Синтез и исследование авторулевого надводного мини-корабля «Нептун» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Синтез и исследование авторулевого надводного мини-корабля «Нептун»

В.Х. Пшихопов, Б.В. Гуренко 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 [15] 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 с соответствии с результатами, полученными в [6], имеет следующий вид:

( х„ ^ ( соб р Бт р 0^ ( V ^

т-

- Бтр соб( 0

0

0

1

V

(

V У У

(1)

йг

(

Jy Л

=ки+к+яг + Рв

(2)

= миу + мА + мг + мв

где т - масса судна; V - продольная скорости судна; ЯА , ЯГ,м/,мГ -гидро- и аэродинамические силы и моменты создаваемые ими; ^ - момент инерции относительно оси У; у - угловая скорость относительно оси У; ри, ми - управляющая сила и момент, создаваемые двигателем и рулевой

колонкой; х^, ± - скорость изменение координат положения центра тяжести корабля в неподвижной системе координат; р - скорость изменения угла ориентации в неподвижной системе координат.

Синтез авторулевого На основе теории позиционно-траекторного управления [1,2,3,4] проф. Пшихопова В.Х. сформируем 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:

¥ тр =р-р = 0

¥ = V - V = 0

ск х з

где V ,рз -заданная скорость и курс надводного мини-корабля. В соответствии с методикой, описанной в [2,4] получим

(3)

К. =-м ¥ - К - К

(4)

где ¥и=

-Т;1х*ск -(ТТ2)-1[(Т + т2У¥ тр +¥ тр_

;Тъ Т2, Т3 - постоянные времени; Рв -

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:

г = -Ьг - ЬМХ - Ь(?и + ^ ) Р. = г + ЬМХ

где Ь =

Г/ 0 ^ /2,

-коэффициенты наблюдателя.

Разработка моделирующей среды для исследования замкнутой системы управления надводным мини-кораблем

Для моделирования замкнутой системы в автономном режиме на языке МЛТЬЛВ 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 т-файле.

Для интегрирования уравнений кинематики и динамики используются встроенные в МайаЬ функции оёе23 и оёе45, которые предназначены для численного интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

На рисунке 1 показана структура программного комплекса. Файл Ьоа1;_тат.т включает задание параметров моделирования, вызов функции оёе45, которой передается имя файла ЪоаМип.т, рассчитывающего правые части дифференциальных уравнений модели мини-корабля. По результатам интегрирования строятся графики. В файле Ьоа1_ип.т на каждом шаге интегрирования происходит вызов функций планировщика, наблюдателей и регулятора.

boat main

\У

boat fun

Наблюдатель

Модель

Регулятор

м/

Планировщик

Построение графиков

Двумерные графики

Анализ результатов

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 (рз = 1 рад(57°) со скоростью движения V3 = 1.5м / с .

Значение коэффициентов в выражении (3) тр (Р , T1 = T2 = T3 = 1.5.

^ ск = Vx — 1, 5

Ограничения на управляющие воздействия установлены следующие:

Fmax = 40H а = ±300. Результаты моделирования представлены на рисунках 2-5.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

xg

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 My

0 - --20 -

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 F

Pi

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 alfa

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Fx

25

60

40

20

20

20

15

40

10

30

5

0.5

0 -

Рис. 2. - Траектория движения мини-

Рис. 3. - Управляющие силы и моменты, вырабатываемые

корабля

регулятором

ч ч

ч 1А ту 'с И Т Г 1 1111

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Рис. 4. - Изменение скорости движения мини-корабля

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

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 {х0=25;20=25). При решение позиционной задачи желаемый угол определяется как

уз = (

Х0 Хп

20 - ^

О

где текущее положение мини-корабля. При подходе к точке

позиционирования и при выполнении условия :

< е, где е = 3 м,

заданная скорость движения в выражении (2) принимается равной нулю Уз = 0м / с . Так как у мини-корабля отсутствует задний ход, то осуществить

более точное позиционирование не представляется возможным. Результаты моделирования показаны на рисунках 6-9.

1.5

60

50

40

1Л 30

20

10

Хо = 25;1о=25

0 5

10 15 20 25 30

хд

Рис. 6. - Траектория движения мини-корабля

Е

0 10 20 30 40 50 60

Му

0 10 20 30 40 50 60 70

Р

0 10 20 30 40 50 60 70

е№

0 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 7. - Управляющие силы и моменты, вырабатываемые регулятором

0 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 8. - Изменение скорости движения мини-корабля

50 45 40 35 30 м 25 20 15 10 5 0

0 10 20 30 40 50 60 70

1,0

Рис.9.- Изменение курса движения мини-корабля

Заключение

Полученные результаты моделирования подтверждают эффективность и корректность предлагаемых алгоритмов.

Работа выполнена при поддержке внутреннего гранта ЮФУ 213.0124/2013-109 и гранта РФФИ №13-08-00 249-а.

Рх

30

25

70

20

д15

10

5

0

1.4

1.2

0.6

0.4

0.2

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: 978-14244-7172-0.

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.