезировать СУ, которая позволит решать задачи причаливания и стыковки, обеспечит устойчивость системы, а также учтет особенности движи-тельно-рулевого комплекса АНПА, что особенно важно для точной стыковки АНПА с доком;

- построить наблюдатель внешних возмущений, который обеспечивает адаптивность проектируемой системы управления;

- разработать структурную и функциональную схему СУ АНПА и обобщенный алгоритм функционирования;

- реализовать систему управления на современной вычислительной технике.

Вторая глава посвящена разработке метода управления АНПА при стыковке с подводной станцией базирования.

Получена полная нелинейная многосвязная математическая модель АНПА с учетом особенностей движительно-рулевого комплекса [2,3,9], которая имеет следующий вид:

~АГ <Г о 4..

г =

где У

■I?

в' ] - вектор внешних переменных состояния, X = [V

(3)

(4)

(5) ®Т -

вектор внутренних координат, М- матрица массо-инерционных параметров, элементами которой являются масса, моменты инерции, присоединенные массы АНПА, А', Д,, - матрицы преобразования скоростей из локальной в глобальную систему координат; Тл - от-вектор нелинейных элементов динамики АНПА, Рг -/и-вектор измеряемых и неизмеряемых внешних воздействий, ¥„(3) - от-вектор управляющих сил и моментов; Сиу и ^иу(5,0) - диагональная матрица постоянных коэффициентов и вектор нелинейных функций правых частей уравнений исполнительных устройств, 6 - вектор управляющих воздействий АНПА, формируемый исполнительными устройствами; и - вектор управляющих сигналов (управлений), формируемых собственно системой управления АНПА.

АНПА оснащен движительно-рулевым комплексом (ДРК), показан на рисунке 2, и имеет маршевый двигатель с управляемым вектором тяги Рг, горизонтальное Р2 и вертикальное Р3 подруливающие устройства.

Преобразование для вычисления сил, необходимых для реализации полученных управлений на исполнительных механизмах имеет следующий вид:

Рисунок 2 - ДРК АНПА

~ ^их

Р — и _ АГ

Ря =

хЬг+хтс1

-Р _

1 II 7

ХтА

—Г-а1иу

Х/гг+^тй У

/V,,

хтс1+хНг и2 ХНг+Хтй

(6)

хтЛ+хрг хтс1 +хег """

где х„г, Хта, хтй, х„2 - координаты соответствующих исполнительных механизмов АНПА в связной системе координат, а Риу, Р^, Л/иу, Ии2 - элементы вектора Р„.

В соответствии с двухэтапной процедурой был предложен метод тра-екторного управления АНПА, приведения АНПА в зону стыковочной станции [12,14,15]:

Р. =-М

" А 0 1

А аЛ

_АХАТУ + А1АКю + Т2Ч>„ + Т*¥,г

-Ъ-Ъ.

(7)

где м' - матрица размером 5x5, сконструированная из матрицы м, с учетом специфики рассматриваемого ДРК (6),

Ч*С,=А4У + А}

4 =

ООО

О К о

Г1 о 01 ■[о » оП'

X V

-к„Н , Р = У ,0 = V

у Л 7.

"1 0 0' > _у ' X ' X

0 1 0 ,4 = V -У' У У

0 0 1 V -V'

\У'Уу'У,

>\т

вектор требуемой скорости движения АНПА, причем и/ = V,' = о ввиду специфики объекта (3-5), Ти Тз - диагональные матрицы постоянных коэффициентов. Желаемые уравнения замкнутой системы имеют следующий вид:

Ч'1г + Т1Ч'1г + Т2Ч'1г=0

(8)

Представленный подход отличается многосвязной структурой закона управления (7), (8) и учетом схемы ДРК на тактическом уровне управления.

При синтезе СУ стыковки АНПА со станцией базирования с учетом требования к ориентации и скорости движения АНПА, на основе математической модели (3-5) задается требование к изменению координат АНПА в следующем виде:

"Р-Т

' [€>-©'

Желаемое поведение замкнутой системы задается в виде:

Ф + Г4Ф = 0, Г Ат 0

(9) (10)

0 Д,

Подставив (9) в (10) с учетом математической модели АНПА (3-5), получаем алгоритм управления в виде [12,14,15]:

ри=-ш-Чях+(Т4 +т,)1гх+тАт!^р)-р<1-рг. (И)

В работе показано, что система (3-5) с управлением (11) устойчива. Для этого выражение (11) подставляется в уравнение математической модели (4):

Г Y = RX

[X = -R [RX + (T4+T5)RX + TJ54>p] Функция Ляпунова имеет вид:

И(х) = Фг0Ф , (13)

где Q диагональная положительно определенная матрица соответствующего размера.

Производная V(x) равна:

К(Х) = -2[ДГ + Г4ТР]7'С[ЛЛ: + Г4Ч'/,] (14)

Так как С положительно определенная матрица, то функция V(x) является отрицательно определенной во всех точках кроме RX + Т4Ч'р = 0.

В работе показано, что так как точка X = 0и у¥р=0 не является целым

решением системы (12), то поэтому с учетом дополнения Барбашина-Красовского система (12) является асимптотически устойчивой.

В реальной системе, управление значение управлений и ограниченно из-за конструктивных и энергетических ограничений исполнительных механизмов. Математически мы имеем следующее выражение для управления:

U ={ (15)

Очевидно, что при ограничениях управления, замкнутая система может стать неустойчивой. Такая ситуация особенно актуальна при решении позиционной задачи, когда объект может находиться достаточно далеко от точки позиционирования или обладать скоростью, которую не смогут погасить исполнительные механизмы на заданном промежутке. Для решения этой проблемы предлагается разработать критерий, выполнение которого будет означать устойчивость замкнутой системы при выполнении позиционной задачи при имеющихся ограничениях итах. Вывод этого критерия произведен на основании метода, разработанного профессором Гайдуком А.Р. С учетом того, что функция Ляпунова имеет вид (13), а ее производная V(x) (14) является отрицательно определенной, т.е. система является асимптотически устойчивой, то при ограниченной норме вектора начальных условий |Ф0| вектора Ф = А?+T*vp, где х в момент времени t„ является отклонением скорости, можно записать следующее неравенство:

Фактически Цч^Ц определяет отклонения координат АНПА от точки позиционирования и скорости движения АНПА от нулевого значения или скорости движения дока.

В работе получен ляпуновский критерий устойчивости по норме начальных условий [12]:

ви

||ф [< »1 II »У^О'^О/Ц (17)

где Ка, Ку, ра - функциональные вектор и коэффициенты, В - матрица преобразования полученных сил и моментов в управляющие сигналы на исполнительные механизмы по формулам (6).

Таким образом, при выполнении полученного неравенства (17) система, описанная математической моделью (3-5), с алгоритмами управления (И) и ограничениями (15), выполнит задачу позиционирования, оставаясь при этом устойчивой. Предложенное неравенство может служить также критерием переключения с алгоритма (7) на алгоритм (11). На рисунках 3 и 4, - коэффициент изменения начальных координат ИАР, а Ыу - коэффициент изменения начальных координат лгд V.

Систем?

....Система......

устойчива

Реальная _ граница устойчивости

еоретическа*

граница устойчивости

Ч '

л...

Ч^"1"\у""\.....

/Г

мс

| N13

Система "неустойчива

...Система.....

устойчива

«Л».««.....

- Реальная граница

.¿жтЦямю

/

2

Теоретическая

......граница....

устойчивости

МС

1.5

2.5

Рисунок 3 - Изменение устойчивости замкнутой системы при изменении координат АНПА

Рисунок 4 - Изменение устойчивости замкнутой системы при изменении скорости АНПА

Исследуем выполнение критерия (17) при позиционировании АНПА в точку. Для этого проведем два ряда экспериментов. В одном будем изучать влияние отклонения начальных координат АНПА на устойчивость системы, а во втором - отклонением начальной скорости АНПА. На рисунках 3 и 4 показано изменение |Ф„||(пунктирная линия) и правой части неравенства (17) (МС - мелкая пунктирная линия) при изменении начальных координат АНПА (рисунок 3) и скорости (рисунок 4). Через точку пересечения этих кривых проходит теоретическая граница устойчивости системы, при выполнении операции стыковки. Однако результаты компьютерного моделирования показали, что реальная граница проходит выше (сплошная линия), т.е. при большом отклонении начальных

12

условий (координат и скорости), система остается устойчивость. Из построенных зависимостей видно, что выполнения критерия (17) является достаточным для обеспечения устойчивости системы (3-5) при реализации алгоритмов (11) с ограничениями на управление итех.

Для реализации поставленной задачи стыковки АНПА с подводной станцией базирования предлагается структура системы управления, приведенная на рисунке 5. Предлагается использовать комплекс навигационных средств. Так для решения задачи приведения АНПА в зону станции базирования использована глобальная навигационная система, на основе ГАСН ДБ, КБ, УКБ и т.д., совместно с бортовой, а для позиционирования АНПА в доке, задействована бортовая и локальная навигационная система.

В работе проведено исследование методом компьютерного мо-

базирования

Рисунок 5 - Структура системы управления при выполнении стыковки АНПА с подводной станцией базирования

делирования алгоритма (7) приведение АНПА в зону стыковочной станции без требования к точному поддержанию ориентации и скорости, а так же алгоритма (11) стыковки АНПА со станцией базирования с учетом требования к ориентации и скорости движения АНПА.

-10--12-У -•<■ Точка старта

-/б.

-/а-

■20,

Зона

стыковочной станции

250245г йоги-

230 ■

Ж

0 рароооосрахаго

Точка стыковки

Зона стыковочной станции

X

185 190 1»5 200

Рисунок 6 - Траектория движения АНПА Рисунок 7 - Траектория движения в зону стыковочной станции АНПА при стыковке с доком

В качестве АНПА возьмем аппарат с ДРК, приведенный на рисунке 2, и следующими параметрами: масса АНПА т = 270.994; объем АНПА и = 0.26183; длина Ь = 3.7; температура среды Т=17.5.

Результаты компьютерного моделирования (рисунок 6 и 7) подтвердили работоспособность предложенного метода управления.

13

Третья глава посвящена разработке наблюдателя внешних возмущений.

На рисунке 8 представлена структура прямой адаптивной позиционно-траекторной системы управления АНПА с наблюдателем возмущений.

На рисунке 8 используются следующие обозначения: РЕГ - регулятор; ОУ - объект управления; НАБЛ - наблюдатель; $ - вектор задающих воздействий; и - вектор управляющих воздействий; у — вектор измеряемых координат морского подвижного объекта; х -вектор оценок, получаемых наблюдателем; / - вектор внешних возмущений, действующих на объект. Достоинством такой адап-

Рисунок 8 - Структура непрямой адаптивной системы позиционно-траекторного управления

тивной системы управления является независимость функционирования контура наблюдения от контура управления. Недостатком системы является требование по выполнению теоремы разделения. Область устойчивости замкнутой системы в некоторых случаях может зависеть от скорости оценивания возмущений в наблюдателе.

Для синтеза робастных наблюдателей внешних возмущений применяется метод, предложенный профессором Медведевым М.Ю. В модель (4) вводится возмущение ¥ш

- _ > и»)

где - возмущение; - функция, аппроксимирующая модель возмуще-

ния, действующего на объект. Введем вектор ошибок оценивания:

ё

п <?А/ Х Р.Х,

(19)

где - оценка возмущения.

Получены следующие уравнения наблюдателя внешних возмущений:

£ = + (20)

Ре^'г + ЬМХ + /а.

В работе показано, что свойства наблюдателя возмущений не зависят от константы /0, поэтому она может быть принята равной нулю. При этом доказано, что алгоритм оценивания (20) обладает свойством экспоненциальной асимптотической устойчивости [10,11,16,17].

Для повышения быстродействия и точности наблюдателя в области больших отклонений наряду с уравнениями АНПА (3-5) введем его модель вида:

XW=M'^FU+Fd+Fe„). (21)

Вычтем из первого уравнения (4) уравнение (21), в результате чего приедем к выражению:

M(x-Xm) = Fes,-Fesl=e„. (22)

Таким образом, ошибку оценивания возмущений наблюдателем (20) можно вычислить, измеряя ускорения АНПА и его модели (21).

Тогда матрица коэффициентов усиления наблюдателя возмущений (20) принимается в виде:

1(е„) = 4 + ^|м(х-1и)||, (23)

где L0 - матрица коэффициентов усиления наблюдателя в установившемся режиме; KL - матрица постоянных коэффициентов.

Результаты моделирования наблюдателя (20) при постоянных и переменных коэффициентах усиления представлены на рис. 9 и 10.

На рисунке 9 представлены: оцениваемое постоянное возмущение Fest; его оценка Festl, полученная при постоянных коэффициентах усиления L(e„)=L0 ; его оценка Fest2, полученная при нелинейном изменении коэффициентов усиления в соответствии с (23). Также на рисунке 9 представлена область установившегося режима. Из рисунка 9 видно, что в области переходного режима оценка возмущения, полученная при переменных коэффициентах усиления, обеспечивает более высокое быстродействие.

Fest

в г . .N V. «Ж"1 ч

в »- - Föft ■—

ч 2 1 —

<> - 1С

установившийся режм(й

.¿Я»»

"0 2 4 6 8 10

Рисунок 9- Оценки возмущения Рисунок 10 - Интегральная ошибка

оценивания

На рисунке 10 представлены интегральные ошибки оценивания при постоянных У/ и переменных коэффициентах усиления наблюдателя возмущений:

Видим, что в области переходного режима нелинейный алгоритм оценивания дает выигрыш по интегральной ошибке около 40 %. На всем интервале оценивания выигрыш по интегральной ошибке (24) составляет около 12 %.

Отметим, что в обоих случаях в установившемся режиме коэффициенты усиления одинаковые, поэтому с точки зрения соотношения «сигнал-шум» на выходе алгоритмы эквивалентны.

В силу того, что в области малых отклонений постоянные коэффициенты усиления обеспечивают большую скорость сходимости оценок, целесообразно использовать комбинированный алгоритм оценивания. При этом переход к постоянным коэффициентам усиления выполняется в соответствии с критерием:

т <ь"р'

Н

где 1гр - граничное значение коэффициента усиления.

В работе предлагается структура прямой адаптивной системы управления с динамическим регулятором, включенным в контур управления, представленная на рисунке 11. В отличие от известных адаптивных систем непрямого управления, структура, представленная на рисунке 11, позволяет включить алгоритм оценивания (наблюдатель) в прямой контур управления. Для этого наблюдатель вырабатывает оценку возмущения не по своей локальной ошибке, а по ошибке основного контура системы управления. Наблюдатель в данном случае генерирует добавочное управление Ли, направленное на компенсацию действующих в системе возмущений. В данном случае структура всей адаптивной системы определяется целью управления и формируется в процессе синтеза.

Для синтеза прямой адаптивной системы представим уравнения динамики

АНПА в виде:

л. —

I и^ ОУ У

Г ' Г Г

(25)

ьЯЯВ-

1,1 *ШШШт

Ли

Метод синтеза динамического регулятора для АНПА можно разделить на два основных этапа.

На первом этапе формируется структура функции ^(-У). Данная функция должна отражать цель управления в виде некоторой функции от ошибки замкнутой системы. Тогда ненулевая ошибка формирует сигнал, изменяющий дополнительную переменную 2, которая стабилизируется только при нулевой ошибке.

Рисунок 11 - Адаптивная система управления морским подвижным объектом прямого действия

На втором этапе производится синтез управления обеспечивающего асимптотическую устойчивость первого уравнения модели АНПА (25) и устойчивость по Ляпунову второго уравнения (25).

Используя описанную двухэтапную методику, синтезируем адаптивное управление. Рассмотрим задачу движения АНПА при постоянных скоростях. В этом случае ошибка замкнутой системы управления АНПА может быть сформирована в виде:

ё = Х°-Х, (26)

где X" - заданный вектор желаемых скоростей подвижного объекта.

Полученное управление имеет следующий вид [8]: ?ш = -?л -М(А + Т^Х" -X)-(1 + МТхА)2 =

= - М(А + Т1)(Х° - (1 + МТ,А)- Х)Л'

(27)

Таким образом, адаптивный закон управления (27) АНПА структурно представляет собой ПИ-регулятор с компенсирующей нелинейности объекта частью, что обеспечивает его адаптивные свойства. Для компьютерного исследования предлагаемых алгоритмов зададим постоянное движение АНПА по окружности, причем на одном из участков на АНПА действует постоянное течение. Результат воздействия течения показан на рисунках 12а и 13а как отклонение от текущей траектории и увеличению СКО по скорости. Результаты, приведенные на рисунках 12 и 13, показали работоспособность предложенных алгоритмов.

а) - без наблюдателя б) - с наблюдателем

Рисунок 12 - Траектория движения АНПА

I

—

\

\

10 20 30 40

а) - без наблюдателя

б) - с наблюдателем

Рисунок 13 - СКО по скорости движения Четвёртая глава посвящена разработке программно-аппаратного макета адаптивной системы управления АНПА, реализующей алгоритмы причаливания и стыковки с доком.

Для реализации и экспериментальной апробации предложенных алгоритмов разработан макет системы управления АНПА, испытания которого были проведены на базе надводного мини-корабля [7,18]. При экспериментальном исследовании системы управления АНПА, было сделано допущение о том, что движение АНПА происходит только в горизонтальной плоскости. Оборудование, которое использовалось для реализации катера, представленной на рисунке 14-17, а его характеристики приведены в таблице 1.

Оборудование Модель

Бортовой компьютер Intel Atom N270 (1.6 GHz, 512 kB L2 cache, FSB 533 MHz)

МКБУ ИМ AVR-CRUMB2560, ATmega2560

Доплеровский лаг RD instruments ExplorerDVL

БИНС, ОРБ/ГЛОНАСС Компанав 2

ГАНС УКБ Evo Logic S2C R 48/78 USBL Acoustic Modem

Внешний вид автономного мини-корабля приведен на рисунках 14-17.

В качестве операционной системы бортового компьютера используется Ubuntu Linux. Программное обеспечение построено на базе Robot Operating System, что позволяет реализовать слабую связанность компонентов и клиент-серверный шаблон их взаимодействия.

При экспериментальном исследовании разработанной системы управления, мини-корабль должен был на первом этапе приблизиться в зону стыковочной станции по алгоритмам (7), а на втором этапе, осуществить стыковку по алгоритму (11). Для выхода в зону стыковочной станции, мини-корабль должен был выйти на заданный курс (<р3 =1.3 рад) и заданную скорость движения ( V3 = 1.6

м/с). График изменения курса и скорости мини-корабля при его выходе на заданную скорость с заданной ориентацией показаны на рисунках 18 и 19.

Рисунок 14-Внешний вид автономного мини-корабля

Рисунок 18-Изменение скорости Рисунок 19 - Изменение курса мини-движения мини-корабля корабля

На втором этапе, мини-корабль должен переместиться из точки (х = 5;г =0) в точку (х = -4;г = -10). Результаты эксперимента приведены на рисунках 20 -24.

Рисунок 16 - Силы и направление тяги

Рисунок 15-Допплеровский лаг скорости, установленный на дне мини-

Рисунок 17 Движительный рулевой ком плекс мини-корабля

1 1

VI 1К

и

Рисунок 20 - Изменение управляющей сил Рт

Рисунок 21 - Изменение угла направления силы тяги а

Полученные результаты экспериментального исследования подтверждают работоспособность предложенных методов управления.

В заключении работы сформулированы основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты ра-

Рисунок 24 - Траектория движения мини- боты

корабля из точки (0,5) в точку (-4,-10) Основной научный резуль-

тат диссертации заключается в решении актуальной научной задачи, имеющей

Рисунок 22- Изменение угла ориента- Рисунок 23- Изменение скорости ции мини-корабля движения мини-корабля

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;

- критерий оценки области устойчивости АНПА при позиционировании, отличающийся учетом ограничений на управляющие воздействия и позволяющий 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.

Основные публикации по теме диссертации Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях.

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук:

1. Пшихопов В.Х., Сиротенко М.Ю., Гуренко Б.В. Структурная организация систем автоматического управления подводными аппаратами для априори неформализованных сред // Информационно-измерительные и управляющие системы. М.: Радиотехника. 2006.- №1-3- Т4 - С. 73-78.

2. Гуренко Б.В. Построение и исследование математической модели подводного аппарата // Специальный выпуск журнала «Вопросы оборонной техники. Серия 9», 2010 г. - С. 35-38.

3. Пшихопов В.Х., Суконки С.Я., Нагучев Д.Ш., Стракович В.В., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В. , Костюков В.А. Автономный подводный аппарат «СКАТ» для решения задач поиска и обнаружения заиленных объектов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». - Таганрог: ТТИ ЮФУ.-2010.-№3(116) - С.153-163.

4. Гуренко Б.В. Структурный синтез автопилотов для необитаемых подводных аппаратов // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, номер 12011 г.

5. Гуренко Б.В., Федоренко Р.В. Комплекс моделирования движений подвижных объектов на базе воздухоплавательных и подводных аппаратов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». - Таганрог: ТТИ ЮФУ.- 2011.-№3(116) - С.180-186

6. Гуренко Б.В. Структурная организация систем автоматического управления подводными глайдерами // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». - Таганрог: ТТИ ЮФУ.-2011. - №3(116) - С. 199-205

7. Гуренко Б.В. Реализация и экспериментальное исследование авторулевого автономного надводного мини-корабля «Нептун» [Электронный ресурс] // "Инженерный вестник Дона", 2013, №4.Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1920(доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

8. Пшихопов В.Х, Федотов А.А, Медведев М.Ю., Медведева Т.Н., Гуренко Б.В., Позиционно-траекторная система прямого адаптивного управления морскими подвижными объектами // Инженерный вестник дона #3, 2014, url:ivdon.m/ru/magazine/archive/n3v2014/2496 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

9. Гуренко Б.В. Построение и исследование математической модели автономного необитаемого подводного аппарата // Инженерный вестник дона #4, 2014, url:ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4v2014/2626 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

10. Пшихопов В.Х., Чернухин Ю.В., Федотов A.A., Гузик В.Ф., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В., Пьявченко А.О., Сапрыкин Р.В., Переверзев В.А., Приемко A.A. Разработка интеллектуальной системы управления автономного подводного аппарата // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: ТТИ ЮФУ - 2014. - № 3(152).-С. 87- 101.

11. Пшихопов В.Х., Гуренко Б.В., Медведев М.Ю., Маевский А.М., Голосов С.П. Оценивание аддитивных возмущений АНПА робастным наблюдателем с нелинейными обратными связями // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: ТТИ ЮФУ - 2014. - № 3(152). - С. 128 - 137.

12. Б.В. Гуренко Разработка алгоритмов сближения и стыковки автономного необитаемого подводного аппарата с подводной станцией базирования // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2015. - № 2. - С. 162 - 175.

13. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В. Алгоритмы адаптивных по-зиционно-траекторных систем управления подвижными объектами Проблемы управления, М.: - 2015 г., вып. 4, С. 66 -76 .

Публикации в зарубежных журналах

14. Pshikhopov, V.Kh., Medvedev, M.Yu., Gaiduk, A.R., Gurenko, B.V., Control system design for autonomous underwater vehicle, 2013, Proceedings - 2013 IEEE

22

Latin American Robotics Symposium, LARS 2013, pp. 77-82, doi:10.1109/LARS.2013.61.

15. V. Kh. Pshikhopov, M. Y. Medvedev, and В. V. Gurenko, "Homing and Docking Autopilot Design for Autonomous Underwater Vehicle", Applied Mechanics and Materials. Vols. 490-491, pp. 700-707, 2014, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.490-491.700.

16. Pshikhopov, V.K., Fedotov, A.A., Medvedev, M.Y., Medvedeva, T.N. & Gurenko, B.V. 2014, "Position-trajectory system of direct adaptive control marine autonomous vehicles", 2014 the 4th International Workshop on Computer Science and Engineering - Summer, WCSE 2014.

17. Pshikhopov, V., Chernukhin, Y., Fedotov, A., Guzik, V., Medvedev, M., Gurenko, В., Piavchenko, A., Saprikin, R., Pereversev, V. & Krukhmalev, V. 2014, "Development of intelligent control system for autonomous underwater vehicle", 2014 the 4th International Workshop on Computer Science and Engineering-Winter, WCSE 2014.

18. B. Gurenko, "Mathematical Model of Autonomous Underwater Vehicle," Proc. of the Second Intl. Conf. on Advances In Mechanical and Robotics Engineering - AMRE 2014, pp. 84-87, 2014, doi:10.15224/978-1-63248-031-6-156.

19. B. Gurenko, R. Fedorenko, A. Nazarkin, "Autonomous Surface Vehicle Control System," Applied Mechanics and Materials, Vols 704, pp. 277-282, 2015, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.704.277.

Патенты и авторские свидетельства:

20. Устройство управления подводным аппаратом: Патент на полезную модель №137258 / Пшихопов В.Х., Дорух И.Г., Гуренко Б.В. - Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 10 февраля 2014 г.

21. Программное обеспечение бортовой системы управления автономной робо-тотехнической системы на базе надводного мини-корабля: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013660412 / Пшихопов В.Х, Гуренко Б.В., Назаркин А.С. - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 5 ноября 2013 г.

22. Программно-моделирующий комплекс автономных морских подвижных объектов: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013660212 / Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В. - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 28 октября 2013 г.

Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве: в работе [1] составлен обзор и классификация современных АНПА, разработана структура системы управления, в работе [9,18] построена и исследована полная нелинейная математическая модель АНПА с учетом ДРК. В работе [4, 5] разработана структура СУ АНПА и реализован комплекс моделирования движения АНПА. В работе [5]. В работах [10,11,17] предложен нелинейный наблюдатель. В работе [7,16] описана система прямого адаптивного управления. В работе [15] описана двухэтапная процедура стыковки АНПА с подводной станцией базирования. В работе [19] разработана система управления надводным мини-кораблем.

Формат 60 х 841/16. Бумага офсетная Печать ризография. Заказ №99 Тираж 110 экз.

Отпечатано в Секторе обеспечения полиграфической продукцией в г.Таганроге отдела полиграфической, корпоративной и сувенирной продукции ИПК КИБИ МЕДИА ЦЕНТРА ЮФУ ГСП 17А, г. Таганрог, 28, Энгельса, 1 тел.(8634)371717