автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методов идентификации и управления движением неустойчивого на курсе объекта со скрытыми динамическими особенностями

РГ5 ОД

с. 3 [;./,р р."" На пРавах рукописи

ЧИРКОВА Л\аргарита Макаровна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ НЕУСТОЙЧИВОГО НА КУРСЕ ОБЪЕКТА СО СКРЫТЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ

(на примере речных водоизмещающих судов) 05.13.01 — Управление в технических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

дсгтера технических наук

Н. Новгород

19 9 8

Работа выполнена на кафедре информатики и автоматизации производственных процессов Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ, г. Нижний Новгород).

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Пакшин Павел Владимирович, Арзамас-

доктор технических наук, профессор Скороходов Д. А., ИПТ РАН, С-Петербург;

доктор технических наук, профессор Городецкий Ю. И., НГУ, Н-Новгород.

Ведущая организация — Институт проблем управления РАН (г. Москва).

Защита состоится «<?3 » ^¿¿¿гр*®-' 1998 г.

в ....."Т^....... часов на заседании диссертационного совета

Д.063.85.02 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан ....... 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Иванов

Тип. ВГАВТа, 1993 г., зак. 27, тир. 100. Объем 2 п. л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ И ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Повышение качества процесса управления сложными техническими устройствами невозможно без детального изучения свойств объекта и поиска новых алгоритмов управления,использующих эти свойства. Известно,что исследование свойств и решение задачи управления усложняется, если динамика объектов описывается нелинейными дифференциальными уравнениями, структура и параметры которых существенно зависят от состояния внешней Среды. У рассматриваемого класса объектов неоднозначны не только собственные , но и вынужденные каз? установившиеся состояния, так и переходные процессы. Когда такой объект является подвижным, то процесс управления может потребовать лишних затрат энергии и быть не безопасным, если нет достаточной информации о текущем состоянии объекта (что возможно при неполностью измеряемом наборе координат состояния) и его специфические свойства недостаточно изучены. Широко распространенными, но мало изученными с точки зрения статико-динамических особенностей и влияния внешней Среды на свойства объекта являются речные водоизмещагаие суда, неустойчивые на курсе и функционирующие в среде непредсказуемых быстроменяющихся внешних помех.

Актуальным направлением повышения эффективности работы системы управления таким объектом в смысле увеличения скорости его движения, уменьшения энергии на управление, повышения безопасности движения является реализация внутренних ресурсов объекта.

Среди проблем, возникающих при изучении динамики таких объектов и требующих решения,необходимо отметить следующие: 1} разработка специальной методики проведения экспериментов над объектом в условиях ограниченного пространства и времени а процессе его нормальной эксплуатации; 2)определение математической модели '"объект-Среда", адекватно отрая&кщей реальные процессы; 3) разработка эффективного спо-

с оба представления результатов моделирования или натурных экспериментов по оценке с та тико-динамических особенностей объекта •

Первая проблема возникает в связи со спецификой объекта - речное водоизмещакщее судно реально функционирует в среде , которая постоянна в окрестности небольшого водного пространства и на коротком интервале времени. Это требует специальной методики изучения динамики объекта, выявлению офыгых, редко проявляемых свойств, некоторые из которых усложняют процесс управления, иногда приводят к катастрофическим последствиям, другие, наоборот, способствуют существенному улучшению качества процесса управления и значительной экономии энергии. * .

Вторая проблема связана с невозможностью отделить математическое описание объекта и Среды. Объект существует в Среде и с её изменением, как показали натурные испытания, математическая модель и, соответственно, свойства объекта меняются. Адекватность структуры математической модели объекта без учета изменений внешней среды непосредственно зависит от квалифицированно выполненного учета всех сил и моментов, действующих иа объект и этот вопрос можно считать решенным [ работы Афремова А.Ш., Васина A.M., Войткунского Я.И.» Гофмана А.Д.,Зайкова В.И.,Kose K,Noiroto, Острецова Г.Э., ПершицаР.Я.,Русецкого A.A.,Соболева Г.В., Тумашика. А.П., Юдина Е.Б.и др.].Однако вопрос создания простой модели и, в то же время, адекватно отражающей динамику объекта при различном состоянии Среды, остается открытым. К£оме того для оценки параметров (коэффициентов) математической модели , требуются полномасштабные эксперименты в ограниченных пространственно-временных условиях и решение проблемы "восстановления" неизмеряемых координат состояния.

Третья проблема связана с тем, что существушие способы отображения информации - частотные, временные характеристики и фазовые отображения, как показал опьгг работы с судами, не достаточно информативны и наглядны, а некоторую информацию, такую _как расположение и размеры, исчезновение и возникновение под влиянием внешней Среды областей различной управляемости объекта ,

с помощью этих способов практически получить невозможно.

Решение этих проблем позволит разработать способ управления состоянием подвихных объектов,- ис-пользующМ их внутренние резервы, работоспособный при любом состоянии внешней Среды, допускаюцей движение, гмнимизирукщий время выхода объекта из слота ситуаций и обеспечивающий минимум расхода, энергии на управление.

Надо отметить, что рассмотренные проблемы присущи любым движущимся объектам, функционирующим в быстроменяющейся среде и неустойчивым на заданном направлении.

Этим взаимосвязанным проблемам идентификации, исследования особенностей, отображения результатов исследования и разработке на этой основе способа управления движением объекта, оптимального с точки зрения быстродействия, минимума затраченной энергии и безопасности движения посвящена данная диссертационная работа.

Постановка такого комплекса проблем связана с выполнявшимися автором в течение последних десяти лет разработками способов проведения натурных экспериментов по выявлению статико-динамических особенностей , составлению и испытанна на различных типах речных судов самонастраивающегося амплитудно-широтно-импульсного логического алгоритма управления, учитывающего собственные свойства объекта .

Объектом исследования является: подвижный объект, в частности, неустойчивое на курсе водоизметакщее судно, функционирующее в условиях быстро и непредсказуемы* образом меняющейся внешней среды.

Препмет исследования', проблемы идентификации математической модели и "восстановления" неизмеряемой координаты состояния I методюеи моделирования и проведения натурных испытаний по выявлению особенностей динамики объектов/ способы управления различными режимами движения, использующие скрытые свойстван неустойчивого на курсе объекта,

Целио нсслодова}у±я является создание алгоритма работы авторулевого, работоспособного при любом состоянии внешней Среды, допускающей судовождение, минимизирующего рысканье судна около заданного направления и гопп*-

стио перекладок рулевого органа. Это позволит повысить скорость и безопасность движения и уменьшить затраты энергии на управление.-

Достажа-п-ге цели исследования включает в себя решение следующих задач:

- создание метода структурной и параметрической идентификации математической модели и "восстановления" «©измеряемой координаты состояния по результатам натурных испытаний;

- разработку алгоритмов тестирования модели . при маимнном илл объекта при натурном экспериментах для оценю! скрытых статико-динамических особенностей;

создание самонастраивающегося амллитудно-широтно-икпульсного логического алгоритма, .включающего элементы ситуационного управления и использующего скрытые динамические особенности объекта;

- испытания- авторулевого с разработанным алгоритмом на речных судах различных проектов.

Методическую к теоретшеакую базу диссертационной работы составляют подходи к решению задач идентификации подвижного нелинейного объекта с неизмеряемой координатой состояния, метода анализа свойств и управления его состоянием. При выполнении исследований автор - опирался на работы отечественных и зарубежных ученых в области теории управления нелинейными и подвижными объектами : • Айзермана М. А.,,/ищронсва A.A., Арнольда В.И,,Афремова А.Ш.,Басила A.M.,БесекерскогоВ.А., Воронова A.A., Воротникова В.И., Гилмора Р., Гофмана А.Д., Зубова В.И., Клыкова D.H., Красовского A.A.,басовского H.H., Красносельского H.A., фотона В.Ф., Кузнецова H.A., Куржанского А.Б., Летова A.M., Лукомского Ю.А., Миллера В.М., Ней-марка Ю.И.,Павлова В.В., Первозванского A.A., Першица' Р.Я., Поспелова Д.А., Румянцева В,В.,Рутковского В.Ю., Соболева Г.В., Федяевского К.К, Фейгина М.И., Фельдбаума A.A., Фрейдзона И.Р., Цыпкина Я.Э., Черноусько Ф.М., Inoue Z., Diffmar P.J., Kose N., Ljung L., Noiroto K., VoltaE., сотрудников отдела ИЛУ РАН, возглавляемого ранее Кузнецовым H.A., в настоящее время Павловым В.В. .

Научная новизна и ценность основного результата диссертационной работы состоит в следующих, выносимых на защиту, компонентах!

б

1. Разработан способ структурной и параметрической идентификации математической модели подвижного объекта и "восстановления" неизмеряемой координаты состояния. Разработанный способ позволяет по результатам эксперимента, проведенного в условиях рабочего режима движения , в ограниченном пространстве и времени, выяснить вид нелинейности объекта, порядок (1-ый или более-; его дифференциального уравнения и идентифицировать *х>-эффиииенты полной модели, включающей неизмеряемые координаты состояния,

2. Разработана методика проведения натурных и машинных испытаний по определению расположения и размеров областей различной управляемости объекта - нелинейных эффектов , учет которых в алгоритме повышает надежность процесса автоматического управления движением и увеличивает- быстродействие ввода объекта в заданное состояние.

3. Предложен способ представления информации по . результатам экспериментов в пространстве "координата со-стояния-управление-время" (З-и^ пространство) для отображения областей допустимых и опасных состояний, объекта.

4. Предложен способ ввода объекта в стационарное неустойчивое типа седла состояние с нулевыми значениям! измеряемых и неизмеряемых координат и остаточным управлением, величина которого неизвестна и определяется внешней Средой.

5. Разработан и испытан самонастраивающийся логический алгоритм управления из класса амшютудно-широтно- импульсных, позволяющий минимизировать затраты энергии на управление, повышать скорость поступательного движения, за счет спрямления траектории движения и уменьшения лобового сопротивления даия;ешя>, и работоспособного при любых внешних условиях, допускающих движение судна.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечена вычислительными исследованиями и натуршеми экспериментами, а также реализацией основных защищаемых положений в ряде внедренных прикладных разработок, прошедших испытание на различных проектах речных водоизме-щаюших судов в 1990-1995 г.г.

Практическая значимость к ценность диссертационной работы определяется создлнньм методически-! обеспечением

дня исследования динамических особенностей подвижного объекта с помощью машинных или натурных экспериментов, анализом связи некоторых конструктивных параметров объекта с особенностями его динамики; обнаружением свойств, использование и учет которых при разработке способа управления позволил составить алгоритм , обеспечивающий показатели качества близкие к оптимальным.

Реализация . результатов. Материалы диссертации представляют собой теоретическое обобщение подходов к решению взаимосвязанного набора практических задач Идентификации, исследования динамики и разработки алгоритма управления неустойчивым на курсе объектом, реализованием в разработанном при руководстве и участии автора и опробованном на различных марках речных водоизмещающих судах авторулевом.

Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с координационными планами научных исследований Департамента речного флота,, целевой комплексной программой КГНТ СССР "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, станками и оборудованием с применением мини- и микроэвм, поддержаны грантами Российского фонда фундаментальных исследований (93-013^16253, программы 1993-95г.). Прикладные разработки осуществлялись в рамках планов тем бюджетных и хоздоговорных работ Волжской • государственной академии водного транспорта, Департамента речного транспорта, Волжского объединенного речного пароходства.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на факультетах ВГАВТ.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

ХУ1, ХУ1И, XIX и последующих н-т конференциях проф.-преп. состава ГИИВТ. - Горький, 1972, 1975, 1976 - 1996 гг., 1У координационном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана" (г.Севастополь, 1983г.), н-т конференции ученых Горьковского региона. - Горький, 1984, семинарах по управляемости судов Волжско-Камского отделения НТО им. А.Н. Крылова (г.Горький, 1984-85гг.), ХУ всесоюзной научно-технической конференции "Очередные

задачи судостроения"(г.Горький, 1985г.),Всесоюзной кон-

ференции по нелинейным колебаниям.-Москва,1987, У Че-таевской конференции "Аналитическая механика, устойчивость, управляемость".- Казань,1987, на 14,16,18,19,21, 22 расширенных заседаниях Совета по управлению движением морских судов и аппаратов, ИПУ РАН, 1987, 1989, 1991, 1992, 1994, 1995 гг., Всесоюзном семинаре "Динамика нелинейных процессов". - Таллин,1987, II Всесоюзной конференции "Нелинейные колебания механических систем". - Горький, 1990, VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике.-Москва,1990, III Межгосударственной конференции "Нелинейные колебания механических систем".Н-Новгород,1993, Всероссийской научно-технической конференции "ТРАНСКОМ - 94, "Управление и информационные технологии на транспорте",С-Петербург,1994, IV конференции "Нелинейные' колебания механических систем". -Н-Новгород, 1996, на семинарах в ИПУ РАН (г.Москва, 1985,1996гг.), на расширенном семинаре при кафедре высшей математики ИГАСА с участием сотрудников кафедр НГТУ, НГАВТ (г. Н.Новгород,1997г.).

Публикации . Результаты, полученные автором по теме диссертации, опубликованы в работах [1 - 22] .

Соавторы: Фейгин М.И.- научный консультант, совместное обсуждение результатов исследований, Преображенский A.B. - разработка и описание аппаратной части авторулевого, Горбунов И.В. (студент) - расчеты различных вариантов поставленной задачи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 221 наименований и приложения, содержит 225 страниц, 63 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность исследований, формулируется цель работы , раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приводятся сведения об их апробации и практическом

внедрении на объектах йодного транспорта. Кратко из лагается содержание глав диссертации.

В первой главе "Проблемы идентификации математа-яеекей модели неустойчивого на курсе лодвюшого объекта, функционирующего в среде непредсказуемчх внутренних и внешних помех" предлагаются способы полной идентификации (вид и параметры ) модели для класса подвижных объектов, функционирующих в быстроизме-няющейся внешней среде и имеющих следующие особенности: вид статической характеристики управляемости У(и) в зависимости от состояния- внешней Среды (Е) меняется от практически линейной до нелинейной, Б-образной,с зоной неоднозначности при малых управлениях (рис.1.1}; желаемое стационарное состояние -неустойчивое типа седла, поддерживается управлением и*, знак и величина которого зависят от внешней Среды и могут меняться в значительных пределах; не все координаты состояния у А измеряемые, по причине отсутствия датчиков; между координатами состояния существуют перекрестные связи, силу которых оценить не . представлялось возможным, но по предлагаемой в данной работе методике их (и неизмеряемые координаты) можно оценить с точностью до некоторого неизвестного масштаба.

........-в

в

разделе

1.1

располагать

рассматриваются состояние и проблема идентификации нелинейной модели с неполностью измеряемыми координатами состояния. . Известно, что для решения многих практических задач, связанных с прогнозированием управляемости' , разработкой авторулевых, тренажеров, навигационных систем необходимо математической моделью, описывающей 10

йкЛЛ

движение объекта под действием рулевого органа. В основе традиционных методов составления таких уравнений лежат испытания макетов или (на стадии проектирования объекта) проведение сложных расчетов с использованием фундаментальных законов природы и экспериментальных номограмм. Данная методика разработана сотрудниками ЦНИИ им. Л.Н.Крылова и дает модель вида (1.1) при постоянстве скорости хода, где yi = ®(t) - угловая скорость рысканья объекта около заданного направления, у2 = P(t) -угол дрейфа - угол между диаметральной плоскость» и вектором поступательного движения судна, U- управление (перекладка руля), U* -"остаточное" управление (величина которого зависит от состояния внешней Среди) , необходимое для поддержания неустойчивого состояния равновесия с нулевыми значениями фазовых координат. Коэффициенты q, г, s - гидродинамические параметры, характеризующие корпус и движительный комплекс.

dP(t)/dt+q21 P(t)+Hl (Р) ~-rJX co(t)- З21 (U(t)-U*(F)) , dro(t)/dt(t)+r3IcotH2 (со) =-qMp{t)-s31 (U(t)-U*(F)), (1.1) lll(p)=h2plpl , H2-0. _

При построении модели необходим компромисс между желанием учесть все силы и моменты, действующие на объект при его движении, и попыткой ограничится уравнением, наиболее простым для исследования . Упрощение уравнений так же, как и применение приближенных методов исследования, может привести к потере некоторых физических особенностей поведения реального объекта, в то время как усложнение - к приобретению свойств, не присущих данному объекту. Поэтому после ввода в эксплуатацию свойства объекта и его модель необходимо перепроверять. Для этого существуют методы, позволяющие при заданной структуре уравнений получать коэффициенты модели для функционирующего объекта по результатам натурных испытаний. Однако существующие методики созданы для условия ,

11

когда все координаты измеряемые. Второй недостаток разработанных методик - они требуют большого пространства и продолжительного во времени эксперимента. В случае речных судов это не гарантирует постоянства внешней Среды и,соответственно, чистоты полученных результатов. Задача состоит в том, чтобы в любой по желанию оператора момент, не занимая большого пространства и времени , не отклоняясь от рабочего режима движения, не изменяя сильно состояние объекта , провести полную его идентификацию - вид характеристики управляемости (статической характеристики) , порядок и коэффициенты его дифференциального уравнения - для неустойчивого на курсе судна уравнение вида (1.1), для устойчивого, предлагаемая в данной работе, модель вида (1.2) .

dß/dt + q21ß + Hl(ß) = -r21üö - s21(U-U*) ,

doo/dt + q3i<ö+ H2 (со) = -r31ß- s3i (U*), (1.2)

Hl(ß) = hw ß)ß) + h22 ß3, H2(co) =h3J со)©| +h32 со1

Кроме того, классическое описание

"математическая модель объекта в идеальных условиях " + " математическое описание Среды" заменяется моделью "объект + Среда". Остается по результатам испытаний определить, в каком диапазоне меняются вид и параметры модели при изменении внешней Среды от идеальной до предельно допустимой.

В разделе 1.2 дается методика проведения натурных испытаний для структурной идентификации объекта (общая идентификация или идентификация "в большом") - определения вида нелинейности и порядка (1-ый или выше) дифференциального уравнения модели. Предлагается следующий способ определения вида зависимости СО (U)— количества и расположения устойчивых и неустойчивых ветвей характеристики управляемости - по результатам медленного ( это принципиально, см. материал глэеы III) сканирования статико-

12

динамической плоскости СО (и, . Сканирование выполняют следующим образом (рис.1.2): перекладывается руль на величину, обычно используемую для режима стабилизации.Эта величина принимается за началь-

Й1С.12

кое максимально допустимое управления и о доп = + и о доп • Удерживают руль в таком положении до тех пор, пока по осциллограмме СО (Ь) не станет видно, что скорость поворота выходит на величину предельно допустимую для заданного режима . Эту величину запоминают как начальную- +ю0доп • После чего руль медленно со скоростью почти на порядок меньший , чем возможная скорость для данного рулевого привода, перекладывают на противоположный борт -и0 ДОп и дожидаются, пока скорость «>((:) не достигнет значения, приблизительно равного -со0 доп. Первый такт (виток) сканирования окончен. В следующих тактах вся процедура повторяется, но допустимые значения иояоп., Модоп уменьшают на величину 5 , приблизительно равную (0.1- 0.2) от начального значения 1Г и «В . Для 1-го такта имеем

<И1дол =Ш0доп —1'8б&, и 1

доп

■и,

О ДОП

-Л 5 и, и 1 (Ь) -/сШ/^ сИ:.

Перекладка руля, например, с + на - происходит при выполнении условий:

сШ/с^

+ С, если и А(<:) <

доп

И СО 1 <(0

1 доя

0, если 1(t) | и1доп1 и И*. < йсзп, (1-3) -в, если (ос>12 С01 доп) и (здп Ш х) =здп ( оа г ) ) .

По полученной осциллограмме СО [ я ) строится стз-тико-динамнческий портрет СО(и, Ь) , точки ит осщ:л-

13

лограммы со(1:) выбираются через промежутки времени 1-5 секунд - период достаточный, чтобы увидеть изменение в управлении(и )и угловой скорости рысканья (со). Для большинства исследуемых судов в районе малых управлений и скоростей С-Д портрет выглядит аналогично представленному на рис.1.3. Если на каждом

витке выделить точки, где сумма всех действующих сил и моментов равна нулю, те.е Зоо/с1Ь .= О, то на портрете вырисовываются две устойчивые ветви характеристики £й(и) и одна неустойчивая - пунктирный участок характеристики ю(и). Аналогичную характеристику дает модель (1.1).

Для объектов, устойчивых на курсе, вероятен вариант "скрытой" неустойчивости. В этом случае на статико-динамическом портрете при медленном сканировании плоскости со (и) просматриваются три устойчивые ветви характеристики , рис. 1.4. Наибольшее количество изображающих точек скапливается в районе устойчивых ветвей характеристик. Для таких объектов работает модель (1.2) . Таким образом, достаточно простым экспериментом - медленным- сканированием статической плоскости со (и) ( судно при этом оставляет на воде след, напоминающий "ёлочку") , можно оценить вид характеристики управляемости и тем самым вид нелинейности математической модели. .

В разделе 1.3 предлагается методика оценки параметров модели по результатам натурных испыта-

14

ний Рассматривается модель (1.1), где переменная Р ¡зляется неизмеряемой величиной.

Предлагается следующий путь оценки рпо осциллограммам со (I) .Воспользуемся аппаратом фазовой плоскости (Р, со) .На плоскости (р-со) желаемому состоянию равновесия объекта (Р=0, <£У=0,И=0) соответствует особая точка типа "седло". Движение к этому состоянию возможно при отсутствии управления и идет по траектории 1 вдоль сепаратрисы С1 (рис.1.5). Начальный участок траектории самопроизвольного ухода из состояния неустойчивого равновесия идет по траектории 2 -линии С2. Ввиду того, что р является неизмеряемой величиной, проведем линию С2 с наклоном к2=4 5° . Таким образом введем новую

величину Р1-оценку р,равную со в начале движения вдоль линии Сг и отличающуюся от реального Р неизвестным масштабом М. Наклон к1 сепаратрисы С1 остаемся неизвестным и будет определяться одновременно с параметрами модели. Относительно переменной Р1 система (1.1) примет вид

- -421 Р1 - г*21 ю-э^и- Ь* р1|р1|,

ско/сЛ- -4*31 Р1 - гз1 ш~5з111, (1.4)

где г*21 -г21 /М, 3*21~®21/М. Ь'-ЬМ, я"з 1~Чэ1 М.

Для траектории типа 1, близкой к сепаратрисе С1, используя соотношение р1=кл со и dpi/dt = kA d<o/dt, получим

q,, + г*л / ki + h* ki o>i= - kx (dffli / dt)/щ,

4» ki + Гц - -(díúi/ dt)/o»i.

(1.5)

Для траектории типа 2,близкой к сепаратрисе С2, используя соотношение Р1=й> и dpí /dt = do>/dt, получим

411 + = /е>2. 4л + га1=-(ё(В2/ ) /йг. (1.6)

Индексы при величине © означают, что экспериментальные данные выбираются из осциллограмм натурных _ .. - экспериментов

UW 2 I

уходи, седла© приход в седло (1>

Др-ртг^лстегД^ ,.... 5 участки характе-I ристики,- представ-^ ^ приход в седго® ЛвННОЙ На рис.1. 6), и>2 > йшг I - уход из. седла (2,6

участки характеристики) . Следующее 9 «¿17 уравнение получим

из условия вьшолне-Рис. 1.6 лия статического

режима при и -0.

Чи Гз| - г*21 q*эl + И* гм кооГЭ1 / q*3ila" О. (1.7)

Таким образом из уравнений (1.4-1.7) находятся коэффициенты я*э!, <121, 1%, Ь" . Для нахождения коэффициента $31 воспользуемся переходными процессами а>^), снятыми при различных перекладках руля. Поскольку начало переходного процесса при нулевых начальных условиях определяется только величиной

управления и коэффициентом , оценим последний

по формуле

531 - -(Лв/<1Ь) / V , (1.8)

полученной из второго уравнения системы (1.1) при ш - Р1-0.

Параметр 3*21 получим из осциллограммы переходного процесса £й(Ь) при и* 0 . Средняя фаза развития переходного процесса соответствует участку 3 (рис.1.5)фазовой траектории,где выполняется соотношение с]р! / с^ = <3а> / Коэффициент 5*21 определим из первого уравнения системы (1.1) :

з*н-(-Ч21Р1-г*н Шз-Ь0р1 1р11-а>э)/ а, где (1.9)

Р1 - (-Гэ1 а>з - эл а - ©з) / я^!.

Расчет коэффициентов начинается с предположения, что лежит в диапазоне -к ...+к . Меняя кх . с некоторым шагом, находим набор коэффициентов ч, г, з, 11 для каждого текэтцего к! и определяем невязку Б =£ (к!.), где Е = 2 ( / с^)2, определяется для

статического состояния (скй/сИ;»»0) при разных управлениях . Типичная зависисмость Б(кх) представлена на рис.1.7 . Значение к1г соответствующее минимуму б, определяет искомый набор коэффициентов.

В разделе 1.4 дана таблица коэффициентов я, г, з, Ъ, рассчитанных по изложенной в данной главе м«тоди-ге для ряда речнйх водсизмрщалцих судов.

Во второй главе * Исследование скрытых динамических особенностей подвижных объектов" показывается, что исследуемый объект обладает нелинейными эффектами, использование которых в алгоритме работы -¡-авторулевого существенно повышает практически все показатели качества управления : увеличивается скорость поступательного движения (за счет спрямления траектории и уменьшения лобового сопротивления движению) , уменьшается допустимая трубка рысканья вокруг заданного направления движения, понижается количество перекладок руля - все это способствует уменьшению расхода энергии на управление движением.

В разделе 2.1 рассматривается вопрос существования эффекта седла и возможности его использования для стабилизации неустойчивого объекта . на курсе, что почти на порядок понижает частоту перекладки руля при тех же отклонениях объекта от заданного направления или на порядок уменьшает ширину трубки рысканья при решении задачи стабилизации подвижного объекта.

Устойчивость на курсе определяется поведением объекта с неотклоненным рулем в окрестности состояния р = со = 0 на фазовой плоскости р - со. Для оценки поведения объекта в указанной окрестности воспользуемся характеристическим уравнением системы (1.1)при Ь - О

Х2+2р >.+ ч - 0, (2.0)

где 2р - <321+ гзх , Ч - 421 - 431 Ггг.

Практически у всех судов выполняется условие : 2р > 0,д < 0. В этом случае корни характеристического уравнения имеют разные знаки

П! -2р и пА < 0, пг * - ч/2р и пг > 0.

Таким образом, желаемое состояние равновесия управляемого объекта является неустойчивым типа седла, приход в седло подчиняется закону СХ6П 1 , уход - Сгб"2 Интерес представляют два крайних случая :

|п! I» п2 и • |пх 1« п2 . (2.2)

Г И^'Р

Рис. 2.0

Для большинства исследуемых судов справедлива первая ситуация, т.е. уход от состояния равновесия

идет медленно, а движение изображающей ТОЧ КИ 1С состоянию равновесия бистро, рис.2.0.Хотя это стационарное сос тояние и является неустойчив™, время нахондения в нем будет тем больше, чем в меньшую окрестность нуля придет изображающая точка. Указанное время становится теоретически бесконечно большим, если движение к началу координат идет точно по сепаратрисе. Это свойство неустойчивого объекта (эффект седла) может быть использовано при удержании объекта в заданном состоянии .

Во втором случае, когда|п! |<< пг, процесс ухода от состояния равновесия раз вивается быстро Суда с

таким фазовым портретом не обладают способностью долго задерживаться п состоянии неустойчивого равновесия с нулевыми значениями фазовых координат и

поведение изображающей точки

.-с С

-01

о.г с.» (и, "Л >

\-0.t Рис. 2.1

в районе седла больше напоминает поведение в районе неустойчивого узла(эффект отталкивания), рис.2. 1 .

1е»

Таким образом условие существования эффекта сепаратрисы имеет вид

| П1 | » П2 или 4 р2> - я , т.е.

+ Г3 )2 » дз Г2- Чг г3 (2.3)

Б разделе' 2.2 показано существование областей пониженной управляемости в фазовом пространстве координат состояния,.

При отклонении руля', не превышающем так называемого критического значения С^ (или ик) > на фазовой плоскости Р - со существуют три особые точки." две устойчивые типа « узел» и неустойчивая типа «седло». В обычной практике судовождения а >а]; . При этом седло, слипшись.с одним из узлов, исчезает и у объекта возможно единственное стационарное состояние , что характерно для устойчивых судов. После слияния седла с одним из узлов и их исчезновения остается фазовое пятно - область состояний с пониженной управляемостью. Скорость изображающей точки внутри этой области может быть существенно меньше скорости той же точки вне ее, и при этом знаки фазовых координат еще противоположны знаку управляющего воздействия. Такие случаи соответствуют потере управляемости объекта на определенном отрезке времени. Характеристика управляемости судов дополняется значением минимального угла перекладки руля а* , при котором исчезают влияние фазового пятна и отличие в поведении устойчизого и неустойчивого на курсе судна. В определенных ситуациях, связанных с безопасностью движения, когда трудно оценить исходное состояние объекта, представляется необходимым формировать управление, в 3-4 раза превышающее критическое значение (й*). Предлагается приближенный метод определения области пониженной управляемости и «*.

В разделе 2, 3 рассматривается возможность длительной потери управления при заниженных скоростях привода руля.

При. обработке результатов натурных испытаний в разной степени, но практически на всех суда;:, били обнаружена моменты, когда для вывода объекта из опасной ситуации лри спокойной внешней среде требовалось значительное увеличение управления.

Под опасной будем понимать ситуацию, когда угловая скорость поворота увеличивается и имеет знак, противоположный управляющему воздействию, рис.1.3, область II. Возможность такой ситуации и дальнейшем подтверждена моделированием. В большей степени ото свойство проявляется, когда скорость перекладки рулевого органа ниже обычной. Способность к длительной потере управляемости может проявиться, когда необходимо сменить знак управления, например, с целью притормозить поворот судна. Угловая скорость после смены знака управления продолжает расти в течение 30-40 секунд, после чего соотношение координат состояния (е,и) делается таким, что изображающая почка статико-динамической плоскости со — и - Ь попадает в фазовое пятно (ФП), рис.1.3, область I -область пониженной управляемости, и ожидаемая смена знака скорости происходит лишь (например, у судна "Волгонефть" ) через 2-5 минут, если перекладывать рули в пределах обычной величины 3- "6°

Причина такой ситуации заключается в следующем. Рассматриваемый объект имеет перекрестные связи между координатами состояния. Исходное уравнение динамики (1.1) может быть представлено в виде

<1Р/С^ + 421 Р+ Ь р|р| =- Г21 Й>-521 и,

¿со/ (|1 + Г31 <Й= -431 р - 531 и. (2.4)

Правая часть уравнений - причина движений: (-Эд и ) -внешняя причина (управление), (—431 Р ) ~ внутренняя (неизмеряемая "помеха"). Таким образом, интересующая нас координата «((:) согласно (2.4) реагирует на два воздействия: одно приходит от руля, другое со стороны координаты угла дрейфа. У большинства асяитуениу.

судов < О, 5з!<0, 321<0, Г21<0 • Если при положительном управлении больше критической величины и> и^р (например, для осуществления правого поворота) координаты сои р росли,то при уменьшении и даже при смене знака управления рост о будет продолжаться до тех пор, пока не выполнится соотношение и -Ез!^ (£)< Р(£) <3з1"

Таким образом, должны существовать суда, у которых чувствительнсть к управлению ( - Эл) слабее, чем чувствительность к внутренним возмущениям (—<331) . В этом случае падение , а тем более смена знака угловой скорости наступает с большой задержкой после смены знака управления. И должны существовать суда, у которых чувствительность к управлению преобладает над чувствительностью к внутренним возмущениям. Такие суда должны отслеживать изменение управления без заметного запаздывания. Анализ коэффициентов д31, зэ1, проведенный для всех исследуемых судов, показал, что при соотношении 531/431 < 0.04 эффект временной потери-управляемости заметен. Для примера даны характеристики судна "Волгонефть", у которого соотношение зз1/<1з1 = 0.03 и потери управления могут быть в течение 1-2 минут. Для сравнения - характеристики судна "Ю.Долгорукий" с соотношением Вз1 /дз1 0.047, у которого уменьшение скорости наступает через 10, а смена знака ) через 30 - 40 секунд после начала перекладки рулевого органа на противоположный борт.Указанная особенность может быть причиной столкновений, невписывания в заданную траекторию поворота или посадки на мель речного судна.

В разделе 2.4 рассматривается вопрос влияния внешней Среды на статико - динамические особенности объекта. Показано, что согласно осциллограммам записей движения судна при различных внешних условиях его статическая характеристика по управляющему воздействию не только "плавает" при изменении внешней Среды, но и меняет свой вид, что делает свойства объекта нестабильными -. объект является статически

и динамически нелинейным по отношению к управляющему сигналу п к возмущениям.

Так, например, осциллограммы натурных испытаний отчетливо фиксировали в некоторых условиях в окрестности о>-0, [>-0 (при и~0) неустойчивое состояние типа "седло", которое могло переходить в практически неустойчивое типа "узел", т.е.при некотором состоянии внешней Среды нарушалось условно существования "эффекта седла" и проявлялся эффект "отталкивания", а иногда и "безразличия", когда изображающая топка проходила вблизи седла, не меняя фазовую скорость. Этот явление подтверждается ■ и моделированием,

ряс.2.О, 2.1

В разделе 2. 5 рассматривается вопрос совместимости свойств поворотливости и устойчивости судна на курсе. Как правило, все водоизмещаюшие суда являются неустойчивыми,поэтому для удержания их на курсе руль непрерывно перекладывается. Для неустойчивых судов введено понятие эксплуатационной устойчивости. Такая "устойчивость" оценивается по количеству перекладок руля в минуту| которое необходимо делать для удержания объекта на заданном направлении. Свойство эксплуатационной устойчивости определяется способностью длительное время сохранять малые угловые ускорения (ско находясь в окрестности желаемого

состояния неустойчивого равновесия ы= О, и О .

Второе свойство - поворотлипость, определяется способностью объекта даже при малых управлениях (и) быстро наращивать угловую скорость до больших величин, т.е. иметь значительные угловые ускорения в окрестности желаемого состояния равновесия.

Таким образом, требования достаточной устойчивости и хорошей поворотливости в одном проекте судна считаются взаимоисключающими.В данном разделе показано, что эти два свойства могут быть совмещены.

Введем понятие сугЛрной скорости: е" = + 1сф/<зх1

(используем уравнения (1.1)записанные для безразмерного времени). Для хорошей эксплуатационной

устойчивости необходимо, чтобы даже в значительной окрестности особой точки (ß ~ 0, со Ä 0) суммарная скорость была минимальной.При самопроизвольном уходе судна с курса из уравнений динамики (1.4) и выполнении условия

dco/dt > О, dß/dt >0, <¡¡>>0, р>0, (2.5)

получим выражение для суммарной скорости

е* — (q3 +Г3 +q2 +Г2 +ha>) (о или е' ■= - есо, где

е « дз + гз + дг + -гг (2. 6)

(при условии малости h и со последним слагаемым

пренебрегаем).

Таким образом, для обеспечения хорошей эксплуатационной устойчивости на курсе (е~0) необходимо вполнение условий:'

ГЗ ~ - дз, q2 ~ - гг и h - мало. (2.7)

Оценим влияние гидродинамических коэффициентов на поворотливость судна. Решая систему (1.4) относительно координаты су для установившегося режима, получим

Güo

(гздздг - дз2гг ) / (hr32) .

(2.8)

h=0.025

Вза22

Иэ

(2.8(видно,что связь между со0 и дз, г3 экстремальная, рис.2.2. Расчет оптимального значения гз (или дз) для получения экстремума функции бОо (пз) дает гзоптим. = 2дз гг / Яг или, при

выполнении условия (2.7), Гзоптим. ~ - 2дз, Ютах ** ~

(2.9)

В ситуации, когда Ь мало , незначительное нарушение ■ условия хорошей эксплуатационной устойчи вости (2.7) существенно не повлияет на устойчивость судна курсе , но заметно улучшит его поворотливость (соо» 0) .

Таким образом,суда, у которых соотношения между гидродинамическими коэффициентами удовлетворяют уело вию (2.7), достаточно устойчивы на курсе и обладают хорошей поворотливостью. На рис.2.3 даны начальные участки переходных процессов, для судов с различными фазовыми скоростями в окрестности <й ш 0 , II =0 и разными значениями коэффициента Ь.

<о=0.1

Ьпп=600

<о=0.39 ^„=350

150

300

t, с

рм

■■рк

У

/Ь=0.025

Т/х и.Х)о1доги)с1у е-1, )1-0. 07

Т/х I,. ЗоЬо1еУ

е-0.1,^-0.025 Ь2-0.01(реальное)

со„

(Як со

Рис.2.3

Б главе III "Методика полномасштабных, испытаний для определения с та тик о -динами ч еских особенностей объекта" рассматривается метод продольного и поперечного сканирования статико-динамической плоскости и эффекты, выявляемые при сканировании.

Б разделе 3.1 описывается методика проведения испытаний для оценки свойств управляемости объекта. Натурные испытания с водоизмещающими судами, а также математическое моделирование динамики этих судов, позволили сделать вывод, что подвижные объекты не только способны значительно менять свои характеристики (свойства) при изменении внешней Среды, величины управляющего воздействия и своего начального состояния, что характерно для нелинейных объектов, но они также обладают рядом скрытых свойств, учет которых в алгоритме управления позволит обойти неприятности и получить значительный выигрыш в качестве управления. Эти скрытые свойства достаточно сложно обнаружить при стандартных испытаниях, когда снимают переходные, частотные характеристики, в виду наличия неизмеряемых координат состояния и малой информативности характеристик. Существование неизмеряемых координат усложняет эксперименты по исследованию динамики объекта и является одной из причин непредсказуемости его поведения.

При проведении эксперимента проблема заключается не только в том, какой закон изменения управляющего воздействия применить, хотя при натурных экспериментах на речных судах размеры водного пространства накладывают определенные ограничения, но и в том, как представить результаты эксперимента.

Ввиду неизмеряемости координаты ß усложняется процесс анализа свойств объекта по его фазовым портретам ß - со, а классический фазовый портрет в плоскости dcö/dt - Ой малоинформативен и достаточно сложен. Кроме того, существующие фазовые отображения показывают изменение координат состояния во времени при постоянном управлении, что с реальным объектом

бывает редко. Необходимо видеть также развитие процесса и в. пространстве управлений.

Поэтому предлагается проводить анализ- динамических особенностей на плоскости статической характеристики <a(U), для чего вводится понятие стати-ко-динамической плоскости "и - и - t", на которой ставятся точки, выбранные из осциллограмм co(t), U(t) через промежуток времени t, несколько меньший постоянной времени объекта (для судов это порядка 1-2сек)

Таким образом, для исследования свойств объекта необходима специальная методика и представление результатов моделирования и натурных испытаний .

Натурные эксприменты проводились на грузовых и пассажирских судах "Волго-Дон-5035", ,чВолганефть-71", "СТ-1359", "ОТ-245 9", "Ю.Долгорукий", "Л.Соболев", "Я. Свердлов" в бассейне р.Волги.

Математическое моделирование проводилось на IBM PC с помощью модели (1.1) для объектов с характеристикой типа, представленного на рис.1.1А, и модели (1.2) для объектов с характеристикой типа рис. 1.1В .

Особенности объекта ми&но разделить на два класса - внешние и внутренние. Под внешними будем понимать вид статической характеристики объекта, а именно:1)количество и расположение неустойчивых ветвей характеристики управляемости А+ - А-; 2)критичес кие значения управлений U^,при которых происходит срыв с одной устойчивой ветви статической характеристика! на другую;3)управление и*, соответствугадеену-левому значению координаты состояния (о. Методика для оценки первых двух особенностей хотя и разработана ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова , но не вполне приемлема для речных судов. Вопрос оценки третьей особенности остался открытым.

Под внутренними (скрытыми) свойствами объекта будем понимать его способность при некоторых сочетаниях управлений и координат состояния to, р проявлять не характерные для него особенности:

1)временное снижение управляемости при достаточном по величине управлении, т.е. иметь так назы-

ваемые фазовые пятна,при движении через которые скорость изображающей точки существенно снижается;

2)способность к "обратной управляемости" длительной потере управляемости, когда некоторое достаточно долгое время объект сохраняет знак ускорения dco/dt при смене знака U;

3) способность на некоторое время приостановить развитие процесса ("замереть") при смене знака управления, что отчетливо проявлялось на осциллограммах натурного эксперимента с т/х "Ю.Долгорукий";

4)при некотором состоянии внешней Среды иметь "проницаемую" статическую характеристику, когда объект при одном и том же законе изменения управления в пределах критических значений и начальном значении измеряемой координаты состояния, может выйти на разные устойчивые ветви статической характеристики.

Введем понятие быстрых и медленных управлений. В первом случае рулевой орган перекладывается с обычной для него скоростью(для судна du/dts 1°/с), во втором случае скорость перекладки минимально возможная (dU/dt г 0.1-0.5°/с)- некоторые свойства объекта ярче проявляются при пониженных скоростях изменения управления. Так эксперименты показали, что в районах устойчивых ветвей статической характеристики, где изменения координаты состояния со(t) протекают замедленно, управляющие воздействия также должны меняться медленно, в противном случае особенности поведения объекта не успевают проявиться.

Введем понятие простой, поперечной, продольной спирали сканирования С-Д плоскости, когда управление U (t) периодически меняет знак на противоположный и ограничено сверху, т. е. не превышает значения допустимого на данном цикле - Uiaon (рис.1.2).

Управление начинает менять знак на противоположный, когда координата состояния <a(t) достигает своего максимально допустимого на данном шаге(цикле) значения - со^оп- Эти ограничения (coi, Ui) от цикла к циклу уменьшаются. В начальный момент времени знак скорости изменения управляющего воздействия G эа-

даётся произвольно, например, сШ/с^ =■ +0. Останов или смена направления движения рулевого органа происходят при выполнении условий (1.3).

При простой спирали (равномерное сканирование) с1и>0 и с!ш>0, портрет т-и-Ъ" дан на рис. 3.1, при поперечном сканировании <3и«0 на рис.3.2, при продольном сканировании с1<а»0, рис.3.3 .

Рис.3.1

Рис. 3.2

В первом эксперимент при больших управляющих сигналах (для судна - и> 5-7° перекладки руля), проводится поперечное сканирование С-Д плоскости при медленном изменении управления. Начальное значение угловой скорости, при которой происходит смена знака управления, шодоп=(0.3-0.5)щтах, где Штах - максимальное знг^ние скорости, допустимой для данного объекта. После этого эксперимента на статико-динамической плоскости проявляются "устойчивые" ветви статической характеристики управляемости и критические управления.

Рис.З.3

Во втором эксперименте проводится продольное или простое сканирование, при медленном или быстром управлении, доз = 0, 8и = О-ЗЛи где Их - значение управления в начале эксперимента. Этим экспериментом проявляется расположение и количество областей пониженной управляемости (областЫ,рис.3.3)и "обратной" управляемости- длительной потери управления (область II, рис.3.1) . Для объектов с характеристикой типа рис.1.1В сканирование плоскости также позволило выявить пятна, внутри которых скорости изменения V* понижены, однако эти пятна находятся в допустимых квадрантах, где знаки со и и совпадают, рис. 1.4, область I. При продольном сканировании плоскости проявляются области с повышенной скоростью изменения V, где, очевидно, статическая характеристика удаляется от сканирующей кривой. Это дает возможность определить количество и расположение внутренних участков устойчивых и неустойчивых ветвей статической характеристики, представленной на рис.1.4 .

Таким образом два простых, не требующих большого пространства и времени эксперимента позволяют представить достаточно полную картину статико-динамических особенностей исследуемого объекта.( При проведении натурных экспериментов с речными водоиз-мещающими судами по данной методике на поверхности воды остаётся след типа "елочки"). Чем больше обнаруженных свойств будет учитываться при формировании управляющего воздействия, тем выше диапазон изменения окружающей среды, в которой управляющий алгоритм окажется работоспособным. В частности, для водоизмещающих речных судов был разработан такой алгоритм, что результаты автоматического управления оказались сравнимыми с результатами ручного управления, которое может продемонстрировать опытный рулевой на небольшом интервале времени в сдожных условиях плавания,

В разделе 3.2 даны результаты натурных испытаний по оценке особенностей неустойчивых на курсе водоизмещгисчцих судов, функционирующих в

быстроизменяющейся внешней среде, В период 8 4-90гг. были проведены натурные эксперименты по исследованию характеристик управляемости и особенностей динамики судов, неустойчивых на заданном направлении. Результаты подтвердили наличие существенной нелинейности характеристики управляемости у всех исследованных судов. Вид характеристики заметно изменялся в зависимости от загрузки судна , при изменении направления ветра, глубины и рельефа дна . По осциллограммам натурных испытаний судов и авторулевого можно увидеть практически все эффекты, описанные выше , подтвержденные и не подтвержденные моделированием.

"Эффект седла" ярко проявился у грузового судна "Волгонефть" , когда удалось уменьшить количество перекладок руля в два раза, наблюдая за изменением угловой скорости, фиксируемой самописцем, и давая рекомендации рулевому о моменте снятии управления. При управлении от авторулевого сильный эффект седла проявился у озерного толкача, когда количество перекладок руля (обычно 1-2 в минуту) уменьшилось, до 1 перекладки за 5 минут.

"Эффект блуищания угловой скорости рысканья " в значительном диапазоне изменения ш^), не подтверждаемый моделью(1.1),в слабой степени (изменение со(С) в пределах ±0.05°/с при и « ик) "наблюдалось практически у всех судов, в сильной проявлялось у т./х. "Я.Свердлов" при любых внешких условиях.

"Эффект длительной потери управления" ярко проявился у т/х "Л.Соболев", когда с переложенным на левый борт рулем (и = 10 -15° ) судно более двух минут нарашдвало угловую скорость противоположного управлению знака. Эта область практически отсутствует на большой воде и появляется при выходе на мелкую воду. При попадании в эту область авторулевой за 3 - 4 такта наращивает управление до максимально возможного и сразу начинает уменьшать перекладку руля до обычной величины.

Наличие фазовых пятен с "пониженной управляемостью" в нежелаемой области (где знаки координат состояния противоположны знаку управления) отчетливо видны на статико-динамическом портрете т./х."Ю. Долгорукий" в момент перехода с ручного управления на "автомат" в режиме стабилизации. Если при ручном управлении задержка во времени в этих пятнах доходила до 10 - 15 сек, то при управлении от апторулево-го её можно уменьшить до 2 - 3 сек.

В разделе 3.3 показано, что методом сканирования плоскости можно провести качественные оценки возможного математического описания объекта: линейная или нет его статическая характеристика, относится объект к безинерционным или инерционным первого или более высокого порядка.

В_главе 1У "Разработка алгернтол управления

движением объекта по заданной траектории с использованием его динамических особенностей" (раздел 4.1) рассматриваются способы управления двумя режимами движения судна: стабилизацией па курсе и поворотом на заданный угол.

Речные водоизмещающие суда являются примером объектов, которым приходится работать в условиях непрерывно меняющейся внешней среды. Гидродинамические свойства судов реагируют на любое изменение как внешних (ветер, волна, глубина под килем, рельеф дна, встречное судно, проход в уэостях), так и внутренних (изменение скорости хода, загрузки, смещения центра тяжести, появление крена, дифферента) факторов (помех). Казалось бы, на фоне сильных неблагоприятных воздействий нужного поведения объекта можно добиться только сильным управлением , что и делает классический "жесткий" ПИД-алгоритм. Однако, предлагаемый в данной работе, разработанный и опробованный на различных типах речных судов (сухогрузы, танкеры, толкачи с 4-х секционным составом, пассажирские суда различных типов) алгоритм показывает, что можно добиться необходимого развития про-

32

цесса малым управляющим воздействием, сформированным на короткое время.

Как показано выше, в реальном объекте, функционирующем в сложных условиях быстроменяющейся внешней Среды, можно обнаружить "не лежащие на поверхности" свойства, некоторыми из которых можно воспользоваться (а другим не дать проявиться) для улучшения показателей качества управления, особенно таких важных для подвижных объектов, как скорость поступательного движения и расход энергии на управление.

О основу алгоритма положено импульсное управление. Амплитуда, фронт, длительность и скважность импульса определяются способностью объекта подчинятся управлению, которая в свою очередь зависит от состояния внешней Среды. Свойства , а соответственно и реакция судна, в изменяющихся внешних условиях , практически не предсказуемы, поэтому на первое место выступает правильная оценка его реакции на малое управление, которое было сформировано по результатам текущего и предыдущего опроса датчиков состояния.

Суть управления сводится к следующему. Если на данном (1) такте состояние объекта требует коррекции, то формируется ттимально возможное управление; на следующем (1+1) такте анализируется ускорение изменения состояния и сравнивается с данными на предыдущем (1} такгге. Если обнаружена правильная реакция (тип, направление реакции, но не интенсивность), та на этом (1+1) такте решение о какого-либо изменении (усилении) предыдущего управления не принимается, либо управление снимается. Следующий (1+2) такт может быть времен е"' принятия сильного решения, если уровень (интенсивность)реакции на (1+1) и (1+2) такте не удовлетворительный. На следующих тактах принимается решение о снятии или уменьшении управления,

Анализ работы авторулевого на всех судах показал, что, как правило, первого слабого управления ("подталкивания"объекта)оказывается достаточно, если внешняя Среда для него безопасная. Блочная схема объекта и упрощенная схема идеологии амплитудно-широтно-имлульсного управления представлены на рис. 1.1 .

В разделе 4.2 дается часть блок-схемы алгоритма и описываются основные положения управляющей программы, рис. 4.2. Входной информацией для авторулевого являются значение угловой скорости, принимаемые с гироскопического датчика угловой скорости (ДУС), и отклонение от курса по гирокомпасу (при наличии последнего) . За основную, более достоверную и быструю информацию (за неимением датчика ускорения) принимается сигнал с ДУСа. Информация с гирокомпаса используется лишь для периодической коррекции величины отклонения объекта (ОУ) от заданного направления. Чувствительность.гирокомпаса около 0,5 градуса, его показания меняются немонотонно, скачками. Чувствительность ДУС - 0,01°/с. Порог чувствительности глаз судоводителя к изменению угловой скорости также около 0, 01 град/с. Отклонение от курса, необходимое для работы АР, вычисляет процессор интегрированием показаний ДУС. При этом, каким бы точным не был ДУС, происходит накопление ошибки в определении ф -отклонения от заданного положения, и при наличии гирокомпаса значение отклонения периодически корректируется его показаниями.

Речное судно при движении по курсу представляет собой неустойчивый объект, стремящийся «свалиться» на правую или левую циркуляцию. Алгоритм упрайления построен таким образом, чтобы препятствовать этому и не допустить возникновения угловых скоростей судна, превышающих некоторый порог. Величины порогов фЛоп> . <оЯоп зависят от свойств управляемого объекта и пере-

даются в управляющую программу из программы обучения.

Управляющая программа работает, соблюдая следующую последовательность.

I блок (режим работы). Очередной цикл программы начинается с опроса пульта управления и определения заданного оператором режима работы. Фиксируется, произошла ли смена режима. Если предыдущим режимом был режим "обучение", то результаты анализа ручного "идеального" управления переносятся в блок исходных данных, необходимых для режима "стабилизация" или "перевод". Результатом анализа для режима "стабили зация" являются: минимальное и максимальное значение величины перекладки руля, минимальное и максимальное значение угловой скорости при удержании судна на курсе,максимальное отклонение судна от заданной траектории. В режиме ввода поправки к курсу: максимальная перекладка руля, максимальная угловая скорость поворота, угол поворота судна. На основе этих данных формируется блок данных для алгоритма управления.

II блок (пространство ситуаций). Оценивается ситуация , сложившаяся к i -му циклу; находился ли ОУ под или без управления; сильное управление или слабое, внутри заданного допуска по величине отклонения от курса или вне; идет самопроизвольный уход из трубки или предыдущего управления было недостаточно, чтобы ввести объект в трубку, и он после снятия управления восстановил уход и т.д.

III блок (пространство состояний). Оценивается состояние ОУ'. знаки ср и оо; величина отклонения ф

скорости со, ускорения doo/dti проводится сравнение этих величин с допуском; оцениваются величина изменения скорости по сравнению с самой скоростью, величина изменения отклонения от заданного состояния по сравнению с самой величиной отклонения и т.д.

IY блок (пространство решений) . По результатам оценки ситуации и состояния принимается решение для i-ro цикла: снять управление, подать минимальное

35 ä

управление (и = 1 - 1.5° ) на один такт, не менять управление предыдущего такта, увеличить (уменьшить) предыдущее управление, дать максимальное управление или уменьшить его до минимально возможного, ... .

Б программе функционирует система "ловушек" , когда в некоторых ситуациях и при определенных состояниях объекта программа проходит через блоки, набирающие статистические данные, необходимые для изменения в алгоритме некоторых констант, меняющихся с изменением внешних и внутренних помех (например, постоянно меняющейся величины управления и*(или а*), при котором объект имеет нулевую скорость ухода из заданного состояния, минимальных значений и+, и. и допусков ¡сйдоп|, !<!> лоп1специальные блоки ловят ситуацию, когда можно делать коррекцию интегратора по показаниям ГК, оценивают и меняют степень одержива-ния объекта, после которого можно снимать управление, что необходимо из-за плавающего наклона сепаратрисы.

Натурные испытания, проведенные в 1990-1994гг,, показали,что авторулевой, реализующий описанный прин цип управления, работоспособен в сложных условиях плавания и обеспечивает высокое качество управления в режимах стабилизации и перевода ОУ на новое направление, не уступающее ручному управлению опытным судоводителем. Авторулевой эффективен при любых условиях плавания, допускающих судовождение, на речных водоизмещающих судах всех типов от наиболее инерционных (грузовой состав ОТ-2459) до наиболее "вертких" ("Ю.Долгорукий", "Л.Соболев", рис.16,в). Индивидуальные характеристики судов различных проектов учитываются изменением численных значений некоторых параметров алгоритма управления, после запуска режима "обучение".

В разделе 4.3 . описывается возможность использования эффекта седла для организации режима стабилизации объекта на заданном направлении.

о

36

Как показано выше, желаемое состояние равновесия является неустойчивым типа седла. Наличие седловой особой точки приводит к тому, что при отсутствии управления существуют две фазовые полутраектории (сепаратрисы седла - Сх , рис. 2.0, 1.6 ), приводящие изображающую точку в состояние с нулевыми значениями координат. Хотя это состояние и является неустойчивым, время нахождения в нем будет тем больше, чем в меньшую окрестность нуля придет изображающая точка. Указанное время становится теоретически бесконечно большим, если движение к началу координат идет точно по сепаратрисе. Это свойство ( эффект седла) может быть использовано авторулевым при удержании объекта на курсе. Для этого необходимо подавать управляющее воздействие , когда объект отклонится от заданного состояния на величину, большую допустимой, а снимать его в момент, когда соответствующая изображающая точка; фазовой плоскости подходит к сепаратрисе. В этот момент выполняется соотношение р= кх со. При таком способе управления в условиях безветрия и тихой воды устанавливается устойчивый автоколебательный режим с достаточно низкой частотой и небольшой амплитудой изменения нулевой (<р) и первой (со) координат состояния.

Ввиду того, что значение определить экспериментально невозможно, из-за непрерывного изменения положения С1 вслед за изменением внешних условий Е, а для судов и из-за неизмеряемости координаты р, в программе предусматриваются блоки, которые.анализируют качественные и количественные изменения скорости и ускорения в окрестности нуля при неперело-женном руле на участках 1-2, 3-4, 5-6 (рис.1.6). Если время управления недостаточно, то траектория 3-4 удалена от сепаратрисы и ускорение на ней меняется незначительно. После анализа ¿яда таких вторичных признаков корректируется длительность и амплитуда управляющего импульса.

Эффект седла проявляется не только у объектов, диаграмма управляемости которых симметрична относительно начала координат, но и у объектов с несимметричной диаграммой. Отличие состоит лишь в том, что нулевому управляющему сигналу 'соответствует смещенное положение пера руля а». Величина а* так же меняет своё значение (для некоторых судов, например, от -10° до + 10° ) при изменении Р. Как показали испытания, наиболее сильный эффект наблюдается от правильного отслеживания а*. Процедура отслеживания является достаточно сложной и изложена в разделе4.5.

В разделе 4.4 приводятся осциллограммы натурных испытаний авторулевого в режиме "стабилизация".

В разделе 4.5 описывается алгоритм оптимального перевода объекта на новое направление с использованием эффекта седла.

В классической постановке, когда требуется перевести объект, динамика которого описывается системой линейных дифференциальных уравнений, из одной точки пространства состояний в другую, задача сводится к отысканию соответствующих моментов переключения управляющего воздействия. В случае нелинейных дифференциальных уравнений, коэффициенты которых зависят от состояния внешней Среды, решение этой задачи представляет значительные трудности.

В работе данная

i I

Р

Рис. 4.5

01 лав. борт

Ci

Ъ

»

задача решалась в следующей постановке. Состояние объекта характеризовалось двумя координатами состояния: Р и ю , вместо трех р , со и (р. Необходимо перевести объект из начального состояния Ро , соо в нек оторое

конечное р^ , воь принадлежащее линии р = Kj ooq - сепаратрисе (первый способ, рис.4.5). За время маневра (перехода из точки на линию) курсовой угол должен измениться на заданную величину. На управляющий сигнал наложено обычное ограничение.

Рассматриваемое управление позволяет, во - первых, уменьшить на единицу количество перекладок руля - понижен порядок уравнений, и тем самым определять только одно время переключения управляющего воздействия, а во - вторых, получить в конечном состоянии нулевые значения скоростей и ускорений.

Таким образом, для решения задачи имеем следующую систему уравнений: для 0 < -с < tj и а=а,пРлвм«сорт

dPi/dt = - qzi Pi- r21 «>:- h Pi |р|| - s21 а^ут dcai/dt = - qn Pi - r3i a>i - s31 аП.борт (4.1) J«i(t) dx = q>o + ¿q>t,

при P(0) (0) » ер (0) = 0 ?

ДЛЯ Ti £ X И <X=a левый борт.

d¡h/dt = - q21 Рг- r2X £»2- h P2IP2I- sai ал.6орт.

dct^/dt = - q3i Pz - r31 C02 - Sai а л.борт.

|o>2 (x) dt = фо + Дсрг. (4.2)

Кроме того, в момент Tj должны выполняться соотношения

Рг(гз) =к2 №2( ^2),

Д(р1 + Дфг = 9 к - Д<р. (4.3)

Данная система решалась на ЭВМ методом Рунге -Кутта, Был организован автоматический поиск моментов ti и ti из условия выполнения (4.1, 2, 3). Попадание с точностью 10% в заданную область пространства происходило за три - четыре шага повтор-

ного поиска момента переключения управляющего сиг нала.

Ввиду неопределенности расположения статической

характеристики ю(и)и величины и* был разработан

второй способ перевода объекта из состояния о>2 (т2 ), иг вконечное состояние с координатами со = 0, <300/с^ = О, и = и*(величина и* неизвестна),рис.4. 6. Перевод ведем по линии "седел", контролируя выполнение равенства количества шагов, за которое координаты <в(е), <Зсо/с1С примут нулевое значение, а управление уменьшится до величины и* :

Шх/Дсо! = и!/Ли! и (ско^с^/Л^аи/с^Н и* /Ди±, где и!=и(Ъ)-и*, ю1/Дсо1=Н1, (йочА^)/Д^ач/^) =N2. (4. 4)

Алгоритм изменения управления от и2 (х^) до и* (х к) можно записать следующим образом:

+ 5, если N1 > N2,

Ди ! ={ Ди1( если N12 N2, (4.5)

Лил. - 8, если N1 < N2.

В разделе 4. 6 представлены осциллограммы натурных испытаний вышеопислнного интеллектуального авторулевого в режиме перевода, для сравнения представлены аналогичные осциллограммы ручного перевода судов на новое направление.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Основным результатом диссертационной 'работы является решение крупной проблемы, имеющей важное научно-практическое значение, в части идентификации математической модели и скрытых свойств, разработки способов управления, использующих динамические особенности неустойчивого на курсе объекта, функционирующего в условиях быстро и непредсказуемым образом меняющейся внешней среды.

Разработка и внедрение, основанного на результатах исследования, алгоритма управления, позволило практически на порядок улучшить такие показатели качества управления, как точность удержания на курсе, максимальную угловую скорость рысканья, количество перекладок рулевого органа при стабилизации объекта на заданном направлении, и тем самым поднять скорость его поступательного движения при уменьшении затрат на топливо.

Алгоритм авторулевого оказался работоспособным при любом состоянии внешней Среды, допускающей движение судна .

При решении указанной проблемы были разработаны вопросы и получены следующие результаты.

1.Впервые, применительно к речным судам, осуществлена общая постановка задачи для решения крупной проблемы, имеющей важное научно-практическое значение, в части идентификации математической модели и скрытых свойств, разработке способа управления, использующего динамические особенности объекта, функционирующего в условиях быстро и непредсказуемым образом меняющейся внешней среде.

2.Показано, что нецелесообразно выводить из системы уравнений, описывающих динамику неустойчивых на курсе объектов, неизмеряемые, по причине отсутствия датчиков координаты состояния. В про-

тивном случае не находится полный набор коэффициентов математической модели, а лишь соотношения между ними. Это усложняет исследование и объяснение некоторых динамических особенностей объекта-

3.Разработана методика идентификации в большом (структурная) и предложен способ оценки параметров полной модели объекта, включающей и неиз-меряемые координаты состояния, по результатам анализа осциллограмм измеряемой координаты, записанных на специальных режимах движения объекта.

4.Разработана методика получения и способ представления информации для наглядного отображения областей допустимых и опасных состояний объекта по результатам медленного поперечного и продольного сканирования статико-динамической (СД)-плоскости.

5.Разработан способ ввода (по линии сёдел на СД-плоскости) объекта в седло - желаемое состояние неустойчивого равновесия с нулевыми значениями координат состояния и неопределенным, меняющимся с изменением внешней Среды, управлением.

6.Выведено условие существования эффекта седла (соотношение между гидродинамическими коэффициентами) , когда при попадании в малую окрестность последнего объект способен длительное время находиться в состоянии неустойчивого равновесия с нулевыми значениями координат состояния.

7.Показано, что при невыполнении условия существования эффекта седла неустойчивое состояние равновесия при нулевых значениях фазовых координат отталкивает от себя изображающую точку и поведение в окрестности седла становится аналогичным поведению в окрестности неустойчивого узла, что соответствует повышенной рыскливости судна на заданном направлении.

8.Показано, что для судов, неустойчивых на прямом курсе с Б-образной характеристикой управляемости, при управлении больше критической величины после слияния седла с одним из узло^- и их исчезновения

остается фазовое пятно ~ область состояний судна с пониженной управляемостью. Старость изобраяаю-щей точки внутри этой области модет быть ' существенно меньше скорости той ае точки вне её и при этом знаки фазовых координат еще противоположны знаку управляющего воздействия. Такие случаи соответствуют понижению управляемости судна на определенном отрезке времени. Характеристика управляемости судов дополняется значением минимального угла перекладки руля, при котором исчезает влияние фазового пятна.

9.Экспериментально обнаружена и подтверждена моделированием способность некоторых проектов судов к временной потере управляемости, когда объект длительное время продолжает наращивание угловой скорости попорота после смены знака управления. Выход из этого состояния требует значительного увеличения управляющего воздействия соответствующего знака. Выведено соотношение между коэффициентами модели при выполнении которого области потери упразления (обратной' управляемости) практически отсутствует.

10.Моделированием показано, что для одного из видов статических характеристик объекта управлеТшя существует "эффект проницаемости" характеристики, когда координаты состояния не задерживаются при подходе к верхней, устойчивой ветви характеристики, а выходят на вторую нижнюю устойчивую ветвь. Таким образом, при построении статической характеристики по результатам натурных испытаний, проведенных по стандартной методике, часть характеристики в окрестности критических управлений может быть потерянной. Это, во-первых, приводит к тому, что для реального объекта возможны непредвиденные статические состояния, которые в действительности соответствуют "потерянному * участку характеристики, и во-вторых, при нахождении объекта в статическом состоянии, близком к границе проницаемости, возможен его "срыв"

на статическую ветвь со значительно измененными координатами состояния.

11.Показана возможность совмещения двух противоречивых свойств объекта: устойчивости на курсе и поворотливости. Выведено соотношение между коэффициентами, обеспечивающее хорошую поворотливость и достаточную устойчивость судна на курсе.

12.Разработана методика проведения экспериментов по оценке скрытых особенностей объекта, для чего введено понятие продольной и поперечной спиралей сканирования статико-динамической плоскости,в этом случае СД-отображение позволяет выявить некоторые важные для построения алгоритма управления свойства объекта:вид характеристики управляемости, существование и размеры областей пониженной и обратной управляемости объекта.

13.Разработан интеллектуальный (логический) ситуационный амплитудно-широтно-импульсный способ управления неустойчивым на курсе объектом, функционирующим в условиях быстроизменяющейся внешней Среды, с частично наблюдаемыми координатами состояния. Способ, опробованный на различных типах речных водоизмещающих судов, обеспечивает: а) минимизацию использования энергии на управление за счет уменьшения амплитуды и количества перекладок руля, б) увеличение скорости поступательного движения за счет уменьшения лобового сопротивления движению судна, что обеспечивается уменьшением максимальных значений фазовых координат при рысканье объекта около заданного направления, в) работоспособность и удовлетворительные показатели качества при любом состоянии внешней Среды, допускающей движение объекта.- Амплитуда, фронт, длительность и скважность управляемого импульса формируются по состоянию объекта с учетом предыстории развития процесса, т.е. с учетом ситуации (или причины), приведшей объект управления в данное состояние.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1.Бояринов B.C., Чиркова М.М. К исследованию динамики некоторых нелинейных систем автоматического регулирования. Тр./ Горьк.ин-та инж. водн.тр-та, 197 4, вып. 137, с.60-67.

2.Чиркова М.М. К вопросу оптимизации динамических систем. Тр./ Горьк. ин-т инж. водн.тр-та, 1982, вып.189, С148-156.

З.Фейгин М.И.,Чиркова М.М. Способ управления движением ■ сули а. _ Аьторское. свидетельство ///1786Si. БИ Nik . 4945,

4 .Чиркова,&?й™мМ.М,Взаимосвязь математических моделей управляемого судна, получаемых на стадии проектирования и по результатам натурных испытаний. Тр./ Горьк. ин-т инж. вод. тр-та, 1983, вып. 197 с. 5873.

5.Фейгин М.И,, Чиркова М.М. Способ управления движением судна. Авторское свидетельство N 1066896. БИ N 2, 1984.

б.Чиркова М.М. Сравнение алгоритмов удержания судна на курсе по их чувствительности к погрешности входной информации. Тр./ Горьк. ин-т инж. водн, тр-та, 1984, вып.204, с.80-97.

7.Фейгин М.И., Чиркова М.М. О существовании области пониженной управляемости для судов, неустойчивых на прямом курсе. Изв. АН СССР. МТТ. 1985. N 2, с.73-78

8.Чиркова М.М. Сравнительный анализ алгоритмов управления движением судна. Судостроение, 1985,N 5, с.15.

Э.Фейгин М.И., Чиркова М.М. Об одном способе перевода судна на новый курс. Труды XIV расширенного заседания Совета по управлению движением морских судов и аппаратов. ИПУ РАН, 1987. С.112.

Ю.Фейгин М.И., Чиркова Н.М. Дина.мика неустойчивого на прямом курсе судна. Судостроение, N 7, 1987. С.23-25.

И.Фейгин М.И., Чиркова М.М. О потере управляемости судов, неустойчивых на прямом курсе. В сб. тезисов Всесоюзного семинара «Динамика нелинейных процессов управления». Таллин, 1987.

12.Фейгкн М.И., 41-гркова М.М. Особенности управления некинейкь2"5и' объектами. Труды XVI расширенного заседания Совета по управлению движением морских судов и аппаратов. ИПУ РАН. 1989."

13.Чиркова М.М. О резонансном явлении при импульсном управлении движением судна. В сб. тезисов докладов II Всесоюзной конференции «Нелинейные колебания механических систем»-. Горький, 1990. 4.2., с.217.

14,Фейгик М.И., Чиркова М.М. Нелинейные эффекты в системах, управление которыми сопровождается изменением числа возможных стационарных режимов. В сб. тезисов докладов VII Всесоюзного съезда по теоре-•тической и прикладной механике. Москва, 1990.

15.Чиркова М.М. Оценка , состояния неустойчивого на курсе судна. Труды XVIII расширенного заседания Совета по управлению движением морских судов и аппаратов. ИПУ РАН. 1,991.

16.Преображенский A.B., Чиркова М.М. Результаты натурных испытаний цифрового авторулевого// Судостроение . 1992 . N11-12.

17Ласлов Е.В., Преображенский A.B., Чиркова М.М. Результаты натурных испытаний интеллектуального авторулевого на грузовом составе. Труды XIX расширенного заседания Совета по управлению движением морских судов и аппаратов. М., ИПУ РАН. 1992.'

18.Горбунов И.В., Чиркова М.М. О построении каталогов фазовых портретов подвижных объектов. В сб. тезисов докладов III Межгосударственной конференции «Нелинейные колебания механических систем». Н-Ноагород, 1993.

19.Преображенский /i.D., Чиркова М.М. О влиянии внешней среды на характеристики авторулевого с 1ШД-регулятором. Труды XXI расширенного заседания совета по управлению движением морских судов и аппаратов. М., ИПУ РАН. 1994.

20.Преображенский A.B., Чиркова K.M. Пути повышения качества авторулевого для речных водоизмегцающих судов. Труды XXII расширенного заседания Совета по управлению движением морских судов и аппаратов. М., ИПУ РАН. 1995.С.67-71.

21.Чиркова М.М. Исследование скрытых динамических свойств подвижных объектов, В сб. тезисов докладов IV конференции «Нелинейные колебания механических систем». Н-Новгород, 1996.

22..Преображенский A.B., Чиркова М.М. Идентификация параметров нелинейной модели объекта по результатам натурных испытаний при ненаблюдаемой координате состояния. Межауз. сборник «Моделирование и оптимизация сложных систем», вып. 273, с.115-123. ВГАВТ. Н-Новгород, 1996. '

23.Чиркова М.М. К вопросу о совместимости свойств поворотливости и устойчивости судна на курсе. Меж-вуз. сборник «Моделирование и оптимизация сложных систем», вып.273, с.171-174. ВГАВТ. Н-Новгород, 1996.

24.Чиркова М.М. Методика проведения испытаний для определения скрытых свойств подвижных объектов с одной неизмеряемой координатой состояния. Межвуз. сборник «Моделирование и оптимизация сложных систем», вып. 273, с.175-184. ВГАВТ. Н-Новгород, 1996.

25.Чиркова М.М. Чередование областей различных ста-тико-динамических особенностей объекта с изменением его чувствительности к управляющему воздействию. Межвуз. сборник «Моделирование и оптимизация сложнйх систем», вып. 273, с.184-188. ВГАВТ, Н-Новгород, 1996.

Блок-схема алгоритма управляющей программы

под исходных данных

_____ггка

опрос пут та управления определение рад на работы

I блок. Режимы работы

определение ситуации ( )

у-----объект

Ч^тодупрашхешен^-'

С

II- блок, пространство ситуаций

объест безупровпеш

¿ситчи-ъч!

определение подалуацнн

ситуация, объект вне трубки росишхии >тц)а»шни«.

сшуация объект внутри трубки

ЗапуадюГ ъекг вне трубки '

МОПрСМЯОШЛЫЙ ВЪК«

опрос датчиков сйстонш1(1) III блок. Пространства

СОСТОЯНИЙ

Блек првипн рециви рМШИЙ

1-е ренте 2-е ришт- 1 ——_ ----- К"Ч' рСПИЩ' |

С^ Нагреть I йкк

Риг. 4 ь

■ -m*л ученую с rene-1 ■ Ç- - -

__________ '

к

• ■ а;.: г TÍV- vnr>: в"-.

Xu £ ь nai^

ВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

' На правах рукописи

ЧИРКОВА МАРГАРИТА МАКАРОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ НЕУСТОЙЧИВОГО НА КУРСЕ ОБЪЕКТА СО СКРЫТЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ

(НА. ПРИМЕРЕ РЕЧНЫХ ЮДОИЗМЕЩАЮЩИХ СУДОВ)

05.13.01 - Управление в технических системах

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Нижний Новгород- 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................... 4

Глава I. Проблемы идентификации математической модели неустойчивого на курсе подвижного объекта, функционирующего в среде непредсказуемых внутренних и внешних помех (на примере речного водоизмещающего судна).

1.1. Проблемы идентификации нелинейной модели под вижного объекта с перекрестными связями и неизмеряемыми коорданатами состоя-

ния...................................................................20

12 . Методика натурных испытаний для структурной идентификации объекта (идентификация "в большом")............................23

13 . Методика параметрической идентификации математической модели неустойчивого на заданном направлении объекта (идентификация "в малом")........................,.....".............................28

1.4. Таблица коэффициентов и набор расчетных и экспериментальных характеристик управляемости.....................................36

1.5. Выводы погшве I....................................... .40

Глава II. Исследование скрьпых динамических особенностей подвижных объектов.

2.1. Существование эффекта седла и возможности его использования для стабилизации неустойчивости на курсе. Условие существования эффект седла. .................... .................................42

2.2. О существовании областей пониженной управляемости в фазовом пространстве коорданат состояния................................53

2.3. О возможности длительной потери управления при заниженных скоростях привода руля направления..................................63

2.4. Чередование областей различных сгатико-динамических особенностей объекта с изменением его чувствительности к управляющему воз-

действию.............................................................69

2.5. О совместимости свойств поворотливости и устойчивости судна на курсе.........................................................— 93

2.6. Вывода по пиве II......................................99

Глава III. Методика полномасштабных испытаний для определения стань ко-дошамическихособенностей объекта.

3.1. Метод продольного и поперечного сканирования сгатико-динамической плоскости . Эффекты, выявляемые при сканированиии. .. 102 3. 2. Результаты натурных испытаний по оценке особенностей неустойчивых на курсе водоизмещающих судов, функционирующих в быст-

роизменяющейся внешней среде..................................... 116

3.3 . Метод сканирования для оценки математических моделей объектов...............................................................131

3.4. Выводы по главе III....................................142

Глава 1У . Разработка алгоритма управления движением объекта по заданной траектории с использованием его динамических особенностей.

4.1. Идеология интеллектуального управления.................144

4.2. Алгоритм управления. Блок-схема диспетчера программ. ..149

4.3. Режим стабилизации. Блок-схема алгоритма управления режимом стабилизации................................................... 153

г

4.4. Осциллограммы натурных испытаний авторулевого с интеллектуальным алгоритмом управления в режиме стабилизации.............159

4.5. Алгоритм оптимального перевода объекта на новое направление с использованием эффекта седла.................................. 167

4.6. Осциллограммы натурных испытаний интеллектуального авторулевого в режиме перевода на новое направление....................174

4.7. Выводы по главе IV.....................................178

Заключение....................................................... 180

Литература......................................................... 185

Приложение. Блок-схемы и программы управления движением объекта по заданной траектории................................................206

и -

I .

ВВЕДЕНИЕ

Повышение качества процесса управления сложными техническими устройствами невозможно без детального изучения свойств объекта и поиска новых алгоритмов управления, использующих эти свойства . Известно, что исследование свойств и решение задачи управления усложняется, если динамика объектов описывается нелинейными дифференциальными уравнениями, структура и параметры которых существенно зависят от состояния внешней Среды. У рассматриваемого класса объектов неоднозначны не только собственные, но и вынужденные как установившиеся состояния, так и переходные процессы. Когда такой объект является подвижным, то процесс управления может потребовать лишних затрат энергии и быть не безопасным, если нет достаточной информации о текущем состоянии объекта (что возможно при неполностью измеряемом наборе координат состояния) , а его специфические свойства недостаточно изучены. Широко распространенными, но мало изученными с точки зрения статико-динамических особенностей и влияния внешней Среды на свойства объекта являются речные водоизмещающие суда, неустойчивые на курсе и функционирующие в среде непредсказуемых быстроменяющихся внешних помех.

Актуальным направлением повышения эффективности работы системы управления таким объектом в смысле увеличения скорости его дви-*

жения, уменьшения энергии на управление, повышения безопасности движения является реализация внутренних ресурсов объекта.

Среди пробмем, возникающих при изучении динамики таких объектов и требующих решения, необходимо отметить сждуюище: I) разработка специальной методики проведения жсперимегапов над объектам в условиях ограниченного пространства, и времени в процессе его нормальной жсплусь-пищии; 2) определение математической модели "объект - Среда", адекват-

пищищ 2) определение штымапшческой модели "объект - Среда" адекватно отражающей реальные процессы; 3 ) разработка эффективного способа представления результатов моделирования или натурных экспериментов по оценке апатико-дшшмических особенностей объекта.

Первая проблема возникает в связи со спецификой объекта - речное водоизмещающее судно реально функционирует в среде , которая постоянна в окрестности небольшого водного пространства и на коротком интервале времени. Это требует специальной методики для изучения динамики объекта, выявлению скрытых, редко проявляемых свойств, некоторые из которых усложняют процесс управления, иногда даже приводят к катастрофическим последствиям, другие, наоборот, способствуют существенному улучшению качества процесса управления и значительной экономии энергии.

Вторая проблема связана с невозможностью отделить математическое описание объекта и Среды. Объект существует в Среде и с её изменением, как показали натурные испытания, математическая модель и, соответственно, свойства объекта меняются. Адекватность структуры математической модели объекта без учета изменений внешней среды непосредственно зависит от квалифицированно выполненного учета всех сил, создающих вращательные движения для объекта и этот вопрос можно считать решенным [ работы Афремова А.Ш., Басина А.М., Войткунского Я.И., Гофмана АД.,, Зайкова В.И., Kose К, Nomoto, Острецова (Шлейера) ГЭ., Першица Р.Я., Соболева Г.В., Тумашика А.П., Юдина Е.Б. и др.]. Однако вопрос создания максимально простой и в то же время сильной модели, адекватно отражающей динамику объекта при различном состоянии Среды, остается открытым. Кроме того для оценки параметров (коэффициентов) математической модели , требуются полномасштабные эксперименты в ограниченных пространственно-временных условиях и решение проблемы "восстановления" неизмеряемых координат состояния.

¿г

Третья проблема связана с тем, что существующие способы отображения информации - частотные, временные характеристики и фазовые отображения, как показал опьгг работы с судами, не достаточно информативны и наглядны, а некоторую информацию, такую как расположение и размеры, исчезновение и возникновение под влиянием внешней Среды областей различной управляемости объекта , с помощью этих способов практически получить невозможно.

Решение этих проблей позволит разработать способ управления состоянием подвижных объектов, использующий их внутренние резервы, работоспособный при любом состоянии внешней Среды, допускающей движение, мгшкшюирующий время выхода объекта из сложных ситуаций и обеспечивающий минимум расхода энергии на управление.

Надо отметить, что рассмотренные проблемы присущны любым движущимся объектам, функционирующим в быстроменяющейся среде и неустойчивым на заданном направлении.

Этим взаимосвязанным проблемам идентификации, исследованию особенностей, отображению результатов исследования и разработке на этой основе способа управления движением объекта оптимального с точки зрения быстродействия , минимума затраченной энергии и безопасности движения посвящена данная диссертационная работ

Постановка такого комплекса проблем связана с выполнявшимися автором в течение последних десяти лет разработками способов проведения натурных экспериментов по выявлению статико-динамических особенностей , составлению и испытанию на различных типах речных судов самонастраивающегося амплшудно-широтноимпульсного логического алгоритма управления, учитывающего собственные свойства объекта.

Объектом исследования является: подвижный объект, в частности, неустойчивое на курсе водоизмещающее судно, функционирующее в условиях быстро и непредсказуемым образом меняющейся внешней среды.

Предмет исследования: проблемы идентификации математической модели и "восстановления" неизмеряемой координаты состояния; методики моделирования и проведения натурных испъпаний по выявлению особенностей динамики объектов; способы управления различными режимами движения, использующие скрытые свойства неустойчивого на курсе объекта.

Целью исследования является создание авторулевого, работоспособного при любом состоянии внешней Среды, допускающей судовождение, минимизирующего рысканье судна около заданного направления и количество перекладок рулевого органа. Это позволит повысить скорость и безопасность движения и уменьшить затраты энергии на управление.

Достижение цели исследования включает в себя решение следующих

задач:

- создание метода структурной и параметрической идентификации математической модели и "восстановления" неизмеряемой координаты состояния по результатам натурных испытаний;

- разработку алгоритмов тестирования модели при машинном или объекта при натурном экспериментах доя оценки скрытых сгатико-динамических особенностей;

- создание самонастраивающегося ампшпудно-широтноимпульс-ного логического алгоритма, включающего элементы ситуационного управления и использующего скрытые динамические особенности объекта;

- испытания авторулевого с разработанным алгоритмом на речных судах различны проектов.

Методическую и теоретическую .базу диссертационной работы составляют подходы к решению задач идентификации подвижного нелинейного объекта с неизмеряемой координатой состояния, методы анализа

свойств и управления его состоянием. При выполнении исследований автор опирался на работы отечественных и зарубежных ученых в области теории управления нелинейными и подвижными объектами : Айзермана МА., Александрова А .Г., Андронова А А., Арнольда В.И., Афремова А ЛИ., Васина А.М., Бесекерского ВА., Брусина ВА., Воронова А А., Воротникова В.И., Гилмора Р., Гофмана А Д., Зайцева В.И., Зубова В.И., Имаева ДХ., Катханова М.Н., Клыкова Ю.И., Красовского АА., Красовскош Н.Н., Красносельского МА., Кротова В.Ф., Кузнецова НА., Куржанского А.Б., Летова А.М., Лукомского Ю А., Миллера Б.М., Небылова А.В., Олейникова В А., Павлова Б.В., Первозванского А А., Першица Р.Я., Поспелова ДА., Румянцева В.В., Рушовского В.Ю., Соболева Г.В., Федяевского К.К, Фейгина М.И., Фельдбаума АА., Фрейдзона И.Р., Цыпкина Я.З., Черно-усько Ф.М., Inoue Z., Diffmar PJ., Kose N., Ljung L., Nomoto K., VoltaE., сотрудников отдела ИПУ РАН, возшавляемого в прошлом Кузнецовым НА., в настоящее время Павловым Б.В..

Научная новизна и ценность основного результата диссертационной работы состоит в следующих, выносимых на защиту, компонентах:

1. Разработан способ структурной и параметрической идентификации математической модели подвижного объекта и "восстановления" не-измеряемой координаты состояния. Разработанный способ позволяет по результатам эксперимента, проведенного в условиях рабочего режима движения , в ограниченном пространстве и времени, выяснить вид нелинейности объекта, порядок (1-ый или более) его дифференциальной модели и идентифицировать коэффициенты полной модели, включающей неизмеряе-мые координаты состояния.

2. Разработана методика проведения натурных и машинных испытаний по определению расположения и размеров областей различной управляемости объекта - нелинейных эффектов , учет которых в алгоритме

повышает надежность процесса автоматического управления движением и увеличивает быстродействие ввода объекта в заданное состояние.

3. Предложен способ представления информации по результатам экспериментов в пространстве "координата состояния - управление - время" для отображения областей допустимых и опасных состояний объекта.

4. Предложен способ ввода объекта в стационарное неустойчивое типа седла состояние с нулевыми значениями измеряемых и неизмеряемых координат и остаточным управлением, величина которого определяется внешней Средой.

5. Разработан и испытан самонастраивающийся логический алгоритм управления из класса амплитудно-широтноимпульсньк, позволяющий минимизировать затраты энергии на управления, повышать скорость поступательного движения, за счет спрямления траектории движения и уменьшения лобового сопротивления движению, и работоспособного при любых внешних условиях , допускающих движение судна.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечена вычислительными исследованиями и натурными экспериментами, а также реализацией основных защищаемых положений в ряде внедренных прикладных разработок, прошедших испьпание на различных проектах речных водо-измещающих судов в 1985-1995 гх.

Практическая значимость и ценность диссертационной работы определяется созданным методическим обеспечением для исследования динамических особенностей подвижного объекта с помощью машинных или натурных экспериментов, анализом связи некоторых конструктивных параметров объекта с особенностями его динамики; обнаружением свойств, использование и учет которых при разработке способа управления позволил составить алгоритм , обеспечивающий показатели качества близкие к оптимальным.

Реализация результатов. Материалы диссертации представляют собой теоретическое обобщение подходов к решению взаимосвязанного набора практических задач идентификации, исследованию динамики и разработке алгоритма управления неустойчивыми на курсе объектом, реализованном в разработанном при участии и руководстве автора и опробованном на различных марках речных водоизмещающих судах авторуле-

9

вом.

Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с координационными планами научных исследований Департамента речного флота., целевой комплексной программой КГНТ СССР "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, станками и оборудованием с применением мини- и микроЭВМ, поддержаны грантами Российского фонда фундаментальных исследований (93-013-16253, программы 1993-95г.). Прикладные разработки осуществлялись в рамках планов тем бюджетных и хоздоговорных работ Волжской государственной академии водного транспорта, Департамента речного транспорта, Волжского объединенного речного пароходства.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на факультетах ВГАВТ.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты

докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: #

ХУ1, ХУШ, XIX и последующих н-т конференциях проф.-преп. состава ГИИВТ. - Горький, 1972, 1975, 1976 - 1996 гг., ГУ координационном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и освоения Мирового океана" (г.Севасгополь, 1983г.), н-т конференции ученых Горьковского региона. - Горький, !984, семинарах по управляемости судов Волжско - Камского отделения НТО им. А.Н. Крылова (г. Горький, 1984-85 гг.), ХУ всесоюзной научно-технической

конференции "Очередные задачи судостроения" (г. Горький, 1 985г.),

10

Всесоюзной конференции по нелинейным колебаниям. - Москва, 1987, У Четаевской конференции "Аналитическая механика, устойчивость, управляемость". - Казань, 1987, на 14, 16, 18, 19, 21, 22 расширенных заседаниях Совета по управлению движением морских судов и аппаратов, ИПУ РАН, 1987, 1989, 1991, 1992, 1994, 1995 гг., Всесоюзном семинаре "Динамика нелинейных процессов". - Таллин, 1987, II Всесоюзной конференции "Нелинейные колебания механических систем". - Горький,