автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Интеллектуализация алгоритма управления судном в условиях ветрового воздействия

На правах рукописи

Попов Александр Валерьевич

ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ В УСЛОВИЯХ ВЕТРОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05 13 01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и промышленности) по техническим наукам

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2007

003061004

Работа выполнена на кафедре информатики, систем управления и телекоммуникаций Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волжская государ-

ственная академия водного транспорта»

Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ,

д ф -м н, проф М И Фейгин

Официальные оппоненты д ф -м н, проф П В Пакшин

к т н , доцент В М Манин

Ведущая организация ОАО ЦКБ «Лазурит»

Защита диссертации состоится « 13 » сентября 2007 г в_часов

на заседании диссертационного совета Д212 165 05 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу 603600, г Нижний Новгород, ГСП-41, ул Минина, 24, корпус 1, аудитория_

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «НГТУ»

Автореферат разослан « 2 ^ » 2007 г

Ученый секретарь

I

диссертационного совета д т н , проф _Э С Соколова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Эффективность работы системы автоматического управления движением водоизмещающего судна зависит от реализованного в нем алгоритма управления Наиболее распространенным в современных классических авторулевых является пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) алгоритм управления Однако при изменяющихся внешних условиях он не всегда удовлетворяет необходимому качеству управления судном В частности, ухудшается управляемость на мелкой воде При ветровом воздействии появляются участки спада управляемости, возникают рысканья судна на курсе (автоколебания), картина качественно усложняется Проблема разработки судовых авторулевых, работоспособных в сложных условиях, является актуальной

Современный подход к эффективному решению проблемы предусматривает применение математического моделирования, которое позволяет сэкономить время и средства на проведение натурных испытаний Кроме того, оно воспроизводит условия работы системы автоматического управления при изменении как внешних ветровых воздействий, так и свойств самого объекта Такие условия при натурных испытаниях на судах в некоторых случаях угрожают безопасности плавания и являются трудно планируемыми

Вместе с тем ожидать надежных результатов при моделировании можно лишь при достаточном обосновании принятой к исследованию математической модели В настоящей работе в качестве базовой была принята система дифференциальных уравнений пятого порядка с дополнительными трансцендентными уравнениями относительно переменных, характеризующих ветровое воздействие на судно При исследовании динамики судна, оснащенного интеллектуальным авторулевым, в математическую модель дополнительно вводится еще одно дифференциальное уравнение

Обоснование принимаемой математической модели базировалось на проведении сравнения ряда результатов математического моделирования с экспериментальными данными, а также на подтверждении полученных новых теоретических результатов, известных в практике судовождения Рассматривались возникновение рысканья судов на прямом курсе, спада управляемости судном при некоторых углах курса, а также влияние на управляемость скорости ветра, устойчивости и степени загрузки судна При исследовании структуры цилиндрического фазового пространства использовались элементы качественной теории динамических систем и теории бифуркаций Была установлена «грубость» математической модели и ее соответствие реальной системе Таким образом, ее можно считать эффективной для исследования управляемости судов при ветре и для разработки новых авторулевых устройств

Диссертация посвящена решению задачи построения алгоритма управления водоизмещающим судном при ветровом воздействии Была разработана интеллектуальная составляющая с введением стимулятора в алгоритм авторулевого, использующего отображение пространства состояний судна в себя Это позволило существенно повысить качество управления судном и справиться с некоторой степенью неуправляемости Таким образом, сделан очередной шаг в повышении эффективности системы автоматического управления водоизмещающим судном при ветре

Вопросам выбора динамической модели движения водоизмещающих судов, описания внешних воздействий на судно, разработки алгоритмов управления судном посвящено достаточное количество работ, авторами которых являются А Ш Афремов, А М Басин, Я И Войткунский, А Д. Гофман, В М Манин, Г Э Острецов, В Г Павленко, Б В Павлов, Р Я Першиц, А В. Преображенский, Л М Рыжов, Г В Соболев, Н Ф Со-ларев, М И Фейгин, М М Чиркова, К Kose, D Nguyen и др

Объектом исследования является водоизмещающее судно, функционирующее в условиях внешней среды, непредсказуемым образом меняющейся при ветровом воздействии

Методы исследования. В работе использовались классические методы исследования динамических систем, теории бифуркации, устойчивости системы автоматического управления, методы математического моделирования и численные методы Расчеты производились с использованием как стандартных пакетов программ, так и алгоритмов собственной разработки

Целью работы является повышение качества стабилизации курса и выполнения штатных маневров водоизмещающим судном в условиях неблагоприятного состояния внешней среды при ветре путем создания новых, более эффективных алгоритмов автоматического управления Достижение поставленной цели потребовало

- анализа известных математических моделей управляемых на курсе судов, обоснованного выбора базовой математической модели, ее сопоставления с более сложными моделями, проверки ее адекватности реальному объекту и эффективности для исследования новых динамических особенностей поведения судна,

- разработки эффективной интеллектуальной составляющей в алгоритме управления движением судна в заданном направлении и исследования устойчивости,

- обоснования введения «стимулятора» в алгоритм авторулевого с учетом эволюции диаграммы управляемости судна при изменении ветрового воздействия

Научная новизна диссертационной работы, состоит в следующем, 1 Исследована бифуркационная картина поведения судна при возникновении ветра, позволяющая лучше понять особенности его динамического поведения неоднозначность стационарных режимов

2 Исследовано возникновение рысканья - ветровых автоколебаний, установлена зависимость областей их существования от скорости ветра

3 В алгоритм авторулевого введена интеллектуальная составляющая, позволяющая улучшить управляемость

4 Предложен новый метод, позволяющий существенно повысить управляемость судна в изменяющихся внешних условиях путем включения стимулятора в интеллектуальную составляющую алгоритма авторулевого

5 Показана возможность использования стимулятора для построения диаграммы управляемости в натурных условиях

Обоснованность и достоверность результатов. Исследование динамики судов проводилось с помощью обоснованной математической модели поведения водоизмещающего судна при ветре

Полученные новые результаты (автоколебания, спад управляемости, преодоление потери управляемости) согласуются с известным из практики судовождения поведением судов в натурных условиях

Предложенный интеллектуальный алгоритм со стимулятором автоматически подстраивается под изменение внешних условий, подобно действиям опытного судоводителя, рассматриваемым в литературе

Исследования проводились в рамках выполнения проекта при поддержке РФФИ (2004-2006 гг , грант №04-01-00815а)

Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы при создании современного интеллектуального авторулевого для во-доизмещающих судов

Представляется возможным использовать стимулятор в судовых тренажерах для сравнения качественных показателей ручного управления судном и автоматического управления при различных внешних воздействиях

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях

VII Всероссийская научная конференция «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 2005 г ),

Международный конгресс «Великие Реки-2005» (Нижний Новгород, 2005 г ),

Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы использования и развития новых информационных и коммуникационных технологий в России» (Нижний Новгород, 2005 г),

Научно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов, Волжская государственная академия водного транспорта (Нижний Новгород, 2005 г),

10-я Нижегородская сессия молодых ученых «Технические науки» (Нижегородская область, г Саров, 2005 г),

IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, ННГУ им Лобачевского (Нижний Новгород, 2006 г )

XV Международный симпозиум «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем», ИМАШ РАН (Москва - Звенигород, 2006 г),

IX Международный семинар «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления», ИПУ РАН (Москва, 2006 г),

Всероссийская молодежная научно-технической конференция «Новые технологии водного транспорта», ВГАВТ (Нижний Новгород, 2007 г )

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 16 печатных работах

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения Она содержит 111 страниц текста, 83 рисунка, список литературы из 124 наименований

Краткое содержание работы

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность исследований, формулируется цель работы, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов Дается аннотированный обзор содержания по главам

В первой главе содержится обзор математических моделей поведения судов, дается понятие диаграммы управляемости при ветре Современный подход к созданию систем автоматического управления требует широкого использования математического моделирования Для разработки и оценки эффективности алгоритмов управления движением судна необходимо выбрать такую математическую модель, которая в необходимой степени точно отражает динамику реального судна, но, тем не менее, является достаточно простой

С учетом ветрового воздействия математическая модель записывается в виде

со = аса + Ьр + + М(ц/, /), Р = сш+с1р + >1/ЗЩ+зги + Р(у/,у) (1)

у/ = со,

где х,у - координаты центра тяжести судна, у - угол курса, со - угловая скорость, ¡В - угол дрейфа между линейной скоростью центра тяжести и продольной осью симметрии судна, и — параметр управления, равный углу отклонения пера руля Координаты центра тяжести судна х и у в начальный момент будем полагать совпадающими с началом отсчета Сис-

(3)

(4)

тема координат центра тяжести х,у введена таким образом, чтобы ось абсцисс совпадала с направлением истинного ветра (у^ = оу = v¡x > 0)

Аэродинамические момент и поперечная сила соответственно равны = gtV2 sin y(l - cos y( 1 + wsm2 у)),

P{y/,y) = g1V2sm у, где у и V угол и скорость ветра относительно судна Соотношения между переменными, характеризующими ветровое воздействие на судно V2 = V2 - 2V, cos(t// -/?) + !, V, sm(y/ + /) - sm{{¡ + у) = О Неизвестные аэродинамические коэффициенты g¡, g? косвенным путем определяются двумя первыми уравнениями системы (1) по результатам натурных испытаний в установившемся режиме (приводимым в литературе Уравнения (1) - (4) приняты в качестве базовой математической модели для дальнейших исследований

При отсутствии ветра важнейшей характеристикой водоизмещающего судна является диаграмма управляемости Это статическая характеристика ю(и), позволяющая судить о «поворотливости» судна и его устойчивости на курсе. Характеристика ш(м) в отсутствие ветра зависит от загрузки судна и глубины фарватера На мелководье ухудшаются поворотливость судна и устойчивость судна на курсе, возрастает критический угол перекладки руля, устойчивое судно может стать неустойчивым

Диаграммой управляемости при ветре будем называть зависимость угла ^установившегося движения судна прямым курсом от угла перекладки руля U при определенной скорости истинного ветра V,

Отметим особенности диаграммы управляемости сначала для устойчивого в безветрии судна Критическими точками (и, соответственно, критическими значениями угла перекладки руля) обозначены точки диаграммы управляемости, в которых выполняется условие dU/dy/ = О

Эволюция диаграммы управляемости устойчивого в безветрии судна для различных значений скорости истинного ветра приведена на рис 1 В режимах, соответствующих критическим значениям угла перекладки руля, происходит слияние двух стационарных режимов

\

V

\

)

>

-0,0002 0 0004 Vi- 0 04

^ j

т

с.

, < I—

Í 0 004

Vi= 0,286

0 004 -0 02

Vi— 0 4 Рис 1

0 02 Vi= 0,5

-0 02

Кг- 0,97

Суждение об устойчивости или неустойчивости особых точек различных участков диаграммы можно сделать из общих качественных соображений теории бифуркаций, если кроме особых точек не существуют другие стационарные решения Для устойчивых в безветрии судов такой подход оказывается применим Если при изменении параметра у происходит

слияние двух точек с последующим их исчезновением, то они в общем случае должны соответствовать устойчивому и неустойчивому решениям В качестве исходного участка, для которого доказана устойчивость, принят участок движения против ветра, изображенный сплошной жирной кривой на рис 1 Тогда на остальных диаграммах рис 1 устойчивыми должны быть участки с таким же наклоном ¿¡у/ / ¡Л; > 0 Компьютерное моделирование полностью подтвердило такой вывод На рис 1 неустойчивые точки обозначены звездочками, а устойчивые - колечками

Для неустойчивого в безветрии судна ситуация существенно сложнее Кроме особых точек могут существовать замкнутые траектории - режимы циркуляции и предельные циклы ветровых автоколебаний Поэтому все особые точки могут оказаться неустойчивыми

Таким образом, рассмотрены система дифференциальных уравнений и соотношения между ее параметрами, характеризующими ветровое воздействие, зарождение и эволюция ДУ при ветре как устойчивых, так и неустойчивых на курсе судов, интервалы углов перекладки руля, при которых стационарные режимы движения судна не являются единственными

Во второй главе проведено обоснование принятой к исследованию базовой нелинейной математической модели тремя показателями

а) проверкой на соответствие полученных моделированием динамических особенностей поведения судна с известными в практике судовождения случаями,

б) обнаружением новых режимов движения судна, объясняющих наблюдаемые особенности и уточняющих рассматриваемые в литературе примеры,

в) проверкой «грубости» математической модели, когда качественная картина исследованных особенностей динамического поведения судна сохраняется при введении дополнительных нелинейностей

Было рассмотрено влияние ветра на судно, совершающее установившуюся циркуляцию В литературе приводится типичная траектория, в которой смещение «циркуляционных орбит» происходит строго в направлении ветра (Р Я Першиц). Вместе с тем суммарные аэродинамические воздействия на судно на «полупериодах» циркуляции (движении по направлению ветра и в обратном направлении) не могут оставаться одинаковыми Участки траектории вдоль ветра становятся больше участков траектории против ветра В общем случае с усилением ветра суммарные воздействия в правую и левую сторону от направления ветра будут изменяться

Поэтому приведенная в качестве типичной траектория представляется парадоксом, который возможен лишь в особых ситуациях

На рис 2 представлена траектория центра тяжести судна под воздействием ветра Перо руля переложено на левый борт на шесть градусов относительно диаметральной плоскости

У А

Г,

Направление движения судна

^Направление Начальное по- д-ветра ложение судна Рис 2

Точка существования парадокса ^ Першица

Точка срыва циркуляции

Рис 3

Множество максимальных значений координаты у обозначено через У, Смещение циркуляционных орбит относительно направления ветра характеризуется показателем 5 = У!+1 - У, На рис 3 представлена зависимость 8(V,) при II = 6° Следует отметить, что при скорости ветра V, = 1,5 происходит срыв циркуляции

Как видно из приведенной кривой, парадокс Р Я Першица имеет место при единственном соотношении скорости ветра и угла отклонения пера руля (точка пересечения с осью х) Множество таких точек для разных углов перекладки образует кривую парадокса Р Я Першица для устойчивых на курсе судов Пример такой кривой изображен на рис 4

Из практики судовождения известно, что направление ветра Ц/ *, при котором создаются наихудшие

мож-

V

1 4 1,3 •

1,2

от

5 10* Рис 4

15"

и

условия управляемости й>тт, но определить при выполнении циркуляции судна Из проведенных натурных испытаний известно, что спад управляемости судна, идущего прямым курсом при ветре, наблюдается при угле курса по отношению к ветру равном 315 - 320°

При математическом моделировании значение атт оказывалось в окрестности бифуркационной ситуации исчезновения фазовой траектории циркуляции при ее контакте с неустойчивой особой точкой Для устойчивого судна на участке существования пары точек устойчивого и неустой-

чивого типа происходит некоторое замедление движения вследствие так называемого эффекта бифуркационной памяти При различных значениях V, и и > 0 потенциально опасное направление расположено в интервале цг*= 305-320° (рис 5), а при и < 0 величина а>тт имеет место при у/*= 40-55° (рис 6), что хорошо согласуется с экспериментальными данными Вместе с тем в приводимых результатах натурных испытаний не указывается степень загрузки судна Установлено, что влияние загрузки незначительно

Рис 5 Рис 6

Исследование принятой математической модели позволило обнаружить существование ветровых автоколебаний

Высокоманевренные суда в режиме движения прямым курсом являются неустойчивыми Если IUI < U^b зависимости от начальных условий устанавливается либо левая, либо правая циркуляция При появлении ветра траектории циркуляций в цилиндрическом фазовом пространстве y/,G),ß в проекции на фазовое кольцо у/, оз представлены на рис.7 для случаев (7=0 При дальнейшем увеличении V, окружности «циркуляционных орбит» деформируются (рис 7а) и появляется особый случай срыва циркуляций (рис 7Ь) Происходит бифуркация исчезновения седловой особой точки при касании двух орбит циркуляции Рождается новый вид движения - ветровые автоколебания (рис 7с)

Рис 7а Рис 7Ь Рис 7с

Исследовано расположение областей существования автоколебаний при попутном ветре Моделирование показало качественное совпадение параметрических портретов у судов различного типа (рис 8) Границы срыва циркуляции при усилении ветра обозначены пунктиром Область существования автоколебаний заштрихована наклонными линиями, движения прямым курсом - горизонтальными Исследование таких ситуаций имеет большой прикладной интерес незначительные возмущения могут

приводить к срыву одних режимов движения и переходу на режим другого типа Например в процессе движения прямым курсом произойдет резкое увеличение рыскливости из-за перескока в режим автоколебаний

При неоднозначности стационарных режимов существует зависимость устойчивых режимов движения от начальных условий Например, найденный режим автоколебаний может сорваться на движение прямым курсом при изменении внешних условий Области существования устойчивых движений судна при ветре (циркуляция, автоколебания, движение прямым курсом) могут изменяться - при одних и тех же значениях V, и и в зависимости от начальных условий будут устанавливаться различные режимы На рис 9 приведена область сосуществования этих режимов при различном направлении истинного ветра (попутный у/0 = 0, встречный у/^ = 3,14 - обозначен пунктиром)

Рис 8а Рис 8Ь Рис 9

Отметим, что область автоколебаний при попутном ветре больше, чем при встречном Этот результат хорошо согласуется с известным в практике судовождения возникновением сильной рыскливости при попутном ветре Особенности цилиндрического фазового пространства приводят к необычным переходным процессам Например, в одном случае это переход в ближайший стационарный режим по «короткой» траектории (а>0 < 0 ,|®о1« 0), в другом случае (®0 > 0) - почти полная циркуляция

Принятая к исследованию математическая модель динамики судна при отсутствии ветра содержит только одну нелинейность Вместе с тем при исследовании отдельных случаев поведения судна в ряде работ авторами учитываются дополнительные нелинейности, которые более точно отражают динамику судна При их учете уравнения (1), (3) примут вид

со = аа)+Ь/3(\ + А.Ы)+síU+giV2 бш/О - соз^(1 + ибш2 у)),

(5)

р = са + 40(1 + /ф!) + 1фЩ + з2и + %-,уг зту

Коэффициенты кг введены таким образом, чтобы характеризовать степень учитываемое™ нелинейностей по сравнению с линейными членами Режим ветровых автоколебаний предоставляет возможность для ка-

чественной оценки влияния на динамику судна введения дополнительных нелинейностей Область существования автоколебаний рассматривалась в плоскости параметров У1 ,£/ В качестве примера приведены результаты

математического моделирования для угла перекладки руля и - 0,1 и случая А] = к2 = 0, выделенного на рис 8Ь жирной линией Ниже приведены данные, которые показывают зависимость области ветровых автоколебаний от введения дополнительных нелинейностей (табл 1)

Таблица 1

1ъ Зарождение автоколебаний Срыв автоколебаний д_ Vi ср - Vi zap Vi ср

Vizap Уг ср

0 0 1,05 2,4 0,76

0,2 0 1,013 1,893 0,61

0 0,2 1,05 2,123 0,70

0,2 0,2 1,004 2,001 0,66

0 -0,2 1,045 2,484 0,81

-02 0 1,03 2,123 0,71

-0,2 -0,2 1,003 2,003 0,87

Как следует из приведенных результатов, их введение не меняет качественную картину характера поведения судна

Обнаруженные особенности поведения судна при ветре не являются вырожденными случаями при некоторых начальных условиях и параметрах, а представляют определенную закономерность Таким образом, принятая к рассмотрению математическая модель является адекватной, актуальной и перспективной для дальнейших исследований

В третьей главе исследовано выполнение штатных маневров судна, оснащенного авторулевыми, когда проявляются обнаруженные особенности поведения судна при ветре (спад управляемости, автоколебания) Прежде всего рассматривалась управляемость с помощью пропорционально-дифференциального (ПД) авторулевого При этом в систему уравнений (1) — (4) добавляется новое соотношение

и = к1(ц/-у/') + к2Ф, (7)

где у* - задаваемый курс дальнейшего движения

Изменение направления прямолинейного движения судна С возникновением ветра поведение судна характеризуется диаграммой управляемости — зависимостью угла установившегося курса от угла перекладки руля у/(Ц') Диаграмма видоизменяется в зависимости от скорости ветра У неустойчивого в безветрии на курсе судна зарождаются участки режима ветровых автоколебаний, на которых возникает рысканье на курсе С усилением ветра они исчезают - это соответствует слиянию цикла с неустойчивой особой точкой типа фокус и рождением особой точки - устойчивый фокус (бифуркация Андронова - Хопфа) Управляемость существенно ус-

ложняется. Авторулевой не может обеспечить качественное управление изменением курса. В результате возникают рысканья судна на курсе.

Маневр расхождения судов. 13 качестве другого примера рассмотрена ситуация, при которой судну во время движения при негре следует осуществить маневр расхождения - переход на параллельную траекторию двнженйя с дальнейшим восстановлением. Изменение внешнего воздействия может усложнить управляемость с ПД-авторулевым в результате возникновения автоколебаний при одном из осуществляемых изменении направления прямолинейного движения (рис. 10а, 1участок с).

¿Г

Л

V

—е.

с

\

\Ь а

гл

а\

ъ

10а Рис. ЮЬ

Преодоление участка мелководья Изучен случай, когда в процессе рассмотренного выше маневра судно попадает па, участок Мелководья (рис.1! - участок 4). Рассмотренная ситуация возникает в конце третьего участка. В результате рысканье судна на курсе существенно возрастает (рпсЛ |а, 11Ь участок 4), и оно сохраняется при восстановлении начального курса (участок 5). Стандартный авторулевой не в состоянии качественно осуществить маневр.

\ г

К х

4 3 ! 4

V

Рис 11а Рис ПЬ

Для решения возникающих проблем управляемости судна была предложена интеллектуальная составляющая, состоящая из добавки в авторулевой отклонения пера руля [/*, соответствующего выбранному курсу Значение О* определяется диаграммой управляемости для конкретных

значений f* и V, Руль перекладывается не только с учетом угловой скорости и угла курса, но и около определенного положения пера руля U*

U =-ki(4f-4/*)+k2(o+k}(U-U*) (8)

Исследована устойчивость движения судна прямым курсом, снабженным авторулевым (1) - (4), (8) Это позволило более четко понять картину и, следовательно, учесть больше факторов при разработке авторулевого Задача построения областей устойчивости была решена методом Гурвица Теоретически был исследован наибольший участок характеристики аэродинамического момента (3) в окрестности у ~ у* = я/2, построены области устойчивости На других участках диаграммы устойчивость проверялась методом математического моделирования

Была проверена работоспособность алгоритма при изменении степени устойчивости и загрузки судна (значения коэффициентов d и уй в уравнениях (1), (3)) Качественных изменений обнаружено не было

Таким образом, авторулевой с интеллектуальной составляющей более эффективен (при выполнении рассмотренных маневров) по сравнению с ПД-рулевым Однако его реализация связана со сложностью создания базы данных цг*,U* для многочисленных сочетаний внешних условий

В четвертой главе рассматриваются случаи возникновения статической ошибки Предложен новый подход, позволяющий избежать ее возникновения путем введения стимулятора в алгоритм авторулевого

Работа авторулевого с интеллектуальной вставкой описывается уравнением (8) Диаграмма управляемости с изменением внешних условий (скорость и направление ветра, глубина форватера и т.п) эволюционирует В уравнении (8) установленное значения U*, согласно «исходной диаграмме управляемости», не будет соответствовать изменившемуся значе-« *

нию Ut для того же ц/ , но в новых условиях Поэтому U = 0 будет соответствовать другому стационарному режиму В результате устанавливается некоторый «ошибочный» режим ц/ = ц/** = у/* + Ац/ при перекладке

в

руля U = U + AU В итоге U = -к{ Ац/- кгА1] = 0, где A U iO и статическая ошибка Ацг * 0 Так, в процессе движения прямым курсом незначительно изменяется скорость ветра с V, = 2,5 до V,= 2,45 (Д цг= (//-(//")

При дальнейшем изменении скорости ветра значение статической ошибки увеличивается Ее изменение представлено данными табл 2 Изначально скорость ветра равнялась V,t = 2,5, '//= 0,78, U\ = - 0,445

№ эксперимента V,,2 (г/** и"

1 2,5 0,78 ~0 =0 -0,445

2 2,49 0,764 0,0161 0,0091 -0,4359

3 2,48 0,745 0,0345 0,0193 -0,4247

4 2,47 0,724 0,0558 0,0312 -0,4138

5 2,6 0,698 0,0812 0,0461 -0,3989

6 2,45 0,661 0,1181 0,0667 -0,3783

7 2,44 0,579 0,001 0,1141 -0,3309

Ликвидировать ее предложено установкой в интеллектуальный алгоритм некоторой добавки - стимулятора, который периодически (через интервал времени г) зануляет второе слагаемое В основу стимулятора заложено отображение пространства состояний динамической системы в себя + г) и*(1,) в процессе ее естественного функционирования Настройка стимулятора производится изменением т, что позволяет авторулевому устанавливать перекладку руля и", подстраиваясь под изменение диаграммы управляемости Параметр т играет важнейшую роль в обеспечении качества управляемости переходных процессов и устойчивости

Было проведено сравнение эффективности авторулевых со стимулятором и классического ПИД-регулятора При этом-в уравнения (1) - (4) добавляется соотношение

и —к] (у/-у/*) + к2со + к3$у/(0Ж ' (8)

В результате моделирования выяснено, что в случае управления судном ПИД-регулятором области устойчивости меньше областей под управлением авторулевым со стимулятором Возрастает также рыскливость при изменении внешних условий, что приводит к увеличению длительности затухающих переходных процессов Например, при движении прямым курсом ц> — 0,4 скорость ветра с У,= 1,5 сначала возрастает до V,= 2,6, а затем опять восстанавливается до У = 1,5 (рис 12)

При одновременном изменении и скорости ветра и угла курса преимущества стимулятора более значительны, так как погрешность ПИД вызвана двумя причинами, которые могут давать ошибки одного знака

Исследовано поведение судна, управляемого интеллектуальным авторулевым со стимулятором и без него - при изменении направления ветра Например, в процессе следования судна прямым курсом внезапно изменилось направление ветра на 0,4 рад Судно под управлением интеллектуального авторулевого без стимулятора неточно отслеживает изменение условий, вследствие чего устанавливается некоторая статическая ошибка в курсе

Стимулятор позволяет сохранить первоначальный курс независимо от направления ветра.

В результате проведенных исследований выяснена эффективность стимулятора при разных типах внешних воздействий и маневров судна.

П И Д- а кто руле вой

Рис 12

Авторулерой со стимуляторе и

Рассмотрены качества стимулятора, существенно выделяющие его из семейства авторулевых. Например, при выполнении судном маневра обгона или расхождения на одном из участков происходит потеря управляемости, вызванная ограничением изменения момента руля М(( (т. к.

И2 ^та) при возрастании ветрового момента М г,-. В итоге на участке

потери управляемости суммарный момент д/ -ф. & (рис. 13). В случае

управления судном стандартным ПИД-регулятором (рис, 14а) оно не в состоянии вернуться на заданную траекторию движения. Авторулевой со стимулятором восстанавливает ее в процессе маневра (рис, 14Ь).

Другой вариант преодоления рассмотренной ситуации связан с увеличением длительности заключительного участка восстановления (рис. 15).

Рис. 13

М,

M

Рис ¡4а

Рис 14Ь

Рис 15

Постановка стимулятора позволяет увеличить области устойчивости стационарных режимов; для удержания судна на курсе происходит перекладка руля с меньшей амплитудой и длительностью переходных процессов. В представленных на рис. ¡6 областях устойчивости для судна под управлением интеллектуального авторулевого без стимулятора (рис 16а) и со стимулятором (рис. 1бЬ) цифрами обозначено: I - встречный вечер, 2 - попутный ветер. Отметим, что даже при увеличении V, с 1,5 до 2,5 области устойчивости авторулевого со стимулятором - больше.

Стимулятор можно использовать для построения диаграммы управляемости не только путем математического моделирования, но и в натурных условиях. Определенному значению скорости ветра будет соответствовать набор необходимых перекладок руля для задаваемых значений курса - создание базы данных.

Результаты полностью совпадают с данными, получаемыми путем аналитического решения стационарных режимов из уравнений (1) - (4).

В соответствии с базой данных опытный Судоводитель может улучшить управляемость судном даже при ручном управлении. При этом амплитуда рысканья судна будет меньше, чем в случае подбора нужной перекладки руля без использования базы данных.

5 10 15

(■',= 1,5, КЛ = 5, »)(«"= 3,1.2)ч/-0,1

Рис, 16а

5 10 15

К, = 2,5; К.1 =5; 1)<с= 3,1; 2)^ = 0,1 Рис 1йЬ

Основные результаты диссертации

1 Обосновано использование базовой модели водоизмещающего судна для исследования его динамического поведения при ветре

2 Разработана методика исследования структуры цилиндрического фазового пространства водоизмещающего судна при ветровом воздействии

3 Исследована бифуркационная картина динамического поведения судна при ветре, позволяющая обнаружить и лучше понять его особенности неоднозначности стационарных режимов, возникновения ветровых автоколебаний, эффектов бифуркационной памяти, спада управляемости судна при некоторых углах курса и скорости ветра

4 Предложен алгоритм авторулевого с интеллектуальной добавкой, сохраняющий работоспособность при изменении степени устойчивости и загрузки судна Установлена как его эффективность, так и возможность возникновения статических ошибок

5 Предложено введение стимулятора в алгоритм интеллектуального авторулевого, в основу которого заложено отображение пространства состояний системы в себя в процессе ее естественного функционирования, обеспечивающее автоматическую подстройку под изменяющиеся внешние воздействия Показано его преимущество над авторулевым без стимулятора и ПИД-авторулевым

6 Наряду с судами представляется возможным использовать стимулятор и в судовых тренажерах для сравнения качественных показателей ручного управления судном и автоматического управления при различных внешних воздействиях

Публикации по теме диссертации:

1 Попов, А В Моделирование режимов движения судна при ветре / А В Попов, М И Фейгин // Вестник ННГУ им Н И Лобачевского Серия Математическое моделирование и оптимальное управление -Н Новгород Изд ФГОУ ВПО ННГУ им НИ Лобачевского -2004 -С 152-159

2 Попов, А В Математическое моделирование траектории установившейся циркуляции судна при ветре / А В Попов, М И Фейгин // Вестник ВГАВТ Межвузовская серия Судостроение- - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ» - 2004 - С 171-174

3 Попов, А В Сопоставление результатов математического моделирования динамики судна при ветре с известными результатами поведения натурных судов / А В Попов, М И Фейгин // Вестник НГТУ Серия Информационные технологии - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО «НГТУ» -2004 - Т 48 - С 142-147

4 Попов, ABO повышении управляемости судном при ветре / А В Попов, М И Фейгин // VII Всероссийская научная конференция «Нели-

нейные колебания механических систем» - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПОННГУим НИ Лобачевского -2005 -С 394-396

5 Попов, ABO повышении управляемости судна при ветре посредством ввода интеллектуальной составляющей в алгоритм авторулевого / А В Попов // Вестник ВГАВТ Межвузовская серия Моделирование и оптимизация сложных систем - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ» -2005 -Вып 14 -С27-35

6 Попов, А В Особенности стационарных режимов и переходных процессов движения судна при ветре, способствующих ухудшению и потере управляемости /МИ Фейгин, А В Попов // Международный конгресс «Великие Реки-2005» - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО «ННГАСУ» -2005 -TI -С.315-316

7 Попов, ABO возможности восстановления управляемости судна при усилении ветра введением интеллектуальной составляющей в алгоритм авторулевого / А В Попов // Всероссийская научно-практическая конференция Актуальные проблемы использования и развития новых информационных и коммуникационных технологий в России - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО «НГТУ» - 2005 - С 96-98

8 Попов, А В Разработка алгоритма авторулевого, учитывающего ветровое воздействие на судно / А В Попов // Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ» -2005 - 42 - С 64-66

9 Попов, ABO сравнении результатов математического моделирования и натурных испытаний управляемости судна при ветре / А В Попов // 10-я Нижегородская сессия молодых ученых Технические науки материалы докладов -Н Новгород Изд-во Гладкова О.В -2005 - С 23-25

10 Попов, ABO рождении и исчезновении стационарных режимов движения судна при ветре / А В Попов // XI Нижегородская сессия молодых ученых Математические науки материалы докладов - Н Новгород Изд-во Гладкова О В. - 2006 - С 39-40

11 Попов, А В К построению диаграммы управляемости судна при ветре в натурных условиях / А В Попов, М И Фейгин // IX Международный семинар им Е С Пятницкого «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления» ИПУ им В А Трапезникова, РАН - М Изд-во ИПУ РАН - 2006 - С 272-274

12 Попов, А В Управление курсом судна с введенным в алгоритм авторулевого стимулятором / А В Попов, М И Фейгин // IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО ННГУ им Н И Лобачевского - 2006 - Т 1 - С 98-99

13 Попов, А В К обоснованию алгоритма вывода динамической системы из потенциально аварийной ситуации при потере управляемости /

А В Попов // XV Международный симпозиум Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем - Москва - Звенигород Институт машиноведения им А А БлагонравоваРАН -2006 - С 230-234

14 Попов, А В Введение отображения пространства состояний судна в себя для изменения направления прямолинейного движения при ветре / А В Попов, М И Фейгин // XV Международный симпозиум Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем - Москва - Звенигород Институт машиноведения им А А Благонравова РАН - 2006 - С 234-236

15 Попов, ABO повышении качества управляемости судна при ветре / А В Попов // Вестник ВГАВТ Межвузовская серия Моделирование и оптимизация сложных систем - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ» -2007 -Вып 18 -С 9-13

16 Попов, А В Интеллектуализация процесса управления судном введением стимулятора в алгоритм авторулевого / А В Попов // Тезисы всероссийской молодежной научно-технической конференции «Новые технологии водного транспорта» - Н Новгород Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ» -2007 - С 52-53

Формат бумаги 60x84 '/16 Ризография Уел печ л 1,0 Уч-изд л 1,0 Заказ 632 Тираж 100 экз

Издательско-полиграфический комплекс ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

603950, Нижний Новгород, ул Нестерова, 5а

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОВЕДЕНИЯ СУДОВ. ПОНЯТИЕ

ДИАГРАММЫ УПРАВЛЯЕМОСТИ ПРИ ВЕТРЕ.

§1.1. Краткий обзор существующих моделей и описание ветрового воздействия.

§ 1.2. Диаграмма управляемости при отсутствии ветра и пренебрежением аэродинамических воздействий на корпус судна, вызываемых скоростью его движения.

§ ЬЗ.Эволюция ДУ при ветре.

ГЛАВА 2. БАЗОВАЯ МОДЕЛЬ. НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОДТВЕРЖДАЕМЫЕ ПОВЕДЕНИЕМ

СУДОВ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ. ОЦЕНКА ГРУБОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

§ 2.1. Выбор базовой математической модели поведения судна.

§ 2.2. Парадокс Р.Я.Першица.

2.2.1. Случай устойчивого судна на курсе.

2.2.2. Случай неустойчивого судна на курсе.

§ 2.3. Исследование случаев ухудшения управляемости. Зависимость качественной картины спада управляемости от Vt.

§ 2.4. Ветровые автоколебания (рысканье).

§ 2.5. Проверка «грубости» принятой к исследованию математической модели.

ГЛАВА 3. СЛОЖНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ ПРИ ВЕТРЕ. ВВЕДЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ В АЛГОРИТМ АВТОРУЛЕВОГО. ИССЛЕДОВАНИЕ

УСТОЙЧИВОСТИ.

§ 3.1. Повышение сложности управления в результате бифуркационных ситуаций.

3.1 .а. Бифуркация влипания неустойчивой особой точки в установившуюся циркуляцию.

3.1.6. Бифуркация слияния особых точек устойчивого и неустойчивого типа.;.

3.1.в. Бифуркация Андронова-Хопфа.

§ 3.2. Неэффективность стандартного авторулевого при ветре.

§ 3.3. Физическое объяснение появления условий потери управляемости.

§ 3.4. Рассмотрение различных случаев поведения судна под управлением стандартного авторулевого.

§ 3.5. Ввод в алгоритм авторулевого интеллектуальной составляющей, учитывающей эволюцию диаграммы управляемости при ветре.

§ 3.6. Исследование устойчивости судна с авторулевым на прямом курсе при ветре

3.6.1.Случай V,«0.

3.6.2. Случай V, >1.

ГЛАВА 4. ВВЕДЕНИЕ СТИМУЛЯТОРА В АЛГОРИТМ АВТОРУЛЕВОГО.

§4.1. Неточности авторулевого с интеллектом. Возникновение статической ошибки.

§ 4.2. Введение стимулятора в алгоритм авторулевого.

4.2.1. Построение областей устойчивости. Роль параметра т.

4.2.2. Качество управления судном под управлением авторулевого со стимулятором.

4.2.3. Изменение направления ветра.

4.2.4. Влияние параметра т на управляемость.

§ 4.3. Дополнительные качества стимулятора.

4.3.1. Преодоление сложностей управляемости во время маневрирования.

4.3.2. Построение диаграмм управляемости в натурных условиях для конкретного судна (создание базы данных).

Эффективность работы системы автоматического управления движением водоизмещающего судна по курсу -авторулевого зависит от реализованного в нем алгоритма управления. Современный подход к созданию систем автоматического управления требует широкого использования математического моделирования. Для разработки и оценки эффективности алгоритмов управления движением судна необходимо выбрать такую математическую модель, которая в необходимой степени точно отражает динамику реального судна но, тем не менее, является достаточно простой.

В настоящее время в литературе различными авторами предлагается ряд математических моделей водоизмещающих судов. Модели структурно отличаются числом введенных нелинейностей, а также методиками расчета коэффициентов.

Было проведено обоснование принятой к исследованию базовой нелинейной математической модели по трем показателям: а) проверкой на соответствие динамических особенностей поведения судна с известными в практике судовождения случаями; б) обнаружением новых режимов движения судна, объясняющих наблюдаемые особенности и уточняющие описываемые в литературе примеры; в) проверкой «грубости» математической модели, когда качественная картина исследования их особенностей динамического поведения сохраняется при введении в уравнения дополнительных нелинейных членов.

Была рассмотрена траектория движения судна, совершающего установившуюся циркуляцию при ветре, которая определена Р.Я.Першицем как типичная. Все точки траектории смещены строго в направлении ветра. В результате проведенных исследований показано, что только в особых случаях взаимозависимых значений скорости ветра и угла перекладки руля "парадокс Першица" имеет место. В общем же случае деформация траектории происходит и в перпендикулярном к ветру направлении.

Проводилось сравнение проведенного компьютерного математического моделирования и экспериментальных данных, взятых из практики судовождения.

Рассматривалось возникновение рысканья, как у устойчивого, так и неустойчивого на прямом курсе судов, спад управляемости судном при некоторых углах курса, а также влияние скорости ветра, устойчивости и степени загрузки судна на управляемость. При исследовании структуры цилиндрического фазового пространства использовались элементы качественной теории динамических систем и теории бифуркаций. Обнаруженные особенности поведения судна при ветре не являются вырожденными случаями при некоторых начальных условиях и параметрах, а представляют определенную закономерность. Установлена «грубость» математической модели и ее соответствие реальной системе, а также особенность переходных процессов в постбифуркационных ситуациях.

Таким образом, принятая к рассмотрению математическая модель является адекватной, актуальной и перспективной для дальнейших исследований.

Обнаруженные моделированием особенности поведения судна (спад управляемости, автоколебания) при ветре могут проявляться при выполнении штатных маневров. Исследовались маневры судна оснащенного авторулевым: изменение направления прямолинейного движения судна, маневр расхождения судов, преодоление участка мелководья.

Рассмотрена управляемость с помощью пропорционально-дифференциального (ПД) авторулевого. При этом в систему уравнений (1.5-1.7, 1.11) добавляется новое соотношение. Авторулевые пропорционально дифференциальных алгоритмов (ПД) оказались неэффективными при изменяющихся внешних условиях.

Для решения возникших проблем управляемости судна была разработана интеллектуальная составляющая, состоящая из добавки в авторулевой отклонения пера руля U*, соответствующего выбранному курсу ¥ * . Значение U* определяется диаграммой управляемости для конкретных значений ¥ * и У±. Таким образом, руль перекладывается не только с учетом угловой скорости и угла курса, но и около определенного положения пера руля U*.

Была исследована устойчивость движения судна прямым курсом, снабженным авторулевым, описываемого уравнениями (1.5-1.7), (1.11), (3.4). Это позволило более четко понять картину и, следовательно, учесть больше факторов при разработке авторулевого. Задача построения областей устойчивости была решена методом Гурвица.

Управляемость и устойчивость движения судна с интеллектуальным авторулевым на других участках проверялась методом математического моделирования. Была проверена работоспособность алгоритма при изменении степени устойчивости и загрузки судна в безветрии. Качественных изменений обнаружено не было.

Таким образом, авторулевой с интеллектуальной составляющей более эффективен, в управлении судном, при выполнении рассмотренных маневров, в отличие от стандартного ПД рулевого.

Вместе с тем были обнаружены случаи, возникающие в процессе судовождения, когда при управлении судном авторулевым с интеллектуальной вставкой может установиться курс со статической ошибкой. В связи с этим предложен новый подход, позволяющий избежать статической ошибки. Ликвидировать ее можно установкой в интеллектуальный алгоритм некоторой добавки стимулятора, который периодически (через интервал времени т) зануляет статическую ошибку в одном из слагаемых алгоритма. В основу стимулятора заложено отображение пространства состояний динамической системы в себя в процессе ее естественного функционирования.

Параметр т играет важнейшую роль в подстраиваемости под изменение внешних условий.

В результате проведенных исследований выяснена эффективность стимулятора, при разных типах внешних воздействий и маневров судна.

Постановка стимулятора позволяет увеличить области устойчивости стационарных режимов. Таким образом, для удержания судна на курсе и выполнения маневров требуется перекладка руля с меньшей амплитудой и меньшей длительностью переходных процессов.

Решение данной задачи позволит создать эффективную систему автоматического управления водоизмещающим судном при ветре, обеспечивающую: а) увеличение скорости движения и экономию топлива за счет снижения рыскания по курсу; б) экономию энергии на управление и снижение времени износа исполнительных механизмов за счет уменьшения числа перекладок руля; в) снижение утомляемости судоводителя за счет автоматизации процессов управления судном. г) предотвращение некоторых потенциально аварийных ситуаций, возникающих при изменении внешних факторов.

Вопросам выбора динамической модели движения водоизмещающих судов, описания внешних воздействий на судно, разработки алгоритмов управления судном посвящено большое количество работ авторами которых являются:

Афремов А.Ш., Басин A.M., Войткунский Я.И., Гофман А.Д., Манин В.М., Острецов Г.Э., Павленко В.Г., Павлов Б. В., Першиц Р.Я., Преображенский А.В., Рыжов Л.М., Сатаев В.В., Соболев Г.В., Соларев Н.Ф., Федяевский К.К., Фейгин М.И., Чиркова М.М., Kose К., Nguyen D. и др.

Объектом исследования является: водоизмещающее судно, функционирующее в условиях непредсказуемым образом меняющейся внешней среды при ветровом воздействии.

Предмет исследования: методы управления движением водоизмещающего судна в режиме стабилизации курса и выполнения штатных маневров при ветровом воздействии, разработка интеллектуального алгоритма авторулевого.

Целью работы является повышение качества выполнения штатных маневров водоизмещающим судном и стабилизации курса в условиях неблагоприятного состояния внешней среды при ветре путем создания новых более эффективных алгоритмов автоматического управления.

Достижение поставленной цели потребовало:

- проведения оценки адекватности реальному объекту известных математических моделей управляемых на курсе судов, выбора и обоснование базовой математической модели, проведение ее сопоставление с более сложными моделями;

- рассмотрения эволюции диаграммы управляемости судна при изменении ветрового воздействия;

- разработки эффективной интеллектуальной составляющей в алгоритме управления движением судна в заданном направлении;

- обоснования введения «стимулятора» в алгоритм авторулевого;

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработана методика исследования структуры цилиндрического фазового пространства водоизмещающего судна;

- исследована бифуркационная картина поведения судна при возникновении ветра, позволяющая лучше понять особенности его динамического поведения: неоднозначности стационарных режимов, эффектов бифуркационной памяти, спада управляемости судна при некоторых углах курса и скорости ветра;

- исследовано возникновение рысканья (ветровых автоколебаний), установлена зависимость областей их существования от скорости ветра;

- в алгоритм авторулевого введена интеллектуальная составляющая, позволяющая улучшить управляемость;

- предложен новый подход существенного повышения управляемости судна в изменяющихся внешних условиях, путем включения стимулятора в интеллектуальную составляющую алгоритма авторулевого

- показана возможность использования «стимулятора» для построения диаграммы управляемости в натурных условиях;

Обоснованность и достоверность результатов.

- Новые интересные явления в динамике водоизмещающего судна получены в результате исследования обоснованной математической модели с применением методов теории управления, бифуркационного подхода, математического моделирования ;

- Полученные новые результаты (автоколебания, спад управляемости, преодоление потери управляемости) согласуются с известным, из практики судовождения, поведением судов в натурных условиях;

- Предложенный интеллектуальный алгоритм со стимулятором автоматически подстраивается под изменение внешних условий, подобно действиям опытного судоводителя, описанным в литературе;

- Исследования проводились в рамках выполнения проекта при поддержке РФФИ (проект №04-01-00815а, 20042006гг.).

Практическая ценность.

- Результаты работы могут быть использованы при создании современного интеллектуального авторулевого для речных водоизмещающих судов;

- Представляется возможным использовать стимулятор в судовых тренажерах для сравнения качественных показателей ручного управления судном и автоматического управления при различных внешних воздействиях.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

VII-ой Всероссийской научной конференции: Нелинейные колебания механических систем, Н.Новгород 2005г. Международном конгрессе «Великие Реки - 2005г», Н.Новгород.

Всероссийской научно-практической конференции

Актуальные проблемы использования и развития новых информационных и коммуникационных технологий в России», Н.Новгород, 2005 г.

Научно-методической конференции профессорскопреподавательского состава, аспирантов и специалистов, Волжская государственная академия водного транспорта, Н.Новгород,2005г.

10-ой Нижегородской сессии молодых ученых Технические науки, «Березка», Нижегородская область, г. Саров, 2005г.

11-ой Нижегородской сессии молодых ученых Технические науки, Нижегородская область, «Татинец», 2006г. 1Х-ом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, ФГОУ ВПО Нижегородский государственный университет им. Лобачевского, 200 6г. XV-ом Симпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных систем», РАН, Москва - Звенигород, 2006 г. IX Международном семинаре «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления», Москва, ИПУ РАН, 2006 г.

12-ой Нижегородской сессии молодых ученых Технические науки, Нижегородская область, «Татинец», 2007 г. Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Новые технологи водного транспорта», ВГАВТ, Н.Новгород, 2007г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 16 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 111 страниц текста, 83 рисунков, список литературы из 124 наименований.

6.Результаты работы могут быть использованы при создании интеллектуального авторулевого для водоизмещающих судов, а также в судовых тренажерах для сравнения ручного управления судном и автоматического при различных внешних воздействиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена проблеме управления движением водоизмещающего судна в условиях непредсказуемым образом меняющейся внешней среды при ветровом воздействии.

На основе анализа известных уравнений динамики судна и анализа выявленных новых динамических особенностей было. принята базовая модель судна для исследования его динамического поведения при ветре.

В работе использовались классические методы исследования динамических систем, теории бифуркаций, устойчивости систем автоматического управления, методы математического моделирования и численные методы.

1.Обосновано использование базовой модели водоизмещающего судна для исследования его динамического поведения при ветре.

2. Разработана методика исследования структуры цилиндрического фазового пространства водоизмещающего судна при ветровом воздействии.

3.Исследована бифуркационная картина динамического поведения судна при ветре, позволяющая обнаружить и лучше понять его особенности: неоднозначности стационарных режимов, возникновения ветровых автоколебаний, эффектов бифуркационной памяти, спада управляемости судна при некоторых углах курса и скорости ветра.

4.Предложен алгоритм авторулевого с интеллектуальной добавкой, сохраняющий работоспособность при изменении степени устойчивости и загрузки судна. Установлена как его эффективность, так и возможность возникновения статических ошибок.

5.Предложено введение стимулятора в алгоритм интеллектуального авторулевого, в основу которого заложено отображение пространства состояний системы в себя в процессе ее естественного функционирования, обеспечивающее автоматическую подстройку под изменяющиеся внешние воздействия. Показано его преимущество над авторулевым без стимулятора и ПИД авторулевым: Существенное повышение управляемости судна и снижение рыскливости переходных процессов, что приводит к экономии топлива.

1. Айзерман, М.А. Краткий очерк становления и развития классической теории регулирования и управления // М.А. Айзерман. А и Т, 1993, С.5-18.

2. Андронов, А.А. Теория колебаний/ А.А. Андронов, А.А. Витт, С.Э. Хайкин. М. : Физ-мат.изд, 1959. -915 с.

3. Алгоритмы оптимизации проектных решений/Под ред. А.И. Половинкина. М. : Энергия, 1976. - 264 с.

4. Анфимов, В.Н. Устройство и гидромеханика судна / В.Н. Анфимов, Г.Н. Сиротина, А.М Чижов.- J1.: Судостроение, 1974. 368 с.

5. Афремов, А.Ш. Рыскание судов на волнении / А.Ш. Афремов // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 19 66, вып. 232, с.3-20.

6. Ашик, В. В. Проектирование судов: Учебник.-2-е изд., перераб. и доп./ В.В. Ашик. JT. : Судостроение, 1985. — 320 с.

7. Басин ,A.M. Теория устойчивости на курсе и поворотливости судна / A.M. Басин. Л. : ГИТТЛ, 1949. - 176 с.

8. Басин, A.M. Ходкость и управляемость судов / A.M. Басин. М.: Транспорт, 1968. - 175 с.

9. Басин, A.M. Гидродинамика судна / A.M. Басин. -JT.: Речной транспорт, 1969. 553 с.

10. Баутин, Н.Н. Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости / Н.Н. Баутин, Е.А. Леонтович. М.: Наука, 1976.

11. Бахтизин, Р.Н. Оценка порядка линейных объектов по экспериментальной информации/ Р.Н. Бахтизин,

12. A.Р. Латыпов // А и Т. 1992. №3. С. 108-123.

13. Беллман, Р. Методы вычислений: Избранные главы (обзор) / Р. Беллман // А и Т. 1993, №8. С. 3-39.

14. Бенедикт, С. Принятие решений при ненадежной информации / С. Бенедикт // А и Т. 1996. №9. С. 151-162.

15. Березин, С.Я. Системы автоматического управления движением судов по курсу / С.Я. Березин,

16. B.А. Тетюев. -Л.: Судостроение, 1974. 264 с.

17. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов М. : Наука, 1975. - 767 с.

18. Бесекерский, В. А. Робастные системы автоматического управления / В. А. Бесекерский, А.В. Небылов М.: Наука, 1983. - 240 с.

19. Брахман, Т. Р. Многокритериальное^ и выбор альтерантивы в технике / Т.Р. Брахман. М.:Радио и связь, 1984. - 288 с.

20. Булычев, Ю.Г. Системный подход к моделированию сложных динамических систем в задачах оптимизации с прогнозирующей моделью / Ю.Г. Булычев, И.В. Бурлай // А и Т. 1996. №3. С. 34-45.

21. Бунеев, В.М. Обоснование типов грузовых и буксирных судов. Уч. пособие для ВУЗов / В.М. Бунеев. - Новосибирск, 1999. - 75 с.

22. Бусленко, Н.П. Моделирование сложных систем / Н.П. Бусленко М.: Наука, 1978. - 399 с.

23. Ваганов, Г.И. Экспериментальные исследования сопротивления воды движению секционных составов / Г.И. Ваганов // В произв. технич. сб. МРФ РСФСР, вып. 97, 1971. 32 с.

24. Вагнер, Г. Основы теории исследования операций. Т.З. / Г. Вагнер М.: Мир, 1973. - 501 с.

25. Войткунский, Я.И. Справочник по теории корабля. Судовые движители и управляемость / Я. И. Войткунский, Р.Я. Першиц, И.А. Титов. J1. : Судостроение, 1973. 321 с.

26. Васильев, А.В. Управляемость винтового судна / А.В. Васильев, В.И. Белоглазов. М.: Транспорт, 1966. 167 с.

27. Васильев С.Н. От классических задач регулирования к интеллектуальному управлению I/ С.Н. Васильев // Изв. Рос. АН. Теория и системы управления. 2001. - №1. - С.5-22.

28. Васильев С.Н. От классических задач регулирования к интеллектуальному управлению II/ С.Н. Васильев // Изв. Рос. АН. Теория и системы управления. 2001. - №2. - С. 9-27.

29. Васильев, А.В. Управляемость судов: Уч. пособие для ВУЗов / А.В. Васильев. JI. : Судостроение, 1989. - 328 с.

30. Вицинский, В.В. Основы проектирования судов внутреннего плавания / В.В. Вицинский, А.П. Страхов Д.: Судостроение, 1970. 454 с.

31. Войткунский, Я. И. Управляемость водоизмещающих судов: Справочник по теории корабля/ Я. И.

32. Войткунский JI.: Судостроение, 1985. - Т.З. - 544 с.

33. Войткунский, Я.И. Справочник по теории корабля. Судовые движители и управляемость / Я.И.Войткунский, Р.Я.Першиц, И.А.Титов. JI.: Судостроение, 1973. - 512 с.

34. Войткунский, Я.И. Справочник по теории корабля. Ходкость и управляемость/ Я.И.Войткунский, Р.Я.Першиц, И.А.Титов. JI.: Судпромгиз, I960. 688 с.

35. Воронов, А.А. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость / А.А. Воронов, М.: Наука, 1979. -336 с.

36. Гидродинамика судов на мелководье. Басин A.M., Веледницкий И.О., Ляховицкий А. Г. Л.: Судостроение, 1976. - 320 с.

37. Гофман, А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. Справочник / А. Д. Гофман. -Л. .-Судостроение, 1988. 360 с.

38. Гофман, А.Д. К анализу движения неустойчивого судна на прямом курсе / А. Д. Гофман // В сб. Актуальные вопросы динамики корабля. Материалы по обмену опытом. Л.: Судостроение, 1974, вып. 221, с. 45-53.

39. Гофман, А.Д. Основы теории управляемости судна: Курс лекций / А.Д. Гофман. СПб: СПГУВК, 1999. -100 с.

40. Гофман, А. Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания / А. Д. Гофман. Л.: Судостроение, 1971.- 182 с.

41. Дехтяренко, В.А. Методы многокритериальной оптимизации сложных систем при проектировании /

42. B.А. Дехтяренко, Д.А. Своятыцкий. Киев, изд-во АН УССР. 1976. - 41 с.

43. Джилмер, Томас С. Проектирование современного корабля / Томас С. Джилмер. Л.: Судостроение, 1984. -280 с.

44. Еремин, И.И. Противоречивые модели оптимального планирования / И.И. Еремин. М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 160 с.

45. Коган, В. И. Исследование гидродинамических характеристик грузовых судов на глубокой и мелкой воде / В.И. Коган, А.Д. Гофман //Тр. ин-та/Ленингр. ин-т водн. трансп. Л.:Транспорт, 1968, Вып. 118.1. C. 50-59.

46. Коновалов, В.П. О нормировании эксплуатационной устойчивости судов на курсе / В.П. Коновалов // Тр. Горьк. ин-та инж. водн. тр-та, 1982, вып. 191, с. 24-32.

47. Короткин, А.И. Присоединенные массы судна / А. И. Короткин. JI.: Судостроение, 1986.

48. Красовский, А. А. Науковедение и состояние теории процессов управления (обзор)/ А.А. Красовский // А и Т, 2000, №4, с.3-19.

49. Круг, Г.К. Планирование эксперимента в задачах идентификации и экстраполяции / Г. К. Круг, Ю.А. Сосулин Ю.А., В.А. Фатуев. М. : Наука, 1977. -231 с.

50. Кузьмин, Л.П. Расчет элементов горизонтального движения и угла крена судна при выходе на циркуляцию / Л.П. Кузьмин, Р.Я. Першиц, Е.В. Юдин // Тр. ЦНИИ им. акад. А.И. Крылова, 1959, вып. 136, с. 14-25.

51. Куряков, Я.А. Исследование начальной неуправляемости и авторулевых систем неустойчивых на курсе судов / Я.А. Куряков.

52. Лаврентьев, В.М. Судовые движители / В.М. Лаврентьев. Л.: Морской транспорт, 1949.

53. Ламмерен-Ван, Троост Л. Сопротивление, пропульсивные качества и управляемость судов. (Пер. с англ.) / Троост Л. Ламмерен-Ван, Д. Коннинг. -Л.: Судпромгиз, 1950. 387 с.

54. Ларичев, О. И. Наука и искусство принятия решений / О.И. Ларичев. М.: Наука, 1979. - 200 с.

55. Ларичев, О.И. Человеко-машинные процедуры принятия решений / О. И. Ларичев // Автоматика и телемеханика, 1971, № 12, с. 130-142.

56. Лебедев, Э.П. Средства активного управления судами / Э.П. Лебедев, Р. Я. Першиц, А. А. Русецкий и др. Л.: Судостроение. 1969.

57. Лернер, Т.М. Управление морскими объектами / Т.М. Лернер, Ю.А. Лукомский. Л.: Судостроение, 1979. - 271 с.

58. Ли, Э.Б. Основы теории оптимального управления / Э.Б. Ли, Л. Маркус. М.: Наука, 1972.

59. Мастушкин, Ю.М. Управляемость промысловых судов / Ю.М. Мастушкин. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.

60. Немзер, А. И. Применение руля нетрадиционного типа для улучшения характеристик управляемостипрогулочного судна / А. И. Немзер, В. В. Сергеев, А. В. Юрканский // СПб., Морской вестник. №4(16), 2005. С.84-87.

61. Ньюмен, Дж. Морская гидродинамика / Дж. Ньюмен. JI.: Судостроение, 1985. - 368 с.

62. Острецов, Г.Э. Испытание системы автоматического управления движением судна по заданной траектории/ Г.Э. Острецов, A.M. Клячко, Г.М. Довгоброд, Э.В. Дюжев // Судостроение №4, 2000. с. 37-39.

63. Острецов, Г.Э. Метод прогнозирования фазового состояния судна специального назначения/ Г.Э. Острецов, A.M. Клячко // Судостроение №6, 2001. -с. 43-44.

64. Павленко, В. Г. Маневренные качества речных судов / В.Г. Павленко. М.: Транспорт, 1979.

65. Павленко, В.Г. 16 лекций по управляемости речных судов / В. Г. Павленко, В.В. Саленек. Новосибирск. НИИВТ, 1970.

66. Першиц, Р.Я. Проектировочный расчет площади руля судна / Р. Я. Першиц // Судостроение, 1981, №10, с. 10-11.

67. Першиц, Р.Я. Управляемость и управление судном / Р.Я. Першиц. JI.:Судостроение, 1983. - 272 с.

68. Першиц, Р.Я. Об управляемости судна на течении / Р.Я. Першиц, А.И. Немзер // Труды НТО Судпрома, 1971, вып.169, с.4-8.

69. Першиц, Р.Я. Выбор кормового подзора и площади руля судна с помощью второй критической точки диаграммы управляемости / Р.Я. Першиц, Е.Б. Юдин // Судостроение,1968. №6. С. 5-10.

70. Подиновский, В.В. Коэффициенты важности критериев в задачах принятия решений. Порядковые или ординальные коэффициенты важности / В.В. Подиновский // Автоматика и телемеханика, 1978, № 10, с. 130-141.

71. Попов, А. В. Математическое моделирование траектории установившейся циркуляции судна при ветре / А.В.Попов, М.И.Фейгин // Вестник ВГАВТ. -Межвузовская серия: Судостроение. Н.Новгород. -2004. - с. 171 - 174.

72. Попов, А.В. Моделирование режимов движения при ветре / А.В.Попов, М.И.Фейгин // Вестник ННГУ им. Н.И. Лобачевского. Серия: Математическоемоделирование и оптимальное управление. Н.Новгород. 2004. - С. 152-159.

73. Попов, А. В. О повышении управляемости судном при ветре / А.В. Попов, М.И. Фейгин // VII Всероссийская научная конференция: Нелинейные колебания механических систем. Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ННГУ им. Н.И. Лобачевского. - 2005. -С.394 - 396.

74. Попов, А.В. О рождении и исчезновении стационарных режимов движения судна при ветре / А.В.Попов // XI-я Нижегородская сессия молодых ученых. Математические науки: Материалы докладов. -Н.Новгород: Изд-во Гладкова О.В. 2006г. - С.39-40.

75. Попов, А. В. К построению диаграммы управляемости судна при ветре в натурных условиях /

76. A.В. Попов, М.И. Фейгин // IX Международный семинар им. Е.С.Пятницкого: «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления». ИПУ им.

77. B.А.Трапезникова, РАН. Москва: Изд-во ИПУ РАН. -2006г. - С.272-274.

78. Попов, А.В. О повышении качества управляемости судна при ветре / А.В. Попов, М.И. Фейгин // Вестник ВГАВТ. Межвузовская серия: Моделирование иоптимизация сложных систем. Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ». 2007. - Вып. 18. С.

79. Попов, А.В. Оценка качества управления судном при ветре авторулевым со стимулятором //11-я Нижегородская сессия молодых ученых Технические науки, Нижегородская область, п/о «Татинец», 2007.

80. Попов, С. А. Автоматизация производственных процессов на водном транспорте: Учебник./ С.А. Попов, Ю.М. Кулибанов, Ю.Н. Ковалев. М. : Транспорт, 1983. - 240 с.

81. Поспелов, Д.А. Ситуационное управление. Теория и практика / Д.А. Поспелов М. : Наука, 1986г, 314 с.

82. Преображенский, А.В. Чувствительность показателей управляемости к изменению параметров корпуса судна / А. В. Преображенский // Моделирование и оптимизация сложных систем. Межвуз. сб. научн. трудов. Вып. 285. Н.Новгород. 1999. С.137-142.

83. Преображенский, А.В. О взаимозависимости параметров диаграммы управляемости водоизмещающего судна / А.В. Преображенский // Моделирование и оптимизация сложных систем. Межвуз. сб. научн. трудов. Вып. 285. Н.Новгород. 1999. С.131-136.

84. Преображенский, А. В. Эффект бифуркационной памяти в динамике судна / А.В. Преображенский, В.В. Сатаев, М.И. Фейгин // Проблемы машиностроения и динамики машин РАН.-2001.-№3. С.104-107.

85. Руа, Б. Проблемы и методы принятия решений в задачах с многими целевыми функциями / Б Руа. В сб. переводов: Вопросы анализа и процедуры принятия решений.- М.: Мир, 1976, с. 20-58.

86. Рыжов, JI.M. Маневренность речных судов и составов / Л.М. Рыжов, Н.Ф. Соларев.

87. М.:Транспорт, 1967. 144 с.

88. Соларев, Н.Ф. Безопасность маневрирования речных судов и составов / Н.Ф. Соларев. М. : Транспорт, 1980,. - 125 с.

89. Соболев, Г. В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения / Г.В. Соболев. Л.: Судостроение, 1976. - 477 с.

90. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания/Под ред. Я. И. Войткунского. Л.: Судостроение, 1985. - 544 с.

91. Средства активного управления судами /Э.П.Лебедев, Р.Я. Першиц, А. А. Русецкий и др. Под общ. ред. А.А. Русецкого. Л.: Судостроение, 1969.

92. Теория автоматического управления: Нелинейные системы, управление при случайных воздействиях: Учебник/ Нетушил А.В., Балтрушевич А.в., Бурляев

93. B.В. и др. М.:Высшая школа, 1983. - 432 с.

94. Федяевский, К.К. О рациональной оценке необходимой степени курсовой устойчивости судна / К.К. Федяевский. В кн.: Избранные труды. Л.: Судостроение, 1975. - С.384-407.

95. Федяевский, К. К. Управляемость корабля / К.К. Федяевский, Г.В. Соболев Л.: Судпромгиз, 1963.

96. Фейгин, М.И. Автоколебания судов в угле рыскания / М.И. Фейгин // Тр. ин-та / Горьк. ин-т инж. водн. тр-та, 1980, вып. 174, с.3-28.

97. Фейгин, М.И. К теории движения неустойчивого на прямом курсе судна / М.И. Фейгин, М.М. Чиркова // Изв. АН СССР. МТТ, 1982, №1, с.66-72.

98. Фейгин, М.И. О существовании области пониженной управляемости для судов, неустойчивых на прямом курсе / М.И. Фейгин, М.М. Чиркова // Изв. АН СССР. МТТ, 1985, №2, с.73-78.

99. Фейгин, М.И. Зарождение и эволюция диаграммы управляемости при ветре/ М.И. Фейгин // Вестник ВГАВТ Межвузовская серия моделирование и оптимизация сложных систем: Новые информационные технологии и развитие образования, Н.Новгород, 2005 г, С.9-17.

100. Фейгин, М.И. К определению косвенным методом критического угла перекладки руля в натурных условиях / М.И.Фейгин // Вестник ВГАВТ. Межвузовская серия: Моделирование и оптимизация сложных систем. Н.Новгород. - Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ. - 2004 г. - С.9-14

101. Хойер, Генри X. Управление судами при маневрировании / Генри X. Хойер. М. : Транспорт, 1992. - 101 с.

102. Чиркова, М.М. Пути повышения качества авторулевого для речных водоизмещающих судов/ М.М. Чиркова, А. В. Преображенский // Тр. XXII расширенного заседания Совета по управлению движением морских судов и аппаратов / ИПУ РАН. М.- 1995. С.67-71.

103. Чиркова, М.М. Результаты натурных испытаний цифрового авторулевого / М.М. Чиркова, А. В. Преображенский // Судостроение. 1992. №11-12.

104. Шлейер, Г.Э. О математической модели движения судна / Г.Э. Шлейер// Отчет ОКР и ИР, №0182.052892.- М.:Институт проблем управления, 1983. 27с.

105. Шлейер, Г.Э. Способ управления курсом речного судна / Г.Э. Шлейер. Институт проблем управления. Авторское свидетельство №758902. БОИ, 1981, № 133.

106. Шлейер, Г.Э. Управление движением морских и речных судов / Г.Э. Шлейер, В. Г. Борисов // Препринт. М. : Институт проблем управления, 1981.- 62с.

107. Шмаков, М.Г. Рулевые устройства судов: (Проектирование и расчет)/Под научн. ред. П.П. Краковского / М.Г. Шмаков. JI.: Судостроение, 1968 .

108. Amerongen J. Van, Haarman J.C., Verhage L.W. Mathematical modelling of ships. Proceeding of the 4th Ship Control Systems Symposium, Netherlands, 1975, v.4, p.4-163.

109. Eds, M.M. Intelligent Control Systems: Theory and Applications/ M.M. Eds, N.K. Gupta, N.Y. Sinha // IEEE Press. 1996.

110. Feigin, M.I. Emergencies as a manifestation of the effect of bifurcation memory in controlled unstable systems / M.I. Feigin, M. A. Kagan // International Journal of Bifurcation and Chaos, Vol. 14, No. 7 (2004) 2439-2447.

111. Hwang, Wei Yuan. Cancellation effect and parameter identifiability of ship steering dynamics. "Int. shipbuild. Progr.", 1982, 29, N 332, p.90-102.

112. Kose K. On a new mathematical model of maneuvering motions of a ship and its applications/ K. Kose // International Shipbuilding Progress. -1982. №336. - P.205 -220.

113. Naoya, Umeda Nonlinear dynamics of ship capsizing due to broaching in following and quartering seas/ U. Naoya // Marine Science and Technology. 1999. - №4. - P. 16-26.

114. Nguyen, Due-Hung. Designs of self-tuning control systems for ships/ D. Nguyen, J. Park, K. Ohtsu // Nihon kokai gakkai ronbunshu = J. Jap. Inst. Navig. 1998-99. - C.235-245.

115. Ogawa, A. On the mathematical model of maneuvering motion of ships/ A. Ogawa, H. Kasai // International Shipbuilding Progress. 1978. Vol.25. - №292. - P.306-319.

116. Ohtsu, Kohei. A proposition of statistical operation of ship. 4/ Kohei Ohtsu // Nihon kokai gakkaishi = Navigation. 2000. - №143. - C.180-190.

117. Volta E. Experimental test and determination of the rudder response of some different ships/ E. Volta // Electrotehnic. - 1978. - №3. - P. 160-163.