CC BY
46
Выпуск 1
УДК 629.5-52 М. М. Чиркова,
д-р техн. наук, профессор, ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»
Е. Н. Поселенов,
канд. техн. наук, ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»
ВЫБОР КРИТЕРИЯ ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ В УСЛОВИЯХ БЫСТРОМЕНЯЮЩЕЙСЯ
ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
SEARCH CRITERIA FOR PARAMETRIC ADAPTATION OF AUTOPILOT TO CHANGING NAVIGATION CONDITION
Рассматривается выбор критерия параметрической адаптации алгоритма управления объектом в условиях быстроменяющейся внешней среды.
The choice criteria for parametric adaptation of autopilot to changing navigation condition is discussed in this article.
Ключевые слова: авторулевой, ПД-алгоритм управления, показатели качества, принятие решения. Key words: autopilot, PD-control algorithm, indicators of quality, decision-making.
И
ЗВЕСТНО, что авторулевой с классическим непрерывным алгоритмом управления — пропорционально -дифференциальным — обеспечивает удовлетворительные показатели качества только при определенных внешних условиях — на тихой и глубокой воде. При ухудшении условий плавания (усилении ветра, волнения, на мелководье) качество управления ухудшается: увеличивается амплитуда рыскания судна около заданного направления, возрастают количество и амплитуда перекладок руля. Снижение показателей качества объясняется тем, что характеристика управляемости суд-
ю; ф; а,
на меняется с изменением внешней среды (Р), а коэффициенты классического авторулевого остаются постоянными.
На рис. 1 представлены осциллограммы записи координат состояния судна при натурных испытаниях работы классического авторулевого с пропорционально-дифференциальным алгоритмом управления:
U = К.ф + Km,
(1)
где и — управляющее воздействие на рулевой привод, ф — отклонение от заданного направления, ю — угловая скорость судна, К К2 — параметры авторулевого. Авторулевой Ф а
0,1%; 1°; 2°
Рис. 1. Штатный ПД авторулевой на т/х «Соболев» на мелководье в Белом озере
Рис. 2. Структурная схема системы «судно-авторулевой-привод руля»
работает в режиме стабилизации судна на заданном направлении, ф = 0.
Допустим, что авторулевой формирует управление на основании информации о текущем состоянии управляемого объекта:
и(0 = Жр ^ ю(^ аР аР р))>
где К1, К2 — параметры авторулевого, ю(^), ф(Л) — текущее значение координат состояния, а. — текущее значение угла перекладки руля, — текущее состояние внешней сре-
ды.
В современных авторулевых расширяют диапазон работоспособности авторулевого за счет его параметрической настройки. Обычно параметры К1, К2 настраивают по схеме, представленной на рис. 2. Управляющий сигнал подают на реальный объект и его математическую модель. При увеличении рассогласования |АГ| > 5 принимают решение о смене параметров К1 и К2. Однако, как указывалось выше, судно меняет свои характеристики при изменении состояния внешней среды, следовательно, и параметры модели должны изменяться, иначе информация АГ будет недостоверной.
В работе рассматривается способ принятия решения об изменении параметров регулятора без использования математической модели — подстройка параметров К1 и К2 по оценке текущих изменений показателей качества управления. Оценка качества автоматического управления может проводиться
как по частным показателям jk (n — количество перекладок руля в минуту, Т — период рыскания на заданном направлении, а — максимальное значение перекладки
max г
руля, ю — максимальное значение угловой
max
скорости рыкания, ф — максимальное зна-
max
чение угла отклонения судна от курса), так и
5
по обобщенным показателям Jt = где
к=1
Xjk — весовые коэффициенты. В данной работе рассматривались следующие обобщенные показатели:
JX =^15ІФп^.
Jг ~ ^"24 I ®max
+^13 I “max I, ^ +^23 I amax
J Ъ — ^34
f'max I +^33
a„
(3)
(4)
(5)
®max I +^35 I Фп
где л15, Л13, я,24, я23, А,34, Я35, Х33 — весовые коэффициенты, значения которых определялись желаемым вкладом каждого частного показателя (jk) в обобщенный (J). Подстройка параметров К и К2 должна обеспечить минимум J
В работе вклады показателей ф , а ,
max max
ю в J. считались равнозначными, базовые
max i * ’
значения Ji при идеальной среде приняты равными единице, возможные максимальные значения частных показателей взяты из осциллограмм рабочего режима движения судна в режиме его стабилизации на заданном направлении. При данных условиях получены следующие значения весовых коэффициентов:
X1S = 3,8, X13 = 0,5, Я24 = 31,3, Я23 = 0,5,
A,34 = 20,6, Я35 = 2,5, X33 = 0,33. (6)
Выпуск 1
Таким образом, для расчета показателей качества процесса управления имеем следующие зависимости:
•А =3,8|фпшх|+°,5|атах|, (7)
Л =31,3|ютах|+0,5|атах|, (8)
Л = 20>6 I «тах I +2’5 I Фта* I +0>33 | |. (9)
Выбор показателя Ji для использования его в алгоритме настройки коэффициентов авторулевого проводился по следующим признакам:
1) времени получения информации;
2) чувствительности показателя Ji к изменению состояния внешней среды ¥;
3) надежности (достоверности) информации, на основании которой принимается решение.
В работе [1, с. 209-213] было показано, что информацию с датчика угловой скорости получают раньше, чем с гирокомпаса (выигрыш во времени может составить от 15 до 50 с), поэтому с точки зрения первого признака (времени получения информации) целесообразно использовать показатель ,/2.
Оценка показателей по второму признаку — чувствительности к изменению внешней среды, проводилась по информации, представленной на рис. 3, где даны зависи-
мости комплексных показателей от состояния среды. Для построения характеристик были использованы данные из [1].
Рис. 3. Зависимости комплексных показателей от состояния внешней среды
Коэффициенты чувствительности показателя к изменению внешней среды рассчитывались по формуле (10). Полученные значения даны в табл. 1.
g ____ 'A'max
(10)
где J и J — минимальное и максимальное
mm max
значения показателей качества.
Таблица 1
Значения коэффициентов чувствительности обобщенных показателей
51 (J = /і(а, Ф)) 52 (J=/2(а, m)) 53 (J3 = /3(а, ф, m))
10,5 6,5 8
Из табл. 1 видно, что оценку ситуации для принятия решения об изменении коэффициентов авторулевого с точки зрения чувствительности показателя к изменению состояния внешней среды целесообразно проводить по обобщенному показателю J1.
Оценка показателей по надежности * проводилась косвенно по оценке дисперсии
= измерений.
ш Поскольку в реальном процессе регист-
рация текущих значений параметров производится от датчиков различной физической природы и соответственно точности, то оценки частных показателей получают с различными ошибками. Отсюда степень достоверности к проведенным оценкам различная.
Известно, что всякая, зарегистрированная прибором величина оценивается с некоторой погрешностью, которая не может быть исключена, так как определяется очень многими причинами, не поддающимися учету и не позволяющими получить один и тот же результат в различных измерениях. Можно полагать, что основная составляющая этих погрешностей оценивается классом точности датчиков. Для используемых на судах датчиков имеем данные:
Дф = 1,1°, Дю = 0,02 °/c, Да = 0,5°. (11)
max max max
Обычно производят mmax замеров всех величин, каждая со своей точностью. Среднее значение измеряемого частного показателя ( jk) оценивают по:
Зк ~
__ т=1
(12)
тп
По отклонению от среднего или ошиб -ке т-го измерения Д/кт = ]кт - ]к оценивают среднюю квадратичную ошибку (дисперсию) измерения частного показателя /к:
=
Еа//
2
кт .
(13)
га
Так как величины 3 являются линейной
г
комбинацией случайных величин /к, а пове -дение величины ]к описывается нормальным законом с соответствующими дисперсиями Стд, то и сама величина дисперсии показателя 3 подчиняется нормальному закону распределения. В этом случае
2? =А?1о!+^<+-. (14)
Используя информацию о классе датчиков (11), проводилась оценка значений для
•Л
каждого показателя качества 31 - 33.
Е2 =17,5349, Е2 =0,4544, Е2 =7,7595.
Л ? 7 7 •'З
Как показали проведенные расчеты, с точки зрения надежности показателя качества следует выбрать второй показатель ,/ и
использовать его для адаптации параметров алгоритма управления при изменении состояния внешней среды.
Таким образом, с точки зрения момента реагирования на изменение ситуации и надежности (точности) получения информации следует отдать предпочтение комплексному показателю 32. Однако анализ результатов натурных экспериментов показывает, что характеристика управляемости ю(а) меняет свой вид непредсказуемым образом 1-4 (рис. 4), где — идеальная среда, ¥А — мелководье.
По этой характеристике видно, что при выходе судна на мелководье угловые скоро -сти понижаются при тех же управлениях. Это влечет за собой временное улучшение (уменьшение) показателя 32 и соответственно принятие неверного решения. В связи с этим при неглубоком знании скрытых свойств объекта, а именно изменения динамики при изменении состояния среды, можно сделать неправильный выбор комплексного показателя. Таким образом, достоверность показателя 32 падает с выходом судна на мелководье.
Проведенные расчеты показали следующее: если приоритет отдавать второму признаку, то оценку качества управления следует проводить по 31, если первому или третьему, то по 3. Но, ввиду указанной выше особен-
Рис. 4. Характеристики управляемости одного из речных водоизмещающих судов при различном состоянии внешней среды
Выпуск 1
ности неустойчивых на курсе объектов — менять свою динамику с изменением состояния внешней среды достоверность этого показателя низкая.
Таким образом, можно сделать вывод,
что целесообразно принимать промежуточное решение о подстройке параметров авторулевого К, К2 по каждому частному показателю, а окончательное решение — с учетом обобщенных показателей.
Список литературы
1. Поселенов Е. Н. Обоснование показателя качества управления, используемого для адаптации параметров авторулевого / Е. Н. Поселенов // Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России: материалы межвуз. науч.-практ. конф. студ. и асп. — СПб.: СПГУВК, 2010.
УДК 656.052.484 С. Н. Некрасов,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
М. С. Старов,
аспирант,
СПГУВК
ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ В ИНФОРМАЦИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА НАВИГАЦИОННЫЕ РИСКИ СТОЛКНОВЕНИЯ СУДОВ В МОРЕ
m
136]
INFORMATION ERRORS EFFECT OF AUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEMS ON THE NAVIGATIONAL RISKS OF VESSELS COLISIONS AT SEA
Поставлена задача оценить проявление неопределенностей в информации, передаваемой Автоматической идентификационной системой (АИС) на риски столкновения судов. Следуя этому, точка взаимного расположения судов может быть определена в некой области неопределенностей.
The aim of the paper is to make an assessment of occurrence the indefiniteness which could be observed in Automatic Identification System (AIS) information and to find out how this indefiniteness could affect the risks of collisions the vessels at sea. Due to this the relative position of vessels could be found inside some area — area of uncertainties.
Ключевые слова: вектор скорости, влияние погрешности, эллипс ошибок, прогноз ситуации.
Key words: velocity vector, error effect, error ellipse, situation forecast.
АЗВИТИЕ международной торгов- обеспечения безопасности плавания необ-
ли и судоходства влечет сокраще- ходима правильная и своевременная оценка
ние времени обработки информа- ситуации судоводителем-оператором. Рабо-
ции и, как следствие, комплексную автома- та большинства современных навигацион-
тизацию процессов, связанных с судовожде- ных систем базируется на использовании
нием. Для выполнения комплекса условий данных спутниковых навигационных сис-
