Синтез и исследование авторулевого надводного мини-корабля «Нептун»

Аннотация

В.Х. Пшихопов, Б.В. Гуренко

Дата поступления статьи: 26.11.2013

В настоящей работе предлагается подход к реализации системы автоматического управления автономных необитаемых надводных кораблей на примере надводного мини-корабля "Нептун". Синтезированы алгоритмы авторулевого на основе теории управления динамическими объектами, разработанной проф. В.Х. Пшихоповым. Разарботана программа математического моделирования. приведены результаты моделирования, которые подтверждают корректность предлагаемых алгоритмов.

Ключевые слова: авторулевой, надводный мини-корабль, математическое моделирование

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

Введение

В настоящей работе предлагается подход к реализации системы автоматического управления автономных необитаемых надводных кораблей на примере надводного мини-корабля «Нептун». Как показано в работах [1- 5] многие подходы к проектированию систем автоматического управления обладают рядом недостатков. Наиболее значимые из них, это, во-первых, разделение движений по каналам, как это принято в классических системах управления подвижными объектами, которое может приводить к качественному несоответствию желаемой и реальной траекторий движения, во-вторых,  это разделение общего движения на движения в продольной и поперечной плоскостях. В автоматическом режиме такое разделение движений, которое имеет целью свести задачу синтез многосвязным нелинейным объектом к синтезу линейных односвязных регуляторов, приводит к потере качества управления в режимах больших отклонений.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что классическая структура и идеология построения систем управления движением работоспособна в ограниченной области координат. Если, какое-либо возмущение (например, сильное течение, которое нельзя компенсировать полностью из-за энергетических ограничений) выведет корабль в область «больших» отклонений, то это может привести к нарушению устойчивости и, как следствие, аварийной или критической ситуации.
Предлагаемые в работе подходы базируются на принципах управления динамическими объектами [1-5,7], а также на введении в структуру системы автопилотирования блоков оценивания[8-10] как параметрических, так и структурных возмущений.
Математическая модель
Математическая модель надводного мини-корабля “Нептун”, в соответствии c соответствии с результатами, полученными в [6], имеет следующий вид:
     (1)                                    
  (2)                                        
где m – масса судна; V_x - продольная скорости судна; – гидро- и аэродинамические силы и моменты создаваемые ими; J_y – момент инерции относительно оси Y;𝞈y – угловая скорость относительно оси Y;   – управляющая сила и момент, создаваемые двигателем и рулевой колонкой; – скорость изменение координат положения центра тяжести корабля в неподвижной системе координат;  – скорость изменения угла ориентации в неподвижной системе координат.
Синтез авторулевого
На основе теории позиционно-траекторного управления [1,2,3,4] проф. Пшихопова В.Х. cформируем такой закон управления, который позволит выполнять задачи позиционирования в точку и движения по заданному курсу. Для этого для модели объекта (1)и (2) введем следующие переменные:
 , (3)                                            
где -заданная скорость и курс надводного мини-корабля.
В соответствии с методикой, описанной в [2,4] получим
    (4)                                        
где ;Т₁, Т₂, Т₃  - постоянные времени;-оценка возмущающих сил.
Для оценки неизмеряемых внешних сил и моментов введем в структуру системы управления наблюдатель внешних возмущений. За основу возьмем структуру наблюдателя, разработанную проф. Медведевым М.Ю.[2,5].
Для формирования этой оценки получены следующие алгоритмы:
     (5)                                  
где  -коэффициенты наблюдателя.
Разработка моделирующей среды для исследования замкнутой системы управления надводным мини-кораблем
Для моделирования замкнутой системы в автономном режиме на языке MATLAB был разработан моделирующий комплекс. В этот комплекс входят программные модули наблюдателя, регулятора, блоков построения графиков и т.д. Основными элементами разработанного комплекса являются уравнений кинематики (1) и динамики (2) надводного мини-корабля, записанные в отдельном m-файле.
Для интегрирования уравнений кинематики и динамики используются встроенные в Matlab функции ode23 и ode45, которые  предназначены для численного интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
На рисунке 1 показана структура программного комплекса. Файл boat_main.m включает задание параметров моделирования, вызов функции ode45, которой передается имя файла boat_fun.m, рассчитывающего правые части дифференциальных уравнений модели мини-корабля. По результатам интегрирования строятся графики. В файле boat_fun.m на каждом шаге интегрирования происходит вызов функций планировщика, наблюдателей и регулятора.

Рис. 1. - Организация файлов при реализации модели мини-корабля на m-языке с использованием функций ode

Моделирование движения при движении по заданному курсу

Мини-корабль из точки (0;0) должен двигаться по курсу  со скоростью движения  .
Значение коэффициентов в выражении (3) ,. Ограничения на управляющие воздействия установлены следующие:
 .
Результаты моделирования представлены на рисунках 2-5.

Рис. 2. ­– Траектория движения мини-корабля		Рис. 3. ­– Управляющие силы и моменты, вырабатываемые регулятором
Рис. 4. – Изменение скорости движения мини-корабля	Рис.5.­– Изменение курса движения мини-корабля

Моделирование движения при позиционировании в точку
При решение позиционной задачи мини-корабль из начального положения должен переместиться в заданную точку (x₀=25;z₀=25). При решение позиционной задачи желаемый угол определяется как
,
где (x_g;z_g)- текущее положение мини-корабля. При подходе к точке позиционирования и при выполнении условия :
, где ,
заданная скорость движения в выражении (2) принимается равной нулю . Так как у мини-корабля отсутствует задний ход, то осуществить более точное позиционирование не представляется возможным. Результаты моделирования показаны на рисунках  6-9.

Рис. 6. ­– Траектория движения мини-корабля	Рис. 7. ­– Управляющие силы и моменты, вырабатываемые регулятором

Заключение
Полученные результаты моделирования подтверждают эффективность и корректность предлагаемых алгоритмов.
Работа выполнена при поддержке внутреннего гранта ЮФУ 213.01-24/2013-109 и гранта РФФИ №13-08-00 249-а.

Литература:

1. Пшихопов, В.Х. Позиционно-траекторное управление подвижными объектами [Текст]: Монография/В.Х. Пшихопов – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. –183 с.
2. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Структурный синтез автопилотов подвижных объектов с оцениванием возмущений [Текст]// Информационно-измерительные и управляющие системы. – 2006. – № 1. – С. 103-109.
3. Пшихопов В.Х. Аттракторы и репеллеры в конструировании систем управления подвижными объектами[Текст] // Известия ТРТУ. – 2006. – № 3 (58). – С. 49-57.
4. Пшихопов В.Х., Сиротенко М.Ю., Гуренко Б.В. Структурная организация систем автоматического управления подводными аппаратами для априори неформализованных сред[Текст]// Информационно-измерительные и управляющие системы. Интеллектуальные и адаптивные роботы. – М.: Изд-во Радиотехника, 2006. – № 1-3. – Т. 4. – C.73-79.
5. Пшихопов В.Х. Суконкин С.Я., Нагучев Д.Ш., Стракович В.В., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В., Костюков В.А., Волощенко  Ю.П. Автономный подводный аппарат «СКАТ» для решения задач поиска и обнаружения заиленных объектов[Текст]  // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2010. – № (104). – С. 153-163.
6. Пшихопов В.Х., Гуренко Б.В. Разработка и исследование математической модели автономного надводного мини-корабля «Нептун» [Электронный ресурс] // "Инженерный вестник Дона", 2013, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/   (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
7. Medvedev M. Y., Pshikhopov V.Kh., Robust control of nonlinear dynamic systems [Text] // Proc. of 2010 IEEE Latin-American Conference on Communications. September 14 – 17, 2010, Bogota, Colombia. ISBN: 978-1-4244-7172-0.
8. Pshikhopov V.Kh., Medvedev M.Yu., Gaiduk A.R., Gurenko B.V. Control System Design for Autonomous Underwater Vehicle[Text]
9. Pshikhopov V., Medvedev M., Kostjukov V., Fedorenko R., Gurenko B., Krukhmalev V. Airship autopilot design [Text] // Proceedings of SAE AeroTech Congress&Exibition. October 18-21, 2011.
10. Pshikhopov V.Kh., Medvedev M.Yu., Gurenko B.V. Homing Autopilot Design for Autonomous Underwater Vehicle[Text]
11. Федоренко Р.В. Алгоритмы автопилота посадки роботизированного дирижабля [Электронный ресурс] // "Инженерный вестник Дона", 2011, №1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2011/371   (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.