автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Синтез системы обработки информации и управления движением судна, использующей данные спутниковых навигационных систем

На правах рукописи УДК 629.12:621.396.9.1

г Го ОД

2 2 ДЕН Ш

Довгоброд Георгий Моисеевич

Синтез системы обработки информации и управления движением судна, использующей данные спутниковых навигационных систем

05.13.14. «Системы обработки информации и управления»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа кыполнена в Государственном унитарном предприятии Цен-

тральном научно-исследовательском институте «Курс»

Научный руководитель- кл.н. Ю.И.Бородин.

Официальные оппоиспгы: _

¡1}ер. оп^ tc.it ^с д.т.н. МтИ. 'шчинадэе,

к.т.н. С.Н. Галавгин Ведущая организация - ГНПО «Агат»

защита состоится уЛ6 » с^/СОсЛ^уЯ 2000 года в час. На заседании Диссертационного совета Д 130.03.01 во Всероссийском НИИ «Альтаир» по адресу: г. Москва, ул. Авиамоторная, д.57, зал заседаний НТС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ «Альтаир».

Автореферат разослан 2000 года.

ученый секретарь

Диссертационного совета, д.т.н., профессор

стратов.

о + ош-о&.ом-м^о

I. Общая характеристика работы

Диссертация посвящена решению прикладных задач. связанных с рачра-бопсоп н ачданием ашомаппнроваппых систем обработки информации и управления движением судна, использующих данные спутниковых навигационных систем.

Автоматизация процессов управления движением судна прсдсктляс! собой одну из важных чадач судовой автоматики. С точки зрения анализа и синтеза, системы автоматического управления (САУ) движением судна обладают рядом специфических особенностей. Такими особенностями являются:

♦ большая инерционность объекта управления - судна;

♦ изменение в широких пределах параметров, характеризующих динамику объекта управления;

♦ необходимость реализации нескольких режимов работы СЛУ;

Ф iii прок и II дпаи.1 юн мощное. i н по imn 1Ц:но1щ|\" ihm '(eile i niiii,

♦ необходимое!!, высокой надежности рабоп.1 СЛУ для обеспечения достаточного уровня жопомическнх показателей и безопасности гжеплуатации судна.

Существующие авторулевые не полностью удовлетворяют современным требованиям, в частности;

- не компенсируют ошибки в движении по заданному курсу при боковом ветре и волнении;

перегружают рулевой привод при разви том волнении;

не обеспечивают необходимую точность управления при развитом

волнении;

- не перестраиваются параметры САУ при изменении динамических характеристик судна.

В настоящее время благодаря прогрессу технических средств появилась возможность разработать усовершенствованные САУ движением судна лишенные перечисленных недостатков.

В России и в США создан^!, одобренные международной морской организацией (ИМО), спутниковые навигационные системы (СНС) второго поколения «Глопасс» и «Мавстар» соответственно. Расположенный на судне приемник

СПС пмрпПшмшкч' текущие коорцшшп.! м пекюр лбеощшmuí скорое iн evnim Для измерения угловой скорости судна и горизонтальной плоское i и можно использовать недорогой волоконный датчик угловой скорости (ДУС). Промышленный микроконтроллер позволяет реализован- сложные ашоршмы оОраГмпкн измерений и управления в реальном масштабе времени.

Использование указанных технических средств позволяет разработать систему управления движем судна, у которой основным источником информации является не датчик курса, а приемник спутниковой навигационной системы, что позволяет обеспечить стабилизацию относительно заданного путевою угла и парирование бокового смещения. Кроме loro, блатдаря применению в системе приемника СПС и датчика угловой скорости появилась возможность уточнять параметры математической модели движения судна в процессе рейса. Использование уточненной модели движения судна позволяет снизить уровень шумов и внешних возмущений в формируемых оценках фазовых координат состояния судна и вследствие этого повысить качество адативпою управления, особенно при развитом морском волнении.

Необходимость повышения качества функционирования САУ движением судна и возможность использовать для этого новые технические средства определяют актуальность данной работы.

Целью работы являлось создание алгоритмов, методик и программ, обеспечивающих разработку и функционирование усовершенствованной САУ движением судна, у которой отсутствуют, перечисленных выше, недостатки сущее i кующих ene 1см .

Основными методами исследований, использованными и рабою, являлись методы математического моделирования, теории управляемости судна, теории автоматического управления, методы разработки оптимальных СЛУ.

Новизна работы определяется тем, что на основе результатов данной работы впервые создана доведенная до конкретных инженерных решений система обработки информации и управления движением судна, в которой в качестве основного источника информации псиользуечся приемник cnyi нпковых навигационных систем.

Основными научными результатами, выносимыми па защшу, являются:

методическим подход к созданию системы анюмашческого управления движением судна на основе специальном обработки информации от спутниковых нишиационмых споем:

алгоритмы автоматического управления движением судна на основе специальной обработки информации от спутниковых навигационных систем;

наборы измеряемых параморов движения, обеспечивающие идентификацию состояния движущегося судна;

иарнмшы opyiciypi.i мафмци коэффнцмен ion обратом снят ндемшфп-катора (фильтра) состояния судна;

система математических моделей, обеспечивающих отладку и функционирование алгоритмов автоматического управления движением судна;

методика идентификации коэффициентов уравнений движения судна по измеренным параметрам движения;

методика выбора квазиоптимальных коэффициентов закона управления; методика выбора квазиоптималытых коэффициентов обратной связи идентификатора состояния судна;

разработка программной реализации алгоритмов автоматического управления движением судна;

создание специализированного стенда и инструментальных средств для верификации и отработки алгоритмов САУ;

en uuiiiiu- максгнш о образца ('АУ чпмжеммем судна.

Практический ценность pafion.i заключаоси и юм. чю ей pciyjibiaii.i обеспечивают повышение качества управления движением судна, а именно:

• ашомашческ'ое удержание судна на заданной ipacKiopun движения с компенсацией бокового смешения,

• уменьшение но сравнению с существующими авторулевыми загрузки рулевого привода и пропульсивиых потерь в условиях волнения при сохранении допустимой точности удержания на заданной траектории,

• возможность в процессе функционирования САУ перестраивать параметры алгоритма управления, в соответствии с изменением гидродинамических характеристик судна.

Кроме того, применение, разработанной САУ, даёг возможность исключить из состава навигационных приборов судна дорогостоящий гирокомпас и лаг.

Результаты работы получили внедрение при создании системы автоматического управления движением судна в ОКР «Судовождение», выполненной в рамках Федеральной целевой программы «Российские верфи».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на ряде семинаров и конференций, в том числе: на третьей международной конференции но морским интеллектуальным технологиям (Санкт Петербург, 1999г.), на второй международной конференции по судостроению (Санкт Псчероурт, 199X1), XXVI конференция по управлению движением судов и специальных аппаратов (г. Саратов, 1999г.), XXVII конференция по управлению движением судов и специальных аппаратов (г. Геленджик, 2000г.).

Разработанная автором система автоматического управления движением судна на основе данных спутниковых навигационных систем представлялась на выставке «Системы связи и навигации» (Москва, 1999г.).

Результаты работы опубликованы в 9 печатных трудах.

2. Структура и объем диссертации

Диссертация содержит 208 страниц, 40 рисунков и графиков. В список использованной литературы входя г 105 наименовании. Диссертация состиг ич введения, заключения, четырех глав, и приложения, которое включает в себя примеры обработки данных, полученных в ходе испытаний макетного образца системы автоматического управления движением судна.

3. Основное содержание работы

В первой главе дается общее описание проблемы, постановка задачи и методика исследований.

Рассматриваемая проблема осуществления автоматического управления движением судна является ключевой задачей в процессе навигации и судовождении II Шф^ДСЛЖ' I и|и|ц-К Т ПИШИ И. III 1ИНИ. Ь.ИЛИПИ . \ 111.1 и.....им.14 п1н , ||. ........

безопасности судовождения.

При решении данной проблемы необходимо учитывать как сложность объекта управления - судна (большая инерционность объекта управления, наличие переменных параметров, характеризующих поведение обьекта управления, необходимость осуществления нескольких режимов работы САУ, ограниченность выбора вида управляющих воздействий), так и необходимость учета и противодействия различным постоянно меняющихся внешним воздействиям (течение, ветровые воздействия, воздействия воли, изменения глубины мод килем). В соответствии с характером внешних воздействий СЛУ движением должна обеспечивать компенсацию внешних воздействий низкой частоты и удержание судна па заданной траектории движения, но не должна реагировать на внешние воздействия высокой частоты, реакция на которые может нерегру-

III II. мг \ ; Il I 11 IM 11141 |ч» '1:1 |>\ I ч

В практике судовождения известны ipn основные задачи.

1. Задача стабилизации судна на заданной прямой траектории, например, при движении судна в оiкрытом море.

2. Изменение направления движения (поворот) в широких пределах при незначительном изменении скорости, которое требуется при движении судна но извилистому фарватеру.

3. Маневрирование, т.е. изменение курса или скороеш пли и того и другого одновременно, например, при расхождении судом.

В настоящее время на судах отечественного флота наибольшее распространение получили авторулевые типов АБР, «Самшит», «Иечёра», «Лист». Эти авторулевые рассчитаны на применение, как с электрическими, так и с элсктро-гидравлическими рулевыми приводами.

Указанные авторулевые обеспечивают решение следующих задач (и имеют соответствующие режимы управления):

■ Автоматизация стабилизации судна на заданном курсе.

■ Автоматизация поворота судна.

Для осуществления автоматического управления движением судна во всех традиционных авторулевых создают замкнутую систему автоматического управления судно-авторулевой. Управляющим сигналом является или угол перекладки руля (отклонение пера руля от диаметральной плоскости судна) или скорость vi ча перекиачкн ручи. Дня выработки управчятощего сигнала чаще

всего используют линейный закон управления, который строится па основе применения следующих положений.

Регулируемой величиной является курсовой угол, i.e. угол между направлением на север и диаметральной плоскостью судна. В законе управления используется угол отклонения текущего курса ф от заданного ф,.

В связи с тем, что судно обладает высокой инерционностью, для уменьшения амплитуды рыскания и сокращения времени переходного процесса в закон управления вводится скорость изменения курса (угловая скорость поворота в горизонтальной плоскости) «>.

Исходя из жестких требований к точности удержания судна на заданном курсе, в закон управления вводят интеграл от отклонения ог заданного курса. Этот интеграл позволяет компенсировать боковое отклонение судна, вызванное несимметричным рысканьем.

Для обеспечения устойчивости и требуемого качества переходных процессов в закон управления вводят обратную связь по величине отклонения руля 5.

Таким образом, в современных авторулевых используют пропорциональный интегрально-дифференциальный (Г1ИД) закон управления (1).

¿ = KK-{<p-q>,) + Ka40 + Ky-\{q>-<p,)d<p-Ks-8 , (I)

где К„ К„„ Ку, Ks- коэффициенты закона управления.

Коэффициенты закона управления выбираются так, чтобы обеспечить выполнение следующих требований, предъявляемых к авторулевым.

■ Замкнутая система судно-авторулсвой должна быть устойчивой.

■ Должно обеспечиваться заданное качество переходных процессов и точность управления.

■ Необходимо исключить перегрузки рулевой машины при развитом волнении.

■ Управление должно удовлетворять некоторому экономическому или

|СХ|Н1ЧССКОМу Kpil ICplllil ОН I им,НИ,IUK I и

Для формирования коэффициентов закона управления используют линейную стационарную модель движения судна (2), которая обеспечивает иолу-

чаше практически дос1 оперных результатов при решении задачи стабппизации судна на заданном режиме движения и линейную стационарную модель рулевого привода.

ф-(0

/I /л, ,„ i (>,, /I i ,v., л i V/;

где R31, Q31, S31, R21, Q21, S21 - гидродинамические коэффициенты судна, зави-сяшие от скорости движения, от осадки судна и дру| их факторов;

ХА/ - суммарный внешний возмущающий момент, действующий па судно в iорнзонт алыюй плоскоеIи;

ZF,. - сумма внешних возмущающих сил, действующих на судно в боковом направлении.

II настоящее время и качесте источников информации дня рсаиизацнп чакона управления, как правило, используются гирокомпас, измеряющий угол курса ф, и рулевой датчик (РД), измеряющий 8.

Значение скорости изменения угла курса <п находится с помощью дифференцирования сигнала гирокомпаса, однако, точное дифференцирование реального сигнала физически неосуществимо. Поэтому результат дифференцирования, выполненного техническими средствами, имеет значительные ошибки и запаздывание.

Современные авторулевые не полностью удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям и имеют следующие недостатки.

■ Боковые воздействия ветра, воли и течений выпивают появление не компенсируемых ошибок бокового смещения.

■ Т.к. колебания курса, вызванные ветро-волновыми воздействиями, ле-

КЛ I It III "II ч с II ] и »11 \ • Ь;||| IMI :||| И >| ЧС III »1 о In Mil М »'II I i;ll IП Ч II \ i 'И'ИНН \ ( рг 41 ll'l О II

сильною волиенпя приводят к перегруже рулевого привода, а иногда и к его

ПОПОМ КС.

■ Использование неточных значений скорое)и изменения курса приводит к уменьшению запаса устойчивости замкнутой системы.

Важной особенностью судна как объекта управления является изменение в процессе эксплуатации его гидродинамических характеристик, что связа-

но с изменением загрузки, скорости судна и глубины под килем. Это требует, в свою очередь, перестройки параметров управления (значений коэффициентов

llOpil I 111.14 t hll U'tl II IMMIIK* УП|Ш111||-ШП1 ) I t 1111 IIIH I |>itilMI IHI|i.lMt- I |tilll III M lit I I II H >1

ется автоматически, то соответствующее управление шмываетсм адаптивным. а авторулевые с автоматической настройкой параметров управления - адаптивными авторулевыми. В настоящее время существуют только опытные экземпляры адаптивных авторулевых, а у серийных авторулевых корректировка коэффициентов обратной связи выполняется вручную. На практике получае1ся так. что большую часть времени судно плавает при нсоптпмальных значениях коэффициентов закона управления.

С внедрением систем спутниковой навигации появилась возможность получать на борту судна от приемника СНС текущие географические координаты, направление вектора скорости фму и абсолютную величину скорости судна V. Делались попытки использовать информацию от приемника CI 1С п интересах автоматического управления движением судна. Основные направления этих исследований были связаны с определением бокового отклонения судна по данным счисления спутниковых навигационных систем. Таким образом, спутниковые навигационные системы предполагалось использовать как некоторое вспомогательное средство, повышающее качество управления.

На основе данных от приемника СНС, при наличии мощных вычислительных средств на борту судна, появляется возможность обеспечить движение судна по заданному путевому углу (направлению вектора абсолютной скорости судна), а не по заданному курсовому углу, как это иыполияен-я и традиционных uiHopynvin.is. lit iv4:uiim конпрд прам'к'нпм, как и нч.цч'инн-, м»лш> m юно чить такие дорогостоящее устройство как гирокомпас.

Параметры, пмрлблтмнаемме приемником СПС. пошочяюг ш.шонн»iь идентификацию состояния судна. Это дает возможность создать на основе математической модели судна идентификатор состояния (филыр), обеспечивающий получение оценки фазового вектора, соответствующего движению судна в спокойной воде (т.е. можно значительно уменьшить воздействие волнения на САУ). В том числе, можно получки, более качественную оценку скорое m изменения курса.

В настоящее время существует возможность для измерения скорости изменения курса использовать недорогой датчик угловой скорости (ДУС) (например, волоконный датчик вращения). При наличии ДУС появляется возможность, используя данные приёмника СНС и ДУС, идентифицировать коэффици-сшы линейной модели угловою движения судна. ИсиользовЛп. эти коэффициенты в математической модели судна, применяемой в фильтре, и для автоматической корректировки в процессе плавания коэффициентов обратной связи закона управления и фильтра.

На основе указанных предпосылок в данной работе решается задача

I О 1Д11И1П1 <1111 ори I МИН, 1К-Ц1Ц1М, II |||НН | <ПМ М, о(|<| МС'ИМШИ >111111 |!|| ||>||Г>>>| ну II

функционирование усоисршсиепюшшиой СЛУ движением судна, использующем данные СПС. которая имеет следующие преимущества по сравнению с существующими авторулевыми:

• повышенную точность движения по заданном траектории;

• уменьшенную нагрузку на рулевой привод в условиях волнения при сохранении допустимой точности движения по заданной траскюрии:

• возможность автоматически перестраивать параметры СЛУ н соответствии с изменениями гидродинамических характеристик судна.

Для эффективного решения поставленной задачи в данной работе был сформирован методический подход к созданию СЛУ судна, состоящий из трёх этапов.

A. Разработ ка вариантов алгоритмов управления движением судна и структуры СЛУ.

B. Исследование эффективности вариантов алгоршмов па математических моделях, реализованных на ПК в среде программы МаШСАО. Верификация и проверка эффективности вариантов алгоритмов и структуры САУ на стенде полунатурного моделирования. Отладка на стенде программ, реализующих алгоритмы САУ, предназначенных для работы в микроконтроллере.

Г КиМ11И>'1,( 11:14 |1|»>1>1'|>КМ И 1111 I \ pill.IV \ Г Ч> >1111 >1 Ч I И11111:11II. Ч 1111 1' V 'I М С 1>> МГ

год и к, ал| орптмои м программ на макетном образце САУ.

При выделении задач, решение которых необходимо для создания усовершенствованной САУ учитывался следующим факт. Пели модель является

управляемой и идентифицируемой (что это так доказано в данной работе в каждом конкретном случае), то тогда выбор коэффициентов обратной связи в зако-' не управления и в идентификаторе состояния можно выполнять раздельно. Это I следует из теоремы о разделении, утверждающей, что характеристический многочлен замкнутой системы с идентификатором состояния ранен произведению характеристического многочлена системы с оОрапюи связью «по состоянию» без идентификатора и характеристического многочлена идентификатора. Указанная теорема позволяет отдельно друг от друга определять значения коэффициентов закона управления и коэффициентов обратной связи фильтра.

На основе указанного методического подхода в данной работе решаются следующие подзадачи, которые в совокупности обеспечивают разработку и ; функционирование усовершенствованной САУ управления движением судна, использующей данные СНС.

■ Синтез вариантов законов управления.

■ Разработка методики идентификации коэффициентов линейной модели углового движения судна, использующей данные приёмника СНС и ДУС.

■ Разработка методики формирования коэффициентов закона управления.

■ Синтез вариантов структуры идентификатора состояния.

• Разработка методики формирования квазиоптимальных коэффициентов обратной связи идентификатора состояния.

■ Создание системы математических моделей включающей в себя том числе: модель движения судна, модель привода руля, идентификатор состояния судна (фильтр), модель волновых возмущающих воздействий, модель ветровых возмущающих воздействии.

Для верификации и оценки эффективности разработанных алгоритмов и программ необходима всесторонняя апробация их в стендовых условиях. Для этого необходима разработка на основе ПК специализированного стенда и инструментальных средств, включая:

■ Синтез структуры стенда математического и полунатурного моделирования САУ движением судна, использующей данные СНС.

■ Разработка математических моделей САУ движением судна в среде программы \lathCAD на ПК.

■ Разработка программного обеспечения для микроконтроллера, реализующего алгоритмы автоматического управления движением суда, технологических программ, обеспечивающих проверку работоспособности ск'нда.

Для осуществления проверки в натурных условиях работоспособности алгоритмов п программ развиваемого подхода, необходимо:

■ Разработать методику проведения испытаний.

• Осуществить идентификацию коэффициентов уравнений реального движения судна по записям измеренных параметров движения при следовании судна по маршруту под управлением вахтенного рулевого.

■ Сформировать коэффициенты закона управления и матрицу коэффициентов обратной связи идентификатора состояния реального судна.

■ Провести испытания согласно методике.

Указанный комплекс задач был решен в рамках данной работы.

Во второй главе приводятся результаты синтеза алгоритмов и структуры СИС1СМ1.1 ПИ 1ЧМ.11 И'Ю МНи М1|Щ|И|С||МЧ ,ЧМ| I /М' 11 П1'М I ^ '(»1:1 11Л 1Ц'||11||С СПСЦПИ III.

ной обработки информации от приемника СПС и системы математических моделей. реализующей указанные алюршмы.

СДУ движением судна должна обеспечивать выполнение следующих основных задач.

■ Удержание судна на курсе с заданным путевым углом.

■ Выполнение изменения путевого угла на заданную величину.

■ Осуществлять управление на волнении с минимальным количеством перекладок руля при условии сохранения допустимой точности движения по заданной траектории.

11ри этом основным источником навигационной информации является приемник СПС. Для улучшения качества управления и повышения устойчивости системы управления может использоваться датчик угловой скорости (ДУС) для измерения скорое!и вращения судна в горизонтальной плоскости.

Для системы автоматического управления движением судна применены три варианта законов управления. Во всех трех вариантах используется линейный стационарный закон управления удовлетворительно работающий в совре-

менных авторулевых. Однако, в законе управления вместо обычно используемого угла курса применяется выработанный приемником СНС путевой угол или оценка путевого угла, полученная с помощью идентификатора состояния судна. Оценка путевого угла и других фазовых координат производится но методу ква-зиоптималыюй Капмановской фильтрации.

1) Закон управления (3) с использованием измеренных фазовых координат.

д - К*у ' (<Єà ~ <Рт 1 ) + ■<!>+ К,, - у- А'л ■ (>' , (3)

где фиу, - заданный путевой угол. К„у - коэффициент.

Этот закон управления применяется при отсутствии достаточно точной математической модели движения судна.

2) Закон управления (4) с использованием оценок фазовых координат движс-

Л Л <</',,. </',„, ) 1 Л„, <-> I К , I■ /ч , .'> < 11

ния судна полученных с помощью идентификатора сосюяпия. ')кн закон управления применяется тогда, когда возможны частые уточнения математической модели движения судна.

3) Закон управления (4) с использованием оценок фазовых координат движения судна полученных с номощыо идентификатора состояния судна с адаптацией по скорости хода судна. Этот закон управления применяется тогда, когда нет возможности выполним, чаете уточнения математической модели движения судна.

В работе рассматривается следующий алгоритм получения оценок фазовых координат. В качестве исходной рассматривается, обычно используемая при разработке авторулевых, линеаризованная система уравнений движения судна (5). с дополнительно учтенной зависимостью коэффициентов от скорости движения судна. ф-СО

где (1 - ути дрейфа;

у - боковое смещение; Ух - скорость продольного движения судна; 431, Гч. Язь Г21, Я21, постоянные коэффициенты.

Па основе системы уравнений (5) получены уравнения (6) идентификатора состояния судна 4-ого порядка (типа фильтра Калмана) для вычисления оценок путевого угла, угловой скорости, угла дрейфа и бокового смещения. В уравнении идеи| пфикаюра состояния судна возмущающие воздействия не входят, т.к. он используется как фнлыр для подавления шумовых составляющих в векторе фазовых координат судна. В приведенном варианте фильтра показана полная матрица коэффициент!! обратной связи.

Щ Г (Х-г^-ю-ыР-ьМ-З ~ (О =

~р ъ-соньу-р+ьМ-б тУШ-Щп)

где Кк| - элементы матрицы коэффициентов обратной связи I,;

неременные с крышечками - оценки соответствующих переменных

состояния.

При осуществлении автоматического управления движением судна по прямолинейной траектории в виду малости угла дрейфа р все коэффициенты при р и уравнение для р могут быть удалены, что понижает размерность фильтра до 3.

На основании принятого закона управления, доступных источников информации и принятого фильтра произведен синтез структуры системы автоматического управления движением судна (см. рис. I).

Структурная схема является обычной для СЛУ, использующих идентификатор чнчоипмч СЛУ функционирует смсдушщнм обратим. Приемник СПС вырабатывает', приблизительно. 1 раз в секунду текущие значения бокового отклонения (у), путевого угла (ф„у), путевой скорости (V) и передает эти параметры в компьютер. Нслн приемник СПС не вырабатывает боковое смещение (у), то оно может быть вычислено микроконтроллере по текущим координатам, вырабатываемым приемником СПС. ДУС вырабатывает текущее значение угловой скорости (О)).

Купу К» ш пу у

^У'1 1П' К) о* К> г

Щ>_ю Кр_у

К пу К О, К У

<Рпу-<Рт

(О-(О V—!'

(6)

Рис. 1. Структурная схсма СЛУ движением судна. Микроконтроллер но программе, реализующей плшршм раГкпы СЛУ,

рассчитывает текущее значение сигнала управления (расчетной скорости угла

пере кладки руля 8) и передает в исполнительный механизм привода руля.

Программное обеспечение СЛУ судна, реализующее алгоритмы управления, выполнено на варианте языка Син- для транслятора фирмы Borland для операционной системы MS DOS. Программное обеспечение состоит из основной программы, реализующей алгоритмы управления, и вспомогательных подпрограмм, обеспечивающих прием данных от источников информации, передачу управляющего сигнала в привод руля.

Структура основной программы представлена на рис. 2. Программно-алгоритмическое обеспечение разработанного алгоритма содержит в своем составе подпрограмм],!, выполняющие следующие работы:

■ Ввод данных, определяющих режим работы CAV, констант п ко-аффициешы. необходимые для работы алтртма.

■ Отображение текущей информации, ввод режимов работы и заданий для системы управления.

■ Прием из СОМ порта и обработки данных от приёмника СПС.

■ Приём из СОМ порта и обработка данных датчика угловой скорости и датчика угла перекладки руля.

Рис. 2. Структура основной программы

■ Оценивание фазовых координат.

■ Вычисление в соответствии с законом управления движением судна управляющего воздействия.

■ Вычисление управляющего воздействия в режиме «Ручное следящее» управление.

" Вычисление угла перекладки руля.

■ Отработка рассчитанног о угла перекладки руля.

■ Моделирование динамики дннжсипя судна, шщннн.ч возмущении н рулевого привода для отладки ал три гмов управления.

■ Запись протоколов работы системы в файл.

Для обеспечения работы алтртмои СЛУ, осущсетвпеп выбор наборов измеряемых переменных состояния (выходных переменных), обеспечивающих идентифицируемость состояния судна. Выбор осуществлен путем последовательного анализа возможных вариантов таких наборов и применения к каждому набору критерия идентифицируемости для линейных стационарных динамических систем.

В ходе исследования рассматривались следующие возможные варианты наборов выходных переменных.

{Ри}, {и }, {у}, {Ри, и }, {Ри, у}, {и, у}, {Ри, ш , у}

Использовалась следующая линейная стационарная модель движения

( —х-А X * Ь-6

dt (V)

Y -С X

где X - вектор переменных состояния системы У - вектор выходных параметров С - единичная матрица

А - матрица коэффициентов дифференциальных уравнений

движения судна[ 1 Ь - пек юр унриплсшш С - матрица наблюдения

Ри

Р у

где Ри - путевой угол

ш - угловая скорость судна в горзошальпой плоскости

Р - угол дрейфа у - боковое смещение

судна (7) с фазовым вектором (8).

Показано, что состояние системы может быть идентифицируемо с помощью любого из следующих четырех наборов (9) выходных переменных

{у}, {14., у), {<» , у}, {Ри,«>, у). (9)

Разработана меюдика выбора квазиоптимальных коэффициентов закона управления и коэффициентов идентификатора состояния движущегося судна. В качестве кртерпя эффективности используется взвешенная сумма оценки среднего квадратичсского оислоиепия путевого угла и оценки срсднеквадрашчсско-го отклонения угла перекладки руля (10).

где Эх - значение критерия эффективности;

5Е = +а2-5№ , (Ю)

Яф]- - опенка среднеквадратического отклонения путевого угла от задан-

1мщ i м:|' )г 1111 <1

N¡,1 - оценка среднсквадрашчсското ошюнения у|ла перекладки руля от пси флльпого положения;

ехф - коэффициент, учитывающий значимость отклонения путевого угла;

о,; - коэффициент, учитывающий значимость интенсивности перекладок

руля.

Дчя расчет коэффициентов обратной связи пденшфнкпюрл состояния (0) рафабоиш алюртм расчеш коэффициентов фнлмра по задашп.1м собственным числам фильтра снсзсмы, идентифицируемой с помощью одной выходной неременной. Алгоритм является модификацией алгоритма расчета коэффициентов обратной связи линейной системы по заданным собственным числам этой системы.

Пели система идентифицируема с помощью нескольких выходных переменных, то можно использовать теорему, утверждающую, что введением легко вычисляемой матрицы коэффициентов обратной связи любую линейную систему, управляемую несколькими входными переменными, можно привести к системе, управляемой одной переменной. Применение этой теоремы позволяет свести исходную задачу с несколькими входными переменными к задаче с одной входной переменной.

И третьей главе описываются разработанные методы математического и но1|М1:11 \ |>пш о мо>|<-|ц|||<>м:|IМ1 ч гм1'1гм|.1 :|нюм:11 пчг< ми п \ пр.чши-мпн чшпм-

нием судна, использующей данные приемника СНС. Для отладки вариантов алгоритмов работы САУ судна, программного обеспечения СЛУ судна, каналов передачи данных между устройствами и программного обеспечения, этих каналов необходим стенд математического н нолуиатурпо! о моделировании. В целях реализации стенда был произведен син тез структуры стенда математического н полунатурного моделирования СЛУ движением судна (рне.З). Обесие-

.7 ' ; Бло.!-¡реле.

•8 Пайелв ? управлейМ Ь) ! ' индйкац'ЙЙ ■ •Л, микроконтроллера

>] Ус]гр6йствр;;;с$(-Й'а ¿два ; ния сигнала д^тЦйка

[УЬтЬоЙётво со- . »ЦП

6й«£ия сигнала сложения руля и АЦП

14 Блокпй'гания ДУС

Рис. 3. Структура стенда полунатурного моделирования СЛУ

чение моделей, методик и технологических программ (рис 4).

Рис. 4. Соскш и взаимосвязи частых мшемашческпх моделей

В состав разработанных математических моделей и технологических программ входят:

1. Модель движения судна.

В качестве модели движения судна используется система линейных дифференциальных уравнений (5).

2. Модель привода руля.

В модели привода руля учитывается ограничение на скорость перекладки руля (11).

*„(6,) = 8„ если |5 |< 5пт иначе 6М • ^ Ш)

Ы

В модели привода руля учитывается наличие зоны нечувствительности и ограничение на угол перекладки руля (12).

Г§(51) = 0если|51| <8т;п иначе( 81если]51| <бтах нпиче5тах) (

Модель привода руля состоит из трех звеньев, показанных на рис. 5.

Рис. 5. Модель привода руля.

3. Идентификатор состояния.

В качестве идентификатора состояния используется система линейных дифференциальных уравнений (6).

4. Модель погрешностей приемника СНС.

В качестве модели ошибок приемника СНС используются гаусовскнн белый шум с нулевым математическим ожиданием и дисперсией равной дисперсии соответствующего измеряемого параметра.

5. Модель погрешностей ДУС.

В качестве модели ошибок ДУС используются гаусовский белый шум с нулевым математическим ожиданием и дисперсией равной дисперсии измерения угловой скорости заданного ДУС.

6. Модель волновых возмущающих воздействий.

В качестве моделей волновых вращательных (13) и смещающих в боковом направлении (14) возмущающих воздействий приняты суммы четырех синусоид с несоизмеримыми частотами и амплитудами (а,) пропорциональными четырем наибольшим составляющим ступенчатого представления кажущегося спектра развитого волнения. Для амплитуд должно выполняться соотношение

(15). Чш'ним, |11'||01||.'1\|ошн<"1 и и мплг'ш исжш |ш\т|ч1 опюпмнпй >'< x > i ш-1 i дующих прямоугольников ступенчатого представления сискфа. Т.е. моделями являются квазипериодическис всюду пленные обмотки четырехмерного тора.

Л „„.О = ■ X " ! ' "' ' «»■ ' '

23 •О

(13)

is 1 4

(14)

Л ,,. (/) = Л,,. • £ ■ 1' '

(IS)

/ 1

Частп.1 «>, „„ несоизмеримы между собой п чаетты <ч, ,, несоизмеримы между собой.

7. Модель печровых возмущающих воздейепшй.

Ветровые возмущающие воздействия учитываются в виде постоянною вращательного воздействия и постоянного смещающего воздействия.

8. Программа обработки и визуализации результатов расчетов.

По резулыагам полушнурною моделирования получены графики реализаций, основных фазовых параметров при использовании фильтра и без фильтра, показывающие характер изменения этих величин во времени.

a) Путевого угла ФпУ,|а всем интервале моделирования.

b) Путевого угла ФпУ 11 оценки путевого угла па выходе фильтра фцу на коротком временном отрезке.

c) Путевого ут ла ФпУ|ш леем интервале моделирования.

d) Путевого угла фцу " оценки путевого угла на выходе фильтра фцу на коротком временном отрезке.

e) Угловой скорости судна в горизонтальной плоскости ю (OMEGA) и оценки этой угловой скорости 0) (OMliGA _cslimation(l;ILTR ON))na коротком временном отрезке (рис. 6).

О угла перекладки руля 8ф при использовании фильтра и без использования

фпчыриЛ па кпр'чм'м пргмпптм трг псе

ОМЮЛЦМ I К ON) ОМГОЛ cstnnaliondTl I R ON) ОМГОЛН М 1ROI Г )

1'ис. 6. Графики угловой скорости.

Графики иа рис. б показывают, чго при использовании фильтра в СЛУ движения судна оценка угловой скорости имеет меньшую амплитуду колебаний, чем точные значения угловой скорости, что позволяет снизить нагрузку на привод руля.

В целом результаты произведенного полунатурного моделирования показывают, что на нерегулярном ионпсппи применение фшп.тра мозкопяс! уменьшим, (.'КО руля 01 нейтральною положения ночш в Л ра»а при нешачн-тельном увеличении СКО путевого утла.

Эти результаты подтверждают работоспособность принятых алгоритмов и правильность концепций, заложенных в данную работу.

В работе также показано, что разработанное нро|раммнос обеспечение САУ судна может быть использовано

• в качестве тренажера.

■ для проверки коэффициент» модели движения судна,

■ для выбора и проверки допустимости коэффициентов закона управления и коэффициентов обратной связи фильтра.

В четвертой главе приведены результаты натурных испытаний макетного образца системы автоматического управления движением судна, использующей данные СНС, и анализ эффективности предлагаемых технических решений.

Испытания макетного образца САУ судна проведены в ходе навигации 1999 года на теплоходе «Яков Свердлов». Испытания проводились в три этапа. Вначале были проведены швартовые испытания отдельных узлов САУ судна. Затем была выполнена проверка работоспособности отдельных узлов САУ судна в автономном режиме работы при движении судна но маршруту. В заключении была проведена комплексная проверка работы САУ судна.

ЧОЦС НеЩ.ПМНпП |||'|Н1Г<|Г|Ш Н'|<'1Ш|ф>П.МППЧ н|и||Щ|1(' Шин \|»:ПП1»'1ШП

движения судна по записям измеренных параметров движения при следовании судна по маршруту под управлением вахтенного рулевого.

В результате на основе использования метода наименьших квадратов в рекуррентной форме получены коэффициенты Г31, цц, ял, 01, 421, Я21 линейных дифференциальных уравнений (5) движения реального теплохода «Яков Свердлов». Реальная сходимость наблюдается после 150-200 итераций.

С помощью методики формирования коэффициентов закона управления используя, полученные в результате идентификации, коэффициенты уравнений движения судна были определены коэффициенты закона управления для макетного образца СЛУ движением т/х «Яков Свердлов».

Результаты расчета показали, что при изменении путевого угла на ЗОгр минимальная величина путевого угла в переходном процессе ~2.8гр, т.е. не превышает 10% от изменения курса. Время переходного процесса не превышает Змии. При сформированных коэффициентах закона управления требования к качеству переходною процесса по курсу выполнены.

Коэффициенты идентификатора состояния для макетного образца СЛУ движением т/х «Яков Свердлов» были определены с помощью методики формирования квазпоптимальных коэффициентов идентификатора состояния движущегося судна.

Расчеты по математической модели т/х «Яков Свердлов» с макетным образцом САУ в контуре управления судна при условии волнения в 3 балла показали, что использование фильтра в САУ при незначительном уменьшении дисперсии путевого угла (0.8) приводит к уменьшению дисперсии угла перекладки руля в несколько раз (—4).

Результаты проверки режима автоматического удержания судна на заданном курсе и режима выполнения градусных поправок в условиях плаванья показали, что в режиме удержания судна на заданной траектории при использовании САУ отклонение судна от выбранного генерального курса составило менее 1°

САУ судна обеспечивает режим поворота судна па новое направление в пределах ±70°.

4. Основные результаты и выводы

В ходе проведения исследований достигнуты следующие результаты.

1. Разработан методический подхода к созданию системы автоматического управления движением судна па основе специальной обработки информации oí ему iннкоимч и,пинaiiiioiiiii.is ninru.

2. Разработаны основные компоненты алгоритма автоматического управления движением судна на основе специальной обработки информации от

спутниковых навигационных систем, в том числе:

■ выявлены наборы измеряемых параметров движения, обеспечивающие идентификацию состояния судна на основе линейной модели движения судна;

■ получены 8 вариантов структуры матрицы коэффициентов обратной связи идентификатора (фильтра) состояния движущегося судна;

* подтверждено, что для идентификации состяипя движущегося судна достаточно измерять только боковое отклонение, это позволяет осуществлять автоматическое управление движением судна только по данным приемника СПС без использования ДУС (например, I» щучис ОТ Uft t;t Д V( '>

3. Автоматического управления движением судна.

4. Создана система математических моделей, методик и программ, обеспечивающая разработку САУ движением судна и функционирование стенда но-лунатурного моделирования, в том числе следующие модели и методики:

" модель движения судна;

■ модель привода руля;

■ модель погрешностей 11И CI 1С;

■ модель волновых возмущающих воздействий;

* модель ветровых возмущающих воздействий;

* программа, предназначенная для моделирования САУ движением судна;

* методика идентификации коэффициентов уравнений движения судна по измеренным параметрам движения;

■ методика выбора квазиоптимальных коэффициентов закона управления;

■ методика выбора квазиоптимальных коэффициентов обратной связи идентификатора состояния движущегося судна;

■ методика обработки протоколов работы САУ движением судна и представления результатов в графической форме;

■ подпрограммы вычисления коэффициентов обратной связи линейных САУ различной размерности по заданным собственным числам замкнутых систем.

5. Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий алгоритмы автоматического управления движением судна.

6. Проведенные испытания алгоритмов и программного обеспечения СЛУ на стенде полунатурного моделирования подтвердили работоспособность разработанных алгоритмов и программ и показали в частности, что при нерегулярном волнении применение фильтра позволяет уменьшить СКО руля от нейтрального положения почти в 2-4 раза при незначительном увеличении СКО путевого утла.

7. Разработана структура макетного образца САУ движением судна.

N I |ропеде|||.| штн.и.пш» мши'Шош пора щи СЛУ' п.| а'пчочодо «Якон ( псрд-лов» и проверка функционирования разработанных алгоритмов САУ в том числе в режиме автоматического удержания судна на заданном курсе и в режиме выполнения градусных поправок, показавшая, что в режиме удержания судна на заданной траектории при использовании САУ судна отклонение судна от выбранного генерального курса составило менее 1°. САУ судна обеспечивает режим поворота судна на новое направление (в пределах ±70°).

Полученные результаты позволяю! обеспсчип, повышение кпчестпа

функционирования САУ движением судна.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в

следующих трудах:

1. Довгоброд Г'.М., Кляч ко Л.М. Анализ данных полунатурного испытания системы автоматического управления судном нового поколения, построенной на основе использования ПИ СНС и разработка предложений по дальнейшим направлениям работ // Сборник трудов международного совета по управлению движением судов и специальных аппаратов - 1999. - С.87-92.

2. Довгоброд Г.М. Комплекс моделей для реализации системы управления движением судна // Судостроительная промышленность. Научно-технический сборник. Сер. Обшетехническая - Москва, 1999. - С.60-67.

3. Довгоброд Г.М. Методика поиска переменных состояния и наборов пере-МПШ1.1Ч гоггшжня. пбеспечим.'нощнх имен шфнцнрусмоси. 'птейной модели судна // Судне фошелыши промышленное п.. Паучтыехипческий сборник. Сер. Обшетехническая - Москва, 1999. - С.51-56.

4. Допгоброд 1 .М. Методика поиска оптимальных коэффициентов чакона управления и идентификатора состояния движущегося судна // Судостроительная промышленность. 11аучио-технпчсскин сборник. Сер. Обшетехническая - Москва, 1999. - С.57-59.

5. Довгеброд Г.М., Клячко Л.М. Оптимизация и синтез сложных сисгсм на основе иерархического ранжирования и оценки подсистем // Груды второй международной конференции по судостроению - Санкт Петербург, 1998. -С.64-67.

6. Довгоброд Г.М., Клячко Л.М. Оценка эффективности автоматизированной системы управления движением судов при проектировании морских транспортных систем // Труды второй международной конференции по судостроению - Санкт-Петербург, 1998. - С.42-45.

7. Довгоброд Г.М., Клячко Л.М. Стенд для моделирования системы автоматического управления движением судна, использующей Г1И СНС // Труды 3-ей международной конференции по морским интеллектуальным технологиям - Санкт-Петербург, 1999. - С.52-56.

8. Клячко Л.М., Довгоброд Г.М. Система автоматического управления путевым углом судна, основанная на использовании данных СНС // Труды юбилейной конференции в НИИ «Аврора» - Санкт-Петербург, 2000. - 9с. В печати.

9. Остропим !'.')., Клички Л.М., ДошоОроц Г.М., Дшжгп ').В. Псш.п.шпч системы автоматического управления движением судна по заданной Iраек-тории // Судостроение - Санкт-Петербург, 2000. - 8с. В печати.

Подписано к печати ......... 2000г. Обьсм 1,1 печ.л.

Заказ..... Тираж.....экз. Ьесплатно.

Ротапринт ЦНИИ «Курс». 105187. Москва. Кирпичная ул. 34а.

Введение.б

Глава 1 Анализ существующих методов автоматического управления движением судна и обоснование предлагаемых технических решений.

1.1 Анализ существующих методов автоматического управления движением судна.

1.1.1 Общая характеристика САУ движения судна. Судно как объект управления.,.

1.1.2 Математические модели судна как объекта САУ продольным движением судна.

1.1.3 Автоматизация стабилизации судна на заданном курсе.

1.1.4 Автоматизация поворота судна.

1.1.5 Автоматическая стабилизация судив на заданной траектории.

1.1.6 Оптимальное управление движением судна.

1.1.7 Адаптивное управление движением судна.

1.2 Анализ тенденций развитияспутниковых навигационных систем.

1.2.1. Назначение и принцип действия СНС.

1.2.2. Основные характеристики СНС ГЛОНАСС и НАВСТАР (GPS).

1.2.3. Основные направления развития СНС.

1.3 Общая постановка задачи исследования и общий подход к проведению исследований.

Выводы.

Глава 2 Синтез алгоритмов и структуры системы обработки информации и автоматического управления движением судна, использующей данные СНС. Создание программного обеспечения, реализующего алгоритмы обработки и управления движением судна

2.1 Синтез алгоритмов системы обработки информации и автоматического управления движением судна.

2.2 Синтез структуры системы обработки информации и автоматического управления движением судна.

2.3 Идентификация коэффициентов уравнений движения судна.

2.4 Выявление наборов фазовых координат, обеспечивающих идентифицируемость состояния судна, с помощью линейной модели движения судна.

2.5 Синтез вариантов структуры матрицы коэффициентов обратной связи идентификатора состояния судна.

2.6 Формирование квазиоптимальных коэффициентов закона управления и идентификатора состояния движущегося судна.

2.6.1 Методика формирования коэффициентов закона управления.

2.6.2 Методика формирования квазиоптимальных коэффициентов идентификатора состояния движущегося судна.

2.6.2.1 Алгоритм расчета коэффициентов фильтра по заданным собственным числам фильтра системы, идентифицируемой с помощью одной переменной состояния.

2.7 Оценка эффективности береговой автоматизированной системы управления судоходством при использовании на судах САУ движением судна.

2.8 Создание программного обеспечения, реализующего алгоритмы автоматического управления движением судна на основе специальной обработки информации от СНС.

2.8.1 Блок инициализации.

2.8.2 Блок отображения текущей информации, ввода режимов работы и заданий для системы управления.,.

2.8.3 Блок приема из СОМ порта и обработки данных от приемника СНС.:.

2.8.4 Блок приема из СОМ порта и обработки данных датчика угловой скорости и датчика угла перекладки руля.

2.8.5 Блок оценивания фазовых координат.

2.8.6 Блок законов управления движением судна.

2.8.7 Блок вычисления управляющего воздействия в режиме «Ручное следящее».

2.8.8 Блок вычисления угла перекладки руля.

2.8.9 Блок моделей динамики движения судна, внешних возмущений и рулевого привода.

2.8.10 Блок протоколирования параметров движения судна и работы САУ.

2.8.11 Блок ввода данных от датчика угловой скорости и датчика угла перекладки руля.

2.8.12 Блок отработки заданного угла перекладки руля.

Выводы.

Глава 3 Математическое и полунатурное моделирование системы обработки информации и автоматического управления движением судна, использующей данные СНС

3.1 Синтез структуры стенда математического и полунатурного моделирования системы обработки информации и автоматического управления движением судна.

3.2. Разработка математических моделей, методик и технологических программ для стенда полунатурного моделирования.

3.2.1 Частные математические модели.1003.2.2 Математическая модель САУ движения судна выполненная средствами MathCAD.

3.2.3 Разработка технологических программ, обеспечивающих проверку работоспособности стенда.

3.3. Анализ результатов математического и полунатурного моделирования системы обработки информации и автоматического управления движением судна, использующей данные СНС.

3.3.1 Результаты испытания блока приема из СОМ порта и обработки данных от ПИ СНС, блока приема из СОМ порта и обработки данных от ДУС и датчика положения руля.

3.3.2 Анализ эффективности алгоритмов САУ движением судна при использовании двумерного фильтра.

3.3.3 Анализ эффективности алгоритмов САУ движением судна при использовании четырехмерного фильтра.

3.3.4 Анализ результатов использования программного обеспечения САУ судна в качестве тренажёра.

Выводы.

Глава 4 Результаты натурных испытаний макетного образца системы автоматического управления движением судил, использующей данные СНС, и анализ эффективности предлагаемых технических решений

4.1 Испытания приемника СНС «Волонтер» с целью определения возможности применения его в САУ судна.».

4.2 Методика проведения испытаний САУ движением судна.

4.3 Результаты швартовых испытаний.

4.4 Анализ результатов идентификации коэффициентов уравнений движения т/х «Яков Свердлов» по записям параметров измеренных при движении судна под управлением вахтенного рулевого.

4.5 Анализ результатов формирования коэффициентов закона управления использующегося в макетном образце САУ движением т/х«Яков Свердлов».

4.6 Анализ результатов формирования матрицы коэффициентов обратной связи идентификатора состояния использующегося в макетном образце САУ движением т/х «Яков Свердлов».Л

4.7 Анализ результатов проверки режима автоматического удержания судна на заданном курсе и режима выполнения градусных поправок.

4.8 Анализ эффективности предлагаемых технических решений.

4.8.1 Уточнение состава аппаратуры САУ судна, построенной на основе использования данных приемник СНС.

Выводы.

Диссертация посвящена решению прикладных задач, связанных с разработкой и созданием автоматизированных систем обработки информации и управления движением судна, использующих данные спутниковых навигационных систем.

Автоматизация процессов управления движением судна представляет собой одну из важных задач судовой автоматики. Автоматическое управление движением на суднах осуществляют системы автоматического управления (САУ) движением или авторулевые.

С точки зрения анализа и синтеза, системы управления движением судна обладают рядом специфических особенностей. Такими особенностями являются: большая инерционность объекта управления - судна, изменение в широких пределах параметров, характеризующих поведение объекта управления, необходимость реализации нескольких режимов работы САУ, высокая мощность возмущающих ветро-волновых воздействий, необходимость высокой надежности работы САУ для обеспечения достаточного уровня экономических показателей и безопасности эксплуатации судна.

Существующие авторулевые не полностью удовлетворяют современным требованиям в частности:

- не компенсируют ошибки в движении по заданному курсу при боковом ветре и волнении;

- перегружают рулевой привод при развитом волнении;

- невысокая точность управления при развитом волнении;

- не перестраиваются параметры САУ при изменении динамических характеристик судна.

В настоящее время благодаря прогрессу технических средств появилась возможность разработать усовершенствованные САУ движением судна лишенные перечисленных недостатков.

В России и в США созданы, одобренные ИМО, спутниковые навигационные -системы (СНС) второго поколения «Глонасс» и «Навстарг» соответственно. Расположенный на судне приемник СНС вырабатывает текущие координаты и вектор абсолютной скорости судна. Для измерения угловой скорости судна в горизонтальной плоскости можно использовать недорогой волоконный датчик угловой скорости (ДУС). Промышленный микроконтроллер позволяет реализовать сложные алгоритмы обработки измерений и управления в реальном масштабе времени.

Использование указанных технических средств позволяет разработать систему управления движем судна, у которой основным источником информации является не датчик курса, а приемник спутниковой навигационной системы, что позволяет обеспечить стабилизацию относительно заданного путевого угла и парирование бокового смещения. Кроме того, благодаря применению в системе приемника СНС и датчика угловой скорости появилась возможность уточнять параметры математической модели движения судна в процессе рейса. Использование уточненной модели движения судна позволяет снизить уровень шумов и внешних возмущений в формируемых оценках фазовых координат состояния судна и вследствие этого повысить качество адаптивного управления, особенно при развитом морском волнении.

Необходимость повышения качества функционирования САУ движением судна и возможность использовать для этого новые технические средства определяют актуальность данной работы.

Целью работы являлось создание алгоритмов, методик и программ, обеспечивающих разработку и функционирование усовершенствованной САУ движением судна, у которой отсутствуют, перечисленных выше, недостатки существующих систем. • - 'V,.

Основными методами исследований, использованными в работе, являлись методы математического моделирования, теории управляемости судна, теории автоматического управления, методы оптимизации систем.

Новизна работы определяется тем, что на основе результатов данной работы впервые создана, доведенная до конкретных инженерных решений, система обработки информации и управления движением судна, в которой в качестве основного источника информации используется приемник спутниковых навигационных систем.

Основными научными результатами, выносимыми на защиту, являются: ~

- методический подход к созданию системы автоматического управления движением судна на основе специальной обработки информации от спутниковых навигационных систем;

- алгоритмы автоматического управления движением судна на основе специальной обработки информации от спутниковых навигационных систем;

- система математических моделей, обеспечивающих отладку и функционирование алгоритмов автоматического управления движением судна;

- методика идентификации коэффициентов уравнений движения судна по измеренным параметрам движения;

- наборы измеряемых параметров движения, обеспечивающие идентификацию состояния судна;

- варианты структуры матриц коэффициентов обратной связи для различных вариантов идентификаторов (фильтров) состояния судна;. .■

- методика выбора коэффициентов закона управления;

- методика выбора оптимальных коэффициентов обратной связи идентификатора состояния судна;

- разработка программной реализации алгоритмов автоматического управления движением судна;

- создание специализированного стенда и инструментальных средств для верификации и отработки алгоритмов САУ;

- создание макетного образца САУ движением судна.

Практическая ценность работы заключается в том, что её результаты обеспечивают повышение качества управления движением судна, а именно:

• автоматическое удержание судна на заданной траектории движения с компенсацией бокового смещения,

• уменьшение по сравнению с существующими авторулевыми загрузки рулевого привода и пропульсивных потерь в условиях волнения при сохранении допустимой точности удержания на заданной траектории,

• возможность в процессе функционирования САУ перестраивать параметры алгоритма управления, в соответствии с изменением гидродинамических характеристик судна.

Кроме того, применение, разработанной САУ, даёт возможность исключить из состава навигационных приборов судна дорогостоящий гирокомпас и лаг.

Результаты работы получили внедрение при создании системы автоматического управления движением судна в ОКР «Судовождение», выполненной в рамках Федеральной целевой программы «Российские верфи».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на ряде семинаров и конференций, в том числе на 3-ей международной конференции по морским интеллектуальным технологиям (Санкт Петербург, 1999г.), на второй международной конференции по судостроению (Санкт Петербург, 1998г), XXVI конференция по управлению движением судов и специальных аппаратов (Саратов, 1999г.).

Разработанная автором система автоматического управления движением судна на основе данных спутниковых навигационных систем представлялась на выставке «Системы связи и навигации» (Москва, 1999г.).

Результаты работы опубликованы в 9 печатных Трудах.

Выводы

Наземные испытания приемника СНС «Волонтер», установленного на движущемся автомобиле, показали возможность использования данных, вырабатываемых, этим прибором для управления движением судна.

Испытания макетного образца САУ движением судна, проведенные во время рейса пассажирского теплохода «Яков Свердлов», показали, что используя разработанные алгоритмы и методики можно во время движения выполнить: идентификацию параметров уравнений движения этого судна; сформировать коэффициенты закона управления и идентификатора состояния судна.

Проведенные испытания макетного образца САУ, использующей данные приемника СНС, на теплоходе «Яков Свердлов» и проверка функционирования разработанных алгоритмов САУ в том числе в режиме автоматического удержания судна на заданном курсе и в режиме выполнения градусных поправок, показали, что в режиме удержания судна на заданной траектории при использовании САУ судна отклонение от выбранного генерального курс« составило менее 1°. САУ судне обеспечивает режим поворота судна на новое направление (в пределах ±70°).

Заключение

В ходе проведения исследований достигнуты следующие результаты.

1. Разработан методический подхода к созданию системы автоматического управления движением судна на основе специальной обработки информации от спутниковых навигационных систем.

2. Разработаны основные компоненты алгоритма автоматического управления движением судна на основе специальной обработки информации от спутниковых навигационных систем, в том числе: выявлены наборы, измеряемых параметров движения, обеспечивающие идентификацию состояния судна на основе линейной модели движения судна; получены структуры матриц коэффициентов обратной связи для 8 вариантов идентификаторов (фильтров) состояния движущегося судна; подтверждено, что для идентификации состояния движущегося судна достаточно измерять только боковое отклонение, это позволяет осуществлять автоматическое управление движением судна только по данным приемника СНС без использования ДУС (например, в случае отказа ДУС).

3. Разработана структура макетного образца САУ движением судна.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий алгоритмы автоматического управления движением судна.

5. Создана система математических моделей, методик и программ, обеспечивающая разработку САУ движением судна и функционирование стенда полунатурного моделирования, в том числе следующие модели и методики:

• модель движения судна; модель привода руля; модель погрешностей ПИ СНС; модель волновых возмущающих воздействий; модель ветровых возмущающих воздействий; программа, предназначенная для моделирования САУ движением судна; методика идентификации коэффициентов уравнений движения судна по измеренным параметрам движения; методики выбора квазиоптимальных коэффициентов закона управления и ненулевых элементов матрицы коэффициентов обратной связи идентификатора состояния -движущегося судна; • методика обработки протоколов работы САУ движением судна и представления результатов в графической форме; ■ подпрограмма поиска коэффициентов обратной связи закона управления и идентификатора состояния по соответствующим заданным собственным числам.

6. Проведенные испытания алгоритмов и программного обеспечения САУ иа стенде полунатурного моделирования подтвердили работоспособность разработанных алгоритмов и программ и показали в частности, что на нерегулярном волнении применение фильтра позволяет уменьшить СКО руля от нейтрального положения почти в 2 раза при незначительном увеличении СКО путевого угла.

7. Проведены испытания макетного образца САУ на теплоходе «Яков Свердлов» и проверка функционирования разработанных алгоритмов САУ в том числе в режиме автоматического удержания судна на заданном курсе и в режиме выполнения градусных поправок, показавшая, что в режиме удержания судна на заданной траектории при использовании САУ судна отклонение судна от выбранного генерального курса составило менее Io. САУ судна обеспечивает режим поворота судна на новое направление (в пределах ±70°).

Полученные результаты позволяют разрабатывать САУ движением судна, обеспечивающие повышенное качество управления.

1. Автоматизация судовождения/А.А. Якушенков, К.Н. Денисов, В.Т. Кондрашихин, А.П.Ющенко. М.: Транспорт, 1967.364с.

2. Автопилот Минорского. Основы теории автоматического пилотирования и автопилоты: Пер. с англ./Под ред. Г.В. Щипакова. M.-JI.: Оборонгтз, 1939. С. 71-78

3. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. М.: Наука, 1966.

4. Андреев Ю.И. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976. 424с.

5. Бабаев A.M. Автоколебания следящих рулевых стстем/ЛГр. ин-та//ЦНИИ мор. флота. 1958. Вып. 14. С.52-64.

6. Барабанов А.Е. О стабилизации линейных нестационарных систем с неопределенностью в коэффициентах//Автоматика и телемеханика. 1990. №10. С. 30-37.

7. Басин A.M. Ходкость и управляемость судов.М.: «Транспорт», 1977.456с.

8. Березин С.Я. Автоматическое управление курсрм судна. JL: Судостроение, 1965.220с.

9. Березин С.Я. Проектирование судовых следящих систем. JL: Судостроение, 1966. 264с.

10. Ю.Березин С.Я. Синтез судовых автоматических систем. Л.: Судостроение, 1970. 280с.11 .Березин С.Я., Тетюев Б.А. Системы автоматического управления движением судна по курсу. Л.: «Судостроение», 1990. 246с.

11. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. М.; Наука, 1970. 575с.

12. Бесскерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. 2-е изд. М.: Наука, 1972. 767с.

13. Богуславский И.А. Идентификация методом организованного пе-ренбора//Изв. РАН. Теория и системы управления, 1996, №6, С. 67-77.

14. Васильев A.B. Управляемость судов. Л.: «Судостроение», 1989. 328с.

15. Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля. Л.: Судостроение», 1973. 511с.

16. И.Воронов В.В., Перфильев В.К., Яловенко A.B. Технические средства судовождения. М.: «Транспорт». 1988. 336с.

17. Голуб Дж., Ван Лоун Г. Матричные вычисления. М.: «Мир». 1999.548с.

18. Гофман А.Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плаванья. Л.: «Судостроение», 1978.258с.

19. Гусев A.M. Влияние ветра на пути и управляемость судна. М.: «Морской транспорт», 1954. 196с.

20. Дарховский Б.С. Об условиях грубости локально-оптимальной системы стабилизации//Автоматика и телемеханика. 1988. №5. С. 41-50.

21. Дарховский Б.С., Магарил-Ильяев Г.Г. О синтезе систем стабилизации/Автоматика и телемеханика. 1997. № 4. С. 144-154.

22. Джеймс X.,Николе Н., Филлипс Р. Теория следящих систем. Пер. с англ. 2-изд. М.: ГИИЛ, 1953. 464с.

23. Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и AT. М.: «Финансы и статистика». 1992.

24. Дмитриев С.П., Пелевин А.Ё. Обоснование возможности использования линейно-квадратичного подхода при стабилизации судна на траектории/ЛГироскопия и навигация. 1997, №4, С. 6582.

25. Дмитриев С.П., Шепель С.В., Мамонтов A.B. Использование инерциальных датчиков при управлении движением суд-на.//Гироскопия и навигация. 1993. №1. С.32-37.

26. Довгоброд Г.М. Комплекс моделей для реализации системы управления движением судна. Судостроительная промышленность. Научно-технический сборник, серия: общетехническая, Москва, 1999г., с.60-67.

27. Довгоброд Г.М. Методика поиска переменных юешяния и наОо-ров переменных состояния, обеспечивающих идентифицируемость линейной модели судна. Судостроительная промышленность. Научно-технический сборник, серия: обшетехническая, Москва, 1999г., с.51-56.

28. Довгоброд Г.М. Методика поиска оптимальных коэффициентов закона управления и идентификатора состояния движущегося судна. Судостроительная промышленность. Научно-технический сборник, серия: обшетехническая, Москва, 1999г., с.57-59.

29. Довгоброд Г.М., Клячко Л.М. Оптимизация и синтез сложных систем на основе иерархического ранжирования и оценки подсистем. Труды второй международной конференции по судостроению, Санк Петербург, 1998г., с.64-67.

30. Довгоброд Г.М., Клячко Л.М. Оценка эффективности автоматизированной системы управления движением судов при проектировании морских транспортных систем. Труды второй международной конференции по судостроению, Санк Петербург, 1998г., с.42-45.

31. Довгоброд Г.М., Клячко Л.М. Стенд для моделирования системы автоматического управления движением судна, использующей ПИ СНС. Труды 3-ей международной конференции по морским интеллектуальным технологиям, Санкт Петербург, 1999г., с.5256.

32. Дюжев Э.В., Клячко Л.М., Острецов Г.Э. Устройство управления движением судна. Заявка на патент. №98107216.78.

33. Дюжев Э.В., Клячко Л.М., Острецов Г.Э. Аппаратура автоматического управления движением судна. Патент на изобретение.

34. Дэвис М.Х.А. Линейное оценивание и стохастическое управление/Пер. с англ. М.: Наука. Гл. ред. ФМЛ, 1984. 208с.

35. Клячко Л.М., Довгоброд Г.М. Система автоматического управления путевым углом судна, основанная на использовании данных СНС. Труды юбилейной конференции в НИИ «Аврора». Санкт-Петербург. 2000. 8с. В печати.

36. Крылов А.Н. Теория корабля. Собр. тр.: В 12 т. Т. 9. Ч. 1. Поворотливость корабля. M.: АН СССР, 1948. 176с.

37. Коган М.М., Неймарк Ю.И. Нужно ли полностью идентифицировать систему, чтобы управлять ею? Алгоритмы управления и идентификации. Сборник научных трудов под редакцией Емельянова C.B. «Диалог» МГУ. 1997. С.62-76.

38. Коган М.М., Неймарк Ю.И. Адаптивное управление. Г. Горький. Издательство ГТУ. 1987. 57с.

39. Компьютер-верфь-корабдь:Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1981. 368с.

40. Лайниотис Д.Г. Разделение единый метод построения адаптивных систем. II. Упраление/ЛГИИЭР. 1976. Т.64, №8. С. 74-93.

41. Ламерен-Ван, Троост, Конинг. Сопротивление, пропульсивные качества и управляемость судов. Л.: Судпромгиз, 1957. 389с.

42. Ластеев A.M., Попова И.В. Современное сосстояние теории и практики разработок микромеханических гироско-пов//Гироскопия и навигация. 1998. №3(22). С.81-93.

43. Ли. Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление. Пер. с англ. М: Наука. 1966, 176с.

44. ЛукомскиЙ Ю.А.» Чугунов B.C. Системы управления морскими подвижными отьектами. Л.: «Судостроение». 1988. 272с.

45. Льюнг Г. Идентификация систем. Теория для пользователя. М.: «Наука». 1992. 432с.

46. Мастушкин Ю.М. Управляемость промысловых судов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 232с.

47. МацакА.А., Стрежмейстер В.А. Эксплуатация авторулевых. М.: Транспорт, 1973. 96с.

48. Миренский М.Г. Динамика систем автоматического управления движением на курсе динамически неустойчивых крупнотоннажных морских судов//Тр. ин-та//ЦНИИ мор. флота. 1973. Вып. 167. С. 17-26.

49. Михайлов B.C. Судовая электроавтоматика. Л.: «Судостроение». 1970. 496с.

50. Новиков Ю.В., Калашников O.A., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: «ЭКОМ». 1998. 222с.57.0льшамовский С.Б. Судовождение и правила плаванья по внутренним судоходным путям. М.: Транспорт, 1976. 296 с.

51. Павленко В.Г. Маневренные качества речных судов. М.: Транспорт, 1979. 183с.

52. Павленко Г.Е. Об устойчивости корабля на курсе//Науч. Тр. Ин-та/Одесс. ин-т инж. Мор. флота. Одесса: ОИИМФ, 1948. С. 3-13.

53. Пелевин А.Е. Об адаптации закона управления к параметрам модели судна при стабилизации на траектории//Гироскопия и навигация, 1998. №3. С. 31-38.

54. Пелегрен М. Статистический расчет следящих систем.М.: ГИИЛ. 1957. 223с.

55. Первозванский A.A. Курс теории автоматического управления. Учеб. ПоСоб. М.: Наука. Гл. ред. ФМЛ, 1986. 616с.

56. Першиц Р.Я. Управляемость и управление судном, Л.: Судостроение, 1983. 272с.

57. Полонский В.И. Судовые электроприводы. М.-Л.: Мор. трансп., 1952. 510с.

58. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1960. 792с.

59. Правила по конвенционному оборудованию морских судов/Регистр СССР. Л.: Транспорт, 1985. 290с.

60. Родионов А.И., Сазонов А.Е. Автоматизация судовождения. М.: Транспорт. 1983.216с.

61. Самонастраивающиеся системы: Справ./Под ред. П.И. Чинаева. Киев: Наук, думка, 1969.528с.

62. Сахаров В.В. Расчет оптимальных регуляторов судовых автоматических систем. Л.: Судостроение, 1983.168с.

63. Смирнов Е.Л., Яловленко A.B., Якушенков A.A. Технические средства судовождения. Теория. М.: «Транспорт». 1988. 376с.

64. Соболев Г.В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения. Л.: Судостроение, 1976.478с.

65. Современные навигационные средства // «Судоходство». №8-9. 1998. С.29-31.

66. Сопряжение датчиков и устройств ввода двнных с компьютерами IBM PC. Под редакцией Томпкинс У., Уэбстер Дж. М.: «Мир». 1992. 589с.

67. Справочник офицера противовоздушной обороны. М.: Военное изд-во МО СССР. 1981.342с.

68. Справочник по корабельной автоматике/ЛЮ.К. Баленко, П,И, Бухтеев, A.A. Кротов и др. М.: Воениздат. 1974. 326с.

69. Стефановский А. Исследование авторулевого типа ТС и комплекса судно-авторулевой на нерегулярном волнении :Автореф. дис. канд. техн. наук. Л.: ЛВИМУ, 1984. 14с.

70. Стренг Г. Линейная алгебра и её применения. М.: «Мир». 1980. 456с.

71. Суевалов Л.Ф. Справочник по расчетам судовых автоматических систем. Л.: Судостроение, 1977. 376с.

72. Теоретические вопросы построения АСУ крупнотоннажными судами. М: «Наука». 1978.212с.

73. Теория автоматического регулирования. Под. Ред. Солодовнико-ва В.В. Т1, Т2, ТЗ. М.: Машиностроение. 1967.

74. Тетюев Б.А. Динамические свойства управляемости морских транспортных судов/ЯГр. ин-та //ЦНИИ мор. флота. Вып. 97. С. 35-41.

75. Тетюев Б.А., Грозная Ц.И. Современные авторулевые. М.: Мор. трансп., 1960.80с.

76. Тетюев Б.А., Миренский М.Г. Повышение качества работы авторулевых при волнении//Тр. ин-та //ЦНИИ мор. флота. 1970. Вып. 131. С. 49-56.

77. Тетюев Б.А., Худяева О.С. Адаптивные авторулевые для морских транспортных судов//Судостроение. 1985. № 10. С. 22-24.

78. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования: В 3 кн./Под ред. В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение, 1967-1069. Кн. 1-3.

79. Техническая эксплуатация авторулсвых/Д.А. Мордовченко, П.Г, Панякин, А.Ф. Татарин, П.В. Куропаткин. М,: Транспорт, 1980, 104с.

80. Управление судами и составами/Н.Ф. Соларев, В.И. Белоглазов, В.А. Тронин и др. М.: Транспорт, 1985. 296с.

81. Учи Г. Персональные компьютеры для инженеров. М.: «Мир». 1990.268с.

82. Федяевский К.К., Соболев Г.В. Управляемость корабля. Л.: Суд-промгиз, 1963.376с.

83. Фейгин М.И. Управляемость корабля. Л.: ВВМУ им. Дзержинского, 1954.176с.

84. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем. 2-е изд. М.: Наука, 1966. 624с.

85. Фельдбаум A.A., Бутковский А.Г. Методы теории автоматического управления. М.: Наука главн. ред. ФМЛ. 1971. 744с.

86. Фрейдзон И.Р. Моделирование корабельных систем управления. Л.: «Судостроение». 1975. 232с.

87. Харисов В.Н., Перов А.И., Болдин В.А. и др. Глобальна спутниковая радионавигационная система. ГЛОНАСС. М.: ИПРЖР, 1998. 400с.

88. Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ. Пер. с англ. М.: Мир. 1989. 655с.

89. Чанг Ш.С. Синтез оптимальных систем автоматического управления: Пер. с англ. М.: ШИЛ, 1964. 440с.

90. Шалыгин A.C., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования. Л.: Машиностроение. 1986.320с.

91. Шлейер Г.Э., Борисов В.Г. Управление движением морских и речных судов. М.: Препринт ИПУ. 1981.

92. Ягодкин В.В., Хлебников Г.А. Гироскопические приборы бал-листическтх ракет. М.: Военное изд-во МО СССР, 1967. 216с.

93. Ярлыков М.С., Кудинов А.Т. Анализ субоптимальных алгоритмов обработки сигналов интегрированной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем FJ10HACC и GPSZ/Радиотехника. 199S. №10. С. 69-79.

94. Beiter S., Pquette R., San Filipo В., Goetz W. Precision Hybrid Navigation System for Varied Marine Applications. Q-7803-4330-1/98/IEEE

95. Kallstrom C.G., Astrom К J., Thorell N.E., Erikssson J., Sten L. Adaptive Autopilots For Large Tankers. Труды конференции в Хельсинки. 1978г.

96. Mathcad. User's Guide. MathSoft Inc. 1998. 372c.