автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система автоматизированного управления движением подводного буксируемого комплекса

сaiîkт-петербургская государственная акадош

i! i ü од аэрокосмического приборостроойя

- ! ^ • '

Нз прамх руксписз

БУРАКОВ Mtaaiu Владимирович

система автоматизированного управления двйжение» подводного буксируемого комплекса

Споииальнасть: 06.13.01, - Управлонш в технически» систеазз

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискапио учояоя степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной акздоиии язрокоскичоского приборостроения

Научный руководитель - доктор ттшшчоских нзук.

профессор Попов О.С.

Официальные оппоненты:

доктор теккичзсккх наук, профессор Тииофооь А.Б. кандидат технических нэук. с.н.с. Кулряшов В.Е.

Ведущая организация - Иястетут придонных исследований

!

У

Защита состоится _ 19&3 года в _ час.

па заседании сгациализировгнкого совета К 063.?,Т.ПЗ Саню -- Петербургской государствонноя зкчдокии ззрокосмичоек'-то приборостроения по адросу-. 190000. г. Санкг-Петербург. ул. Б. Морская. 67.

С диссертацией кокко ознакомится в библиотеке ОПсГААП. Авторэфзрат разослан "__ 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.к., до цанг

3.3. «Т'идьчакоч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблемы автоматизированного управления сложными динамическими объектами, к-которым отноотгея морские буксируемые комплексы (БК). обусловлена йолыюя практической значимостью создапия эффективных человеко-машинных систем. а которых рэжетая. принимаемые операторе.«, максимально обоснованы и гарантированы от .ошибки. Это является весьма важным при проведении работ, связанных с обследованием значительных площадей океанского дна при помощи аппаратуры, установленной на борту подводного буксируемого аппарата <ПА). Неверно принимаемые решения по управлению судном -буксировщиком приводят к отклонению ПА. не имеющего собственных явижительньа органов, от заданной траектории движения и не позволяют достичь шлей функционирования комплекса.

Трудности, возникающие при управлении БК (основными элементами которого я&шкггея судно, протяженный буксифкыя. кабель-трос <КТ) и ПА), связаны с такими особенностями этого объекта. как большое транспортное запаздывание ПА по отношению к судну, сильное влияние внешних возмущений (характеристики которых могут быть в б о льве в или меньшей степени неиззестны) и недоступность для измерения значительной части координат объекта (что вызвано техническими сложностями при оснащении кабель-троса датчиками).

Целью работы является разработка структуры и алгоригмическо-го обеспечения системы автоматизированного управления двюконнэм подводного буксируемого комплекса (СУД БК). предназначенной для побьшэния точности и быстродействия при выполнении заданных режимов движения ПА.

Практический опыт проведения буксировок показывает недостаточность использования упрощенных линеаризованных ■моделей . для описания пространственных эволюции БК. Поэтому разработка эффективной в вычислительном отношении прогнозирующей имитационной модели является необходимым условием со&дания СУД БК.

Специфика использования имитационной модели заключается В необходимое.™ организации поисковых процедур как при настрошсэ кг.дйли по апостериорной информации, так и при прогнозировании с помесью У'.: до .та. Временные ограничения на выработку управляющих решения в сочетании с большими вычислительными затратами требуют •звторзтиззпик части интеллектуальных Функций оператора при работе с недель».

Настоящая диссертацивяная работа, посвящена разработке юте-

- Л "

грировэнноа управляющей системы, сочетающей метода численного моделирования и поиска с методами качественного анализа получаемых решения.

Сряди задач, которые для этого нужно решить, следует выделить основные, а имешо:

- разработать матемзтическую модель БК. наиболее отвечающую физическим предстззлениям и пригодную для использования в качестве- прогнозирующей модели в контуре системы управления;

- разработать процедуры настройки модели в реальном времени;

- разработать алгоритмы прогнозирования движения-.

- разработать алгоритмы поддержки принятия управляющих решения в условиях неопределенности о состоянии объекта.

■ Помимо этого, необходимо создать пакет прикладных программ для интерактивного моделирования БК и исследования алгоритмов управления, использующий средства машинной графики дзя визуализации и протоколирования эксперимента.

В. работе исгользоеэлись следующие основные методы исследования. Построение математической модели объекта управления базируется на основных результатах механики гибких нитей. Алгоритмы моделирования и застройки модели основываются на численных методах решения дифференциальных уравнения и поисковой оптимизации. Методы принятая решения используют теорию нечетких множеств (ЕМ) и технологию экспертных систем ОС). Анзлиз работоспособно.-™ основных результатов работы проводится по результатам морских испытаний комплекса.а также путем эксперимента на ЭВй.

В ходе выполнения диссертационной работы получены следукшо новые научные результаты:

" - концепция построения алгоритмического обеспечения СУД БК как интегрированной системы, в которой имигзшонное моделирование сочетается с методами принятия решения, используюидаи нечеткую логику и лингвистические переданные;

- принцип ситуационного управления движением в .условиях неопределенности;

- стратегия принятия'реаения, при настройке имитационной модели;

- процедуры моделирования и прогнозирования движения' буксируемого комплекса-,

- система автоматизированное^ управления движением бук сжуемого комплекса, построенная с использованием принципов и прецетур новизна которых оговорена цыэе:

Практическая ценность результатов работы определяется следующими факторами-.

1. Создано алгоритмическое обеспечение СУД БК, пригодность которого подтверждена результатами натурных испытаний комплекса;

2. Разработан пакет прикладных программ упрааляющэа ЭВМ. позволяющий автоматизировать процессы управления буксировкой, который может использоваться в качестве тренажера при обучения оператора СУД БК.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации были использованы в Институте океанологии РАН при создании глубоководного буксируемого исследовательского комплекса, в соответствующая НИР Санкт-Петербургской государственной академии азрокосмкческого приЗоростроения. а также в г-"б НИР Г53-101-3 ППК "Разработка принципов построения и исследование адаптивных систем управления подвижными объектами".

Апробация работы. Основные полояюния и результата диссерта-ционноя работы докладывались и обсуждались на 3 съезда Советских океанологов. Москва (декабрь 1987). на'2-оя Всесоюзной научно -технической конференции "Микропроцессорные средства автоматики". Новосибирск (май 1990). на научно-технической конференции "Проблемы создания морских технологических комплексов". Сашсг-Петер-бург (декабрь 1991). на 3-й научно-технической конференции "Системы автоматического управления летательными аппаратами". Москва (октябрь 1993г.). а также на конференциях и семинарах научно -технического общества им. акад. А.Н. Крылова и Санкт-Петербурге-ко« государственной академии эорокосмического приЗоростроения.

Публикации. По материалам диссертация сйублияоваяс II печатных работ.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, представленных на 152 страницах машинописного текста и иллюстрированных 44 листами рисунков, имеет, список литературы из 116 наименований.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Структура адаптивной системы управления, сочетающая ими-ционное моделирование с экспертными методами обработки знаний;

2. Методика имитационного моделирования характерных режимов движения буксируемого комплекса, ориентированная на использование модели в контуре системы управления;

3. Методика принятия решения при настройке модели:

4. Методика ситуационного управления движением.

содержание работы

Бо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, дана краткая характеристика работы.

Первый раздал работы посвящен обоснованию облей концепции автоматизации управления, развиваемой в данной работе.

Раздел начинается с описания условий и далея функционирования комплекса. Общий сценарий работы БК заключается в следующем. Судно выходах в задзнный район океана, используя надводные навигационные системы. В пределах обследуемого по.тагона работает гидроакустическая навигация (система с длинно?, базой), позволяющая достаточно точно определять координаты судка и ПА. Комплекс обследует полигон параллельными галсами, используя аппаратуру дальнего радиуса действия на борту ПА. После обнаружения обт-екта цель движения БК заключается в проведении ПА в непосредственной близости от объекта с целью его идентификации при помопи аппаратуры ближнего радиуса действия.

Таким образом, характерными маневрами БК являются обследование полигона параллельными галсами и вывод ПА в заданную точку полигона.

В раздала приведен краткий обзор основных работ, относящихся к рассматриваемой проблеме, кэ основании которого делается вывод о возможности применения принципа разделения движения при построении СУД БК. В качестве "быстрого" рассматривается канал управления глубиной погружения ПА, "медленного" - кзнал управления движением аппарата в плане.

Предлагаемая з разделе структура СУД КК предполагает участие трех человек: оператора СУД БК. судоводителя (штурмана) и оператора лебедки, степень детерминированности поведения которых существенно различна.

Изменение глубины погружения ПА осуществляется путем переключения лебедей на выборку или травление троса. Быстрота реакции система на команды управления глубиной погружэния позволяет считать. что действия оператора лебедей строго дотерминировзнны и заключаются в отслеживании заданного закона изменения глубины.

Действия судоводителя предполагают учет внааиих. слабо поддающихся прогнозу, возмущения и индивидуальных особенностей судна при .удержами»: его на заданной траектории (линии профиля). Поэтому можно .екчьэть. что судоводетель управляет реализацией реюения. пр/нкмзо^^то те втором СУД БК - главным лейстзуюида лиыом сисив-

га упр-а^тия (рис. I).

Ззяачи orc-.piiTcpa состоят а слздуклкем.-

- необходимо прогнозировать двияенк© судна, при котором ооо-схьчив^егся згдшнзд траектория доидания ПА:

- n-'.ow.wo кор;у*гп.ро»эть движение БК. основываясь на 1>.'кущгх «и'спочилх ко..-рдинчт система.

;;тл з-лиачи ;х-;гл»гея з условиях двойной неопределенности- ¡кч.'лродалпгамгп» из-за отсутствия информации о состоянии •л (¡¡о." '''.-:;';-.»! jU' уойг/гушых точек кт) и неполноты информации о .шгкхи шх «•..•зму^пч'.ях;

- ¡лип;>э;;г=!.:уш:осгь из-зи отсутствия достаточного опыта, ла-

.sovxom ¡игрулдоио ¿гаду многообразия возможных рабочих a..:v:e.4tift (глубины. скорости буксировки. течения).

,.сл i'i'irr iu-'-ohhi'v. чояеих (КМ> обг©гП-.Ч пос^лго"

о/зэть не.nj««с«.1;-: ячзсть. однако .мдоквчткостз модели т^обует пос-п н'П'лгм родооггидойн путем ег.плстэвлония с поведением объекта.

?гр.,v.,s v поиск уггазьлония при со такт. евкзь-.'!••. •• *":йг.-*ф.1г<ь-ч «¿числигольних окетор'/мелтоз. то

i'«.':.!W05aiffi3 ',1\ рввает лквь задачу генерации ЗЛЬТ<**0Натяч. '¡о гмтеа ствнекия я вс;йора альтернатив «осет оказаться нерочли-•»voM ;s»xwi® ^{'Joxthbhoa мололи п первую очяредь из -

- б.!/!ьи:г,! рго:ср:-;зсг,! пространства поиска, дефицита всомвни на ixstoww и трудностей интерпретации выходов объекта и мо-

7 ..•^сссртпииоаь-'-й рюсте преалокекя концепция построения •1г"р:-пмич?>с!'г»г') <)СГ'ргк>осяия СУД 54 как гибридной экспертное сис--'Л), c-4t-'T\i'fа пч'сет прикладных программ моделирования о •Г'-Дур-т« .V-iriT-'CCQTO «змяода. позволяющими проводить .экспертизу ;ic-jcKcivpsw.-rr*. э тякмя гагторпротировзть выходные» коор-.'.'.rj-ii-H ли исполы'^нии уотодов ситуационного управления (рис.Я) .'■Lit зге.м, ссуеи VM призвана предсказывать последствие гссткфотап' ; P'-^w.a in ynpsiiv-ipvyi. X может предписывать управлявшие решо-.nw. с ;.кс-аясь г>лз:ш. лаксплэьные в процессе предварительного .• ч ;! 5 учег;;ч ооббшюсте« управления объектом по его моде-•--л'Т!..- .'j^x-cTHEHocTb системы в целом зависит от того.

.! .-хv;""!!;r.' .'7--s;'or-4-'.-'KH9 п форко базы знаний нивелирует пе-1 •. 1г.и .XV •}p-ru".tt44jx»ico списания предметной области.

; .к: Pfii-f-'.'t рчботи посвящен разработке и исследованию мо' ,\!<v.;. v;"!^юл"»:. Роэльнь» параметры и условия зкегчуата-• <•»• '1. * -f.t:rr « x;jj-мегер редаемкх задач, позволяет "-птг-гь.

СУД БК в режиме советчика судоводителю

Рис. I

Алгоритмическое обеспечение СУД БК

к оператору от объекта

чтс физическим процессам наиЗолеё соответствует представление й> ксируемого комплекса в виде системы двух тел (судно и ПА), сивги ненных абсолкпгао гибкой нерастяжимой нитью (КТ)- уравнения дая*-мики которой в потоке жидкости в векторной форме имеют вид;

а (?с®.о <гг _ агк

-—- „ — т + т— * р р .

Л дз

(I)

где в - координата по длине нити; t - момент времени:

т - погонная масса КТ с учетом присоединенной массы

жидкости;

р - погонный вес КТ в воде: г - орт касательной:

г - главный вектор гидродинамических сил (который для • многопрядного троса можно считать состоящим ■ из нормальной и касательной компоненты). Первое уравнение системы (I) является нелинейным уравнением в частных производных гиперболического типа, з второе уравнение определяет условие неразрывности нити.

Граничные условия на концах нити должны описывать динамику взаимодействия КТ с судном и ПА.

Попытка использования математической модели судна с присущими этому объекту постационэрностью параметров, меняющимися при движении аэро- и гидродинамическими характеристиками и переменным составом средств улрзаяения чрезмерно осложнило бы модель и является самостоятельной сложной задачей. С другой стороны,' Геометрические размеры судна в десятки раз меньше характерных длин троса, у мо'дность судна может считаться достаточной для обеспечения любого мзноврз комплекса. Поэтому можно считать, что натяжение на коронном коние целиком определяется реакцией вытрэвлонной части КТ. и зэдэбчть граничное условие в виде вектора скорости, как некоторой функции времени, учитывающей кинематические ограничение на движение сугаз:

—7,7— т<».1>

= -т

с

т - тяга чэ гаке судна;

Псшгая малым лобовое сопротивление ПА. можно считать его компактным телом и пренебрегать изменениями угла атаки и натяжения КТ на холовом конца-.

в -Р

з=Ь

где - вес в воде подводного аппарата; ь - длина троса;

Таким образом, основной задачей при моделировании БК является расчет статических и динамических режимов движения нити в жидкости.

Под стационарным режимом БК понимается равномерное поступательное движение относительно морского дна. когда ве^ор скорости набегающего цотока может быть неизменны* для всех точек системы или изменяться в пространстве по направлению и модулю (в акватории с течениями).

В работе рассмотрены два алгоритма расчета статики БК.

Алгоритм I основан на использовании конечно - разностной аппроксимации и скалярной записи уравнений в проекциях нэ оси декартова базиса охгг (ось оу которого направлена к дентру Земли, осэ ох - ш скорости буксировки), что приводит к следующей системе:

ч " 1ч Кх ^ * v v

ту - ку А» ♦ v

V*»

(v / 'т. ' ■ V»»,

У с *й (v / v > » »'

(Я)

рсчтг а )■•

1.1' к»'

где А» - гаг интегрирования по доне троса; ¿тол «так/ троса-.

К^ = О. ^ССг)51Л9(<х->+Сгсо59Со^>Р;

К , " -йВжI У'ССШ СОсо$(и) -С сг^бО- ;

' 1 ь 1. Т

♦

Р - ПЛОТНОСТЬ морской ВОДЫ;

<1 - диаметр троса;

1 - номер узловой точки троса (1=0 на ходовом контр).

списг - нормальный и касательный гидродинамические коэффициенты.

Малость сг делает незначительным влияние касательной компоненты гидродинамической силы. В этом случае более удобным оказывается предложенный в работе алгоритм 2.. построенный с учетом того, что при стационарном движении в каждое точке нити вектор распределенной нагрузки лежит в соприкасающейся плоскости.

Записывая, уравнения статики в проекциях на оси связанного с точкой нити трехгранника, получаем систему.

Г:

О. SpdC V С1 -Sin & ЭДэ-Т. I-¡-ti-M-pSind As»0:

Cosö J i

= T * p Cosd Дз ;

Sin» -Sin»)

■Г

Co sä J

X = As Sin» + 4 ; (3>

■ «i i.t i v '

Y = Дз Cos<> У ;

a ~ П/-2 - O ; t v

Расчетные формулы могут быть применены и для случая установившегося движения в неоднородном потока.. Для этого достаточно учесть измэнение модуля и направления скорости набегающего потока и условие компланарности сил. приложенных к точке троса (рис. 3).

Расчет стационарного режима задает начальны© условия динамического режима. Для численного решения системы (I) в работе Выбран метод сеток, поскольку всякое гиперболическое уравнение может быть приведено я системе уравнений первого порядка, что позволяет получить простые аппроксимации частных производных. При использовании декартова базиса (I) в отношениях конечных разностей имеет

ВВД:

Д ' i i» Д i .т i .т i ,»

~7Т V ; V ; V »-Г- Т ;Т ;T . + F ;F ;F\ + 0;p:Ö At ч V и! Дз ч" V я| «' »' a I I

,ДХ 4Y iZ .

Us • ¿s ' As I T i *x' V T~

<4>

где дt - шзг интегрирования по времени. Используя явные одпошагоЕые разностные схемы, алгоритм вычислений сводится к следующим этапам (алгоритм 3)>

т

ствцивнлтмя хсн*мг9рди.ия - ■сртнкпльным плям

Рис.3

етяципмтм ((»»игямци» - те»мои1ят.пын яляп

г i

Рис. 4

-И -

- определяется гранитов условие на коренном кош© троса-,

- рассчитывается скорости узловых точек КТ (от коренного к ходовому концу);

- рассчитывается натяжение з узловых точках и их координаты , (от толового к коренному кошду).

после чего происходят переход к следующему временному слою.

По.чученкыа алгоритм оказался устойчивым ь широком диапазоне ларакетров (при соблодении необходимого условия д5) Д Однако нэг иятел^ирозакия по времени должок Еыбирэться достаточна малым №1 отслеживания быстрозатухаяадах колебания, обусловленных дойст-зирм сил инерции.

Незначительность инерционных сил при аволюциях троса' позво-шот получить достаточно точные (как это показало моделирование) юшения при введении малого параметра и перехода от динамических ; квазистатичоскин уравнениям. •

Прообразованные уравнения динамики могут быть реиеян только гри пренебрежении касательной компонентов гидродинамической силы, слабость влияния которой подтверждена моделированием). В этом случае в рассмотрение может быть введен интеграл нэтядаяия. су'ще-твуюшиа. когда нз нить действуют потенциальные и нормальные. си-5.1. Натяжение в точках КТ оказывается функцией текущей кояфигурэ-ли троса, а скорости его точек должны определяться путем решения ^линейных уравнений баланса см в нормальной плоскости (частный лучаи - первые два уравнения (3)).

Первое уравнение системы (4) в этом случае преобразуется в истому трех нелинейных уравнения относительно V,, и кото-эя мотат быть те иен а только итерационными методами, поскольку ? вляотся сложной функцией V и т.

Гораздо более аффективным оказывается использование ■ связанно с каждой узловой точкой базиса, ояга орт которого направлен • т касательно?, э два другие расположены в нормальной плоскости, элученнэя система двух уравнений допускает прямое решение вида?

(5>

хт в и с - переменные, определяемые координатой точки и нлтяжони-зм в ней-, и "" проекции скорости точки на нормальные оси.

Процедура мода.'трОЕанкя сводится при этом к циклической пос-

ледователыюсти действий. (алгоритм 4)=

- по известной конфигурации КТ рассчитываются нормальные скорости его узловых точек;

- рассчитывается новая конфигурация КТ. соответствующее ей распределение сил натяжении и касательных скоростей.

Выделение малого параметра при численном решении (I) имеет определите значение дм быстродействия модели, поскольку позволяет увеличить шаг интегрирования по времени примерно на два порядка. Сравнение решений, полученных: при использовании алгоритмов 3 и 4 показало их достаточную для целей прогнозирования близость.

В разделе проводится сопоставление моделей динамики КТ. основанных на уравнениях нити и шарннрно - стержневых моделей. Показано.' что два подхода эквивалентны при правильном учете моментов сил. приложенных к стернмям. и вида диффэрэнциально-разност-ной аппроксимации.

Раздел завершается исследованием возможностей идентификации модели по апостериорной информации от объекта. Так как алгоритмы 2 и 4 содержат ль один требующий уточнения параметр - с^ (оценка которого фактически одноразовая), основное внимание в работе уделяется сигнальной настройке модели. При одинаковых начальных условиях и входном сигнале (траектория судна) могут сравниваться выхода объеота и модели, то есть координаты аппарата х. V. 2 и дина тросз. Функция ошибки может быть выбрана в виде линейного расстояния выходов объекта и модели для статики, и среднего линейного расстояния - для динамики: 1 г '

где а - вектор настраиваемых параметров;

1 - момент времени;

п - количество рассматриваемых измерения;

т - индоко. относящийся к выходу модели.

Исследования показали, что функция ошибки вида (6) оказывается в общем случае мультимодэльной в сиду нелинейной зависимости от параметров модели течений (направление, скорость и профиль по глубине. количество течений). Иллюстрацией этого положения служит рис. 4. где цифрами I и 2 обокначены годографы ПА при разумной ориентации относительно поверхностного течения с разними скоростями. а цифрой 3 - относительно двух течений - поверхностного и глубинного). Эта особенность позволяет сделать вывод, что матоды поисковой оптимизации могут применяться на завершающем этапе, а

предазствовать им должны процедуры оценки альтернатив, оперируемых моделью, с целью поиска окросности глобалыюго минимума.

Третий раздел работы посвящен автоматизации задач принятия решения, возникающих перед оператором СУД БК. Всего выделяются четыре задачи; две задачи прогнозирсвания движения, задача выбора параметров модели и задача ситуационного управления.

Раздел начинается рассмотрением задач стратегического прогнозирования траектории (прокладки курса) буксирного судна при переводе аппарата на заданный галс (задача I) и при вывода аппарата в заданную точку (задача 2). Прогнозирование при решении этих задач основывается на предположении достаточной степени' адекватности ИМ объекту на интервале прогноза и на возможности отслеживания судном линии заданного пути (ЛЗП). Программная траектория'строится, как совокупность участков движения в циркуляции и по прямой.

Показано, что при решении задачи I оптимальный (по времени исполнения) мзгевр судна может быть найден путем перебора ограниченного количества вариантов (не более 6). Использование имитационной модели, необходимо здесь для учета смещения линии пути ПА от ЛЗП в условиях действия течений. Алгоритмы решения задачи I рассматривают судно, как материальную точку, движение которой на разных участках траектории подчинено логическим условиям, зависящим от ее положения, скорости и координат цели.

Решение задачи 2 предваряется анализом взаимного положения элементов БК и цели. В тег случаях, когда расстояние от аппарата, до целевой точки но превышает или близко к отстоянию ПА от судна (при заданной скорости движения), необходимо использовать неустановившийся режим движения БК. Прогнозирование заключается в проведении вычислительных экспериментов с коррекцией управления в зависимости от получаемой оаибки.

В остальных случаях при решении задачи 2 может бьггь использован установившийся режим движения. В присутствии течений необ-шдимо определять курс судча. при котором отклонение ПА от ЛЗП ;уднэ в статике равно отклонению це-ти рт ЛЗП. Для минимизации вы-теслигелъных за фат г-ри решении этой задачи предлагается перейти с табличному заданию функции отклонения ПА от ЛЗП в зависимости >т курса судна, предварительно рассчитав определенное количество жорных точек и проводя затем интерполяцию между ними с исполь-юванием В-сплайнов.

Пр^ер прогнозирования траектории при выводе в точку показан

на рис. Б.

Вторая часть раздела посвядаш» задаче принятия решения при настройке прогнозирувдэа модели в контура управления (задача 3). Этот процесс происходит в условиях дефицита времени, что позволяет получить л;ль конечное число (до несколько десятков) альтерна-. тивных вариантов. В роли геноратора альтернатив здесь выступает оператор. Поскольку он может располагать субъективной, требующей уточнения, информадией.:

Предлагаемая процедура принятия решения основана на использовании лингвистических переменных й нечеткой логики. Вводятся лингвистические, переменные (.ТП). характеризующие состояние БК и определяемые кортежем .</)№.Tm,xj> ¡/где - наименование m-й ЛТ. Tw - ее терм - множество, - универсальное множество:

ftt, "отстояние ПА от судна";

ftt-. "отклонение ПА от,_ линии, истин кого курса судна"; "длина троса"; ...

^¡. "глубина погружения ПА"...

Терм-множество опт;ЛИ образуется нечегкими переменными, полученными путем "размьпия"'зксшримонтальных данных, так что конкретное значение яв-ияется, середаюй. основания трапеции, описывэю-ющей функцию принадоемнос-Ти'терма И упрощенном формате.

Т - Т <u j {x)>x)i X « 1х . и J;

«I ' * гп\г. мак '

j"» .•

к - card(Tw)i

* ^(yjvph j ' Щ;

где - числовое рнэчекиу величины, соответствующей Р^

в момент времени-ij.

Совокупность введенных ЛИ с $*х терм-множествами, полученными на основании J-го эксперимента., может быть названа нечеткой траекторией модели.

Следующий шаг заключается в построении нечеткого отношения

На множестве термов каждой ЛП:

к у . .. ' '

R1 « У У

гл Lt ¿4 m t*\ w' » m m* ''

V s I j в |

где ^(т^.-Н) = ^UyJ-t.V)

тл

Совокупность нечетких отношений характеризует структуру нечеткой траектории, полученной при 1 -ом недельном эксперименте-

Рис. 5

Р*С. 6

■ m • 1

Анагсгиччо на основании кифорадянк:« от ,udT4iv"o:> '»предллястся ссруктурз но i.'ткоя траокторш оОкжга . Для ьычас.ч«чия сшии*

3Kbi1B':.;<.n«-.4'.<MÍ ClpyKTJ'p ЕЭЧУГКИХ ТраУЫирРЙ !!V¡. -.•¡L.iViilcji tiv л\»Я Лигиt; . uy.4uir140HHUMM Cnop.JHV«î»Ht

- - *« , (I - (7)

i ц t;. » Т . г .vi т

r> (jr..

Ь i î Г iipo,RcrabJ.örf пример к-с киасчо vw-fe.'o судчя о у.хГлчнь'М1 екгкальишл boav/sj^iws». tswc гнул-им'. нч н'к'гь БК. 0 качестве ¡сального дьгьк^.'.ц. ,";лизосте

!wrocw»y естаяьььэ варианта, рясс^-л; ич-».>.ея ь-!рл-:нт Г

течьгпш . i ъ ■ H'jri'j 1вГ'ёииг» i ск-н

Тлченй>1

7 :

!

Ч ■: ) 1 (Г>'5,Ц) (MC) \ i';

Ü . ó 0 0.5 Г." 0 ;

i С) 0.5 :<63 0.I3

> . i) Р.Б лпп :YU 0.12

' ) . • 5 >:; П..1 ;'!. : ■

0 0.4 /..»-/о ; i ^ 'о 0.84

л 0.4 хат 7CÎÏ 0.8?

i 33 5 -• Г, О.Ь

; 340 - - 0.3?

п.?" -

•'••г-»1---.'йч лтгп&тствия при принята.! ;чя»м.*/. тр-яч ус-тся. как

.î'.'uKCl i'WK'dil ,..->р»МОКНаЯ, И ПО КрИТОрДО (?) 5 Я fi М<>-

->п скгь !K>r-7c>w;n tí соответствия лиаг»ч;<л;:чс>сч:!1; .ч* г;;" "xi^so •'•rr.<!UîTr,V">", •) В.-;|.'ИЗ!1ТУ 7 - "ПЛОХО г-^ОТЬвТС-'-уеТ". X¡! Г.>1 у>,. , v-поч rp. ••lv:r«>|.4U

!•,• "Г?-с >.< "■ ■•"щ'-даыд'И црои?ходог t '.шуер--!:сд::,!'.'Ж píi:wf-- <. и . ; U¡v vr^i'jík'íUTL поиск Ь 'ipOC; -üiOi-' .. у.

." .I1!'-', л.' к '■■'■Vi' M;"«' OH'j'ÏKH, ЪЧД'ГтУ.; 'V О СУ/'"■■"'О ñ ,

•' /Л'СП ■ :> .'..W .v:y'"¡r/'V-!.'.;v. VII-

.. \ii ■. . ■ !•" ■- ." ■ {-V.TÍV. ''-.) r!:.v! ч!;!-1 Í4 ".•'i>-y ус.

ровэния точностью.

Для решения этой задачи предлагается использовать процедуру сравнения ситуации. формируемой на основании оперативной информации от датчиков, с эталонными ситуациями базы знания (ЕЗ). которые кроме описания ситуации содержат предписание об управлении. Поскольку получение знаний ой управлении от оператора Щ затруднено из-за широкого диапазона возможных условий эксплуатации, в работе предлагается альтернативный подход, заключакада.ея в индуктивном накоплении знаний путем раскрытия причинных или прйцзаден-тннх взаимосвязей при моделировании процесса управления.

Дчя представления знания в работе используется нечеткая продукционная система, применение которой позволяет избежать дискретности функционирования обычных продукционных правил и обеспечить работу в случаях неполного соответствия входной ситуации содержимому бэзы знаний.

Вводятся лингвистические переменные, характеризующие процесс управления:

: "отклонение цели от линии курса судна" ■■ "отклонение цели от линии курса аппарата";

/?7 ■. "разность курсов судна и ПА".

Размеры их базовых шкал (\-5- ) связываются с рабочей дайной троса в установившемся режиме движения при .заданной глубине и скорости буксировки. Для термов ЛП принято:

саг<1(Т(/Э )) = 10; т=зТ7;

Функции принадлежности термов равномерно распределяются по базовой шкале.

Нечеткая ситуация образуется следующим образом-.

7

^ ■ I у «

П1

«о

гда м;(у„) = I (т;>^;

и для входной нечеткой ситуации;

а для нечетких ситуация базы знаний:

Вычисление эквивалентности входной нечоткоя ситуации и сету-эниа базы знаний происходит по формула:

a{ss.) * fc . i <I-|M" <t')-t' - £ (8)

о* л . , tn ttt j m

€ S/СТ T i rr i m

Ситуации полагается нечетко равными, если о > еПОр. где выбирается t?n0p е со.В. 13.

При обучении используются алюритмы прогнозирования в условиях полной информации о параметрах модели и среды. Управление рассматривается дискретным, с тремя значениями: "циркуляция на правые борт", "цир^ляция на левый борт" и "прямолинейное движение".

Заполнение БЗ происходят с дискретом, соответствующим интервалу принятия решения в реальных условиях. Дяя этого входная нэ-чэткэя ситуация сравнивается последовательно с левыми частями продукция БЗ с целью ее идентификации. Если соответствие по критерию (8) не наадэно. то происходит запись входной ситуации и использованного управления б БЗ. Этот процэсс продолжается до выполнения условия окончания эксшримента. Затем задача формулируется с другими начаяьными условиями.

Процесс обучения занимает порядка 2-3 часов (дяя хвм рс at), эго результатом является несколько сот продуманных правил.

При ситуационном управлении движением ищется наиболее близкая к текущей в смысле (8) эталонная ситуация. По результату поиска вширается соответствующая рекомендация об управлении.

Пример выполнения вывода ПА в точку под управлением правил X приведен на рис.в.

Уникальность продукционных правил базы знаний предполагает шзариаетвость управления по отношению к внешним и параметрическим ьозмудениям. что справедливо лишь в некотором диапазоне условия. Раоширэние количества ЛП. потребных дяя описания возникающих ситуация, снижает эффективность нечеткого представления. Поэтому для обеспечения адаптивности системы предлагается использовать набор баз знания, соответствующих существенно различным значениям параметров. Еыбор конкретного варианта может быть произведен на основании предло!ке.чЕого suae алгоритма принятия решения при настройке модели. Могут быть также выделены инвариантные пр&вила управления. справедливые во всех ситуациях.

Таким образом, при решении задач 3 и 4 применен практически один v тот же. общий для ЭС принцип, заключающийся э сравнении входной ситуации ч эталонными ситуациями базы знаний. Ко если при решении задачи ?, база знаний формируется динамически, то'при решении задачи 4 БЗ статичесхая. сформированная в реноме off im<?.

-Ш-

Чятвортый раздел работе посвящен анализу работоспособности разработанного алгоритмического обеспечения СУД БК по результатам натурных испытаний.

Вначале исследуются статические режимы движения БК с целью оценки наиболее значимого параметра - коэффициента нормально» гидродинамической силы.

Затем проводится сопоставление результатов натурных испытаний и имитационного'моделирования- которое показывает, что ИМ согласуется с данными натурных испытания.

Далее представлены материалы натурных исследований работы комплекса в динамических режимах движения, дается оценка эффективности алгоритмов управления. Были выполнены два типовые маневра: перевод на галс и вывод в точку. Ионьшая. чем при моделировании, точность управления комплексом в натурных условиях объясняется техническими трудностями удержания судна кз заданной траектории, ч также сбоями в работе гидроакустической навигационной системы и на линиях обмена ЦВМ СУД БК с измерительными системами,

основные результаты работы

1. В настоящей диссертационной работе разработана структура, алгоритмическое и программное обеспечение системы автоматизированного управления движением подводного буксируемого ' комплекса, предназначенной д*я повьячения точности л быстродействия при выполнении заданных маневров подводного аппарата-. , •

2. Предложена концепция построения системы автоматизированного управления двишшэм сложного объекта. как интегрированной системы, в которой вычислительные эксперимента с имитационной модзлно интерпретируются с использованием методов искусственного кггвллектз.

3. Разработана методика имитационно!э моделирования движения буксируемого комплекса на основе численного решения .уравнений статики и динамики нити в потоке. учитывающая реальные параметра объекта и с рады. и ориентированная ва- использование в контуре» системы управления:

4. Предложены.алгоритмы прогнозирования движения буксируемого комплекса для решения характерных задач управления-,

Б. Разработана'методика принятия решения при настройке имитационной _модели по апостериорной, информации'от объекта, использующая лепто-лингвистнческое описание выходов объекта и модели.

и позьоляющая упорядочивать реализации, генерируемые моделью, по степени их соответствия наблюдаемому выходу объекта.

в. Предложена методика ситуационного управления движением в условиях неопределенности о состоянии объекта, заключающаяся в сопоставлении ситуации, формируемой по информации от датчиков, с эталонными ситуациями бэзи знания, сгенерированной на основании экспериментов с имитационной моделью объекта'.

7. Создан пакет прикладных программ Для моделирования и отладки алгоритмов управления комплексом (на базе ibm рс ат). широко использующий машинную графику и пригодный для использования в качестве тренажера оператора СУД ЬК.

8. По результатам натурных испытания показана пригодность предложенных алгоритмов в,практике морских исследований.

публикации по теш диссертации.

1. Андреев И.к., Бураков М.В., Истомина Е.Б. Программная и аппаратурная реализация эдативной системы управления движением йсодадоЕательского тдаодногу аппарата. '^Тезисы докладов 3-го еьесда Советских океанологов, Москва, декабрь 1087г. ' -

2. Уодалкроцаниэ статики шдводеого буксируемого комплекса. Бураков М.В., Попав O.G. Лен. ин-т авиац. приборестр. Л. 1990. ТСс.- <5и±л. 3 иазо. Рукопись деп. в ВИНИТИ I54.C3.90 N093-B9O. -

3. Построение вычислительной модели динамики подводного буксируемого кэмгимкеа. Бур«кон Ч.В.. Попов О.С., Сиротхин Е.Я. Лен. ин-т аьиац. приборостр. Л. 1990. 15с.. библ. 9 назв. Рукопись дег». в ВИНИТИ 12.02.60 M09.J-R9C.

1. Бураков М,Б. Расчет стационарных режимов даижшия под-водно» буксируемой систолы а морской среде с точениями. Алгоритмы и -программы, n 8- Т9ЭЭг.. с.24.

5. Бураков.U.В., Сиротккн Е.Я.. Аадроев И.А. Интерактивное программное обеспечение задачи упраадания движением буксируемых комплексов.--Тозксы докладов 2 Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматики" Новосибирск, мьй 1930г.

6. Бураков М.В. Моделирование пространственных даканий подводного буксируемого комп}вкса. Алгоритмы и программы- и I, 1891г.. &.6.

7. Бураков М.В. Система поддержки принятия решения судоводителем при буксировке подводного аппарата. Алгоритмы и программы.

г. IOOIr.. с. 16.

8. Бураков М.В., Попов O.e. Принципы построения сетуацион-» моде.гл управлении пространственна движением подводного cr-ируомого аппарата. Мат. НТК "Проблемы создания морских (нплогичоских комплексов" . Санкт Петербург 3-4 декабря 1991г.

0. Бурзксз M.D.. Попов О.С. Формирование базы знания управ-гяя экспертной системы- С.-Пб. акад. аэрокосм, приборостр. Спб г". . 2Тс.. ийблисгр. 25 назв. Деп. в ВИНИТИ 19.СБ.93 м I329-B93 TD. Пураков М.З.. Попов O.G. Экспортные процедуры при наст-!ко имитационной модели буксируемого комплекса-- С.-Пб. акад. »oK'X'v. приборостр. Спб.. 1993г. 23с., Библиогр. 14 назв. Деп. >ИНИТ»' I9.X:.Ç3 N ТЗЗО-иЭЗ.

ТТ. Буракив М.В.. Попов О.С. Адаптивное управление с элемен-и искусственною интеллекта Тезисы докладов 3-я научно-тех-огК"а конференции "Системы автоматического управления латато-'ii;n.'.:['Vi чми". Москва, октябрь 1993г.

>->н?ил N 020341 от 27.2.91г. Подписано к гвчати <Q(t 9Л :мэт 60*84 lie. Офсетная печать. Усл.-гоч. л. 1.0. Уч.-изд.

1.0. Тираж 100 экз. Ззк. n^V

•апринт ГА/UI J900UJ. Санкт - Петербург. ул. Б. Морская. 6?.