СУДОСТРОЕНИЕ 4'2000
ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ
Г. Э. Острецов, канд. техн. наук, Л. М. Клячко, канд. техн. наук, Г. М. Довгоброд, Э. В. Дюжев (ЦНИИ «Курс»)
удк 681.51:629.5.072.1
В настоящее время в России и в США созданы спутниковые навигационные системы (СНС) второго поколения «Глонасс» и GPS, одобренные Международной морской организацией ИМО. Их использование открывает новые возможности в создании систем автоматического управления движением судна. Например, можно осуществлять управление по путевому углу, а не по курсовому и при этом парировать параллельное боковое смещение, т. е. удерживать судно на заданной траектории движения.
В ЦНИИ «Курс» разработан и испытан в июне 1999 г. на теплоходе «Яков Свердлов» макетный образец системы автоматического управления движением судна с использованием данных СНС. Испытанная система обеспечивает увеличение точности движения по заданной траектории, позволяет многократно в течение рейса уточнять параметры математической модели движения судна, что способствует повышению качества адаптивного управления, диагностики и контроля исправности основных узлов системы.
В состав системы (рис. 1) входят: блок измерения и индикации с приемником СНС типа «Волонтер», датчиком угловой скорости судна (ДУС), датчиком угла перекладки руля и индикаторным устройством;
блок оценки, идентификации и диагностики, включающий в себя микроконтроллер, электронную модель движения судна, устройство оценки, идентификации и диагностики исправности блоков системы;
блок управления (с заданием программы автоматического движения по определенному маршруту и режима управления, а также выбором различных законов управления и возможности расширения объема решаемых задач путем введения дополнительных подпрограмм);
блок управления рулевым приводом с исполнительным механизмом (для задания ему команд) и измерителем угла перекладки руля (для формирования законов управления движением судна).
На блок-схеме макетного образца системы, приведенной на рис. 1, приняты следующие обозначения: фпу, фпу, фпуз — путевой угол (ПУ), его оценка и заданное значе-
ние; Ю, Ю, Юз — измеренная угловая скорость судна, ее оценка и заданное значение; у, у —измеренное боковое смещение судна и оценка; 8, 8з — измеренное значение уг-л а перекладки руля и заданное значение; 8з — заданная угловая скорость перекладки руля; V — измеренная абсолютная скорость
хода судна; Афпу = Фпу - Фпуз — ошибка путевого угла.
Разработанная система имеет следующие отличия от серийно выпускаемых:
основным источником информации является не датчик курса, а измеритель путевого угла (приемник СНС), что позволяет исключить боковое смещение и обеспечить стабилизацию судна не только на заданном курсе, но и на заданной траектории;
для оценки фазовых координат движения судна применяется полная математическая модель движения судна и, что особенно важно, ее параметры можно уточнять в течение рейса;
Рис. 1. Система автоматического управления движением судна
МОРСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2000
Рис. 2. Результаты измерения положения автомобиля, движущегося со скоростью 5 м/с (а) и 7,5 м/с (б):
1 — измеренное положение; 2 — действительное движение
высокие динамические качества системы достигаются благодаря введению в систему ДУС;
высокое качество восстановленных параметров состояния судна достигается благодаря наличию полностью наблюдаемой системы;
возможно автоматизированное управление судном по введенному (заданному) в электронную карту маршруту;
измеряется, а следовательно, может компенсироваться боковое смещение судна, параллельное траектории движения;
измеряется абсолютная скорость хода судна;
повышена безопасность судовождения благодаря диагностированию основных узлов системы управления и выдачи информации о сбое судоводителю; диагностирование базируется на наличии избыточных измерителей и полной математической модели движения судна;
Время, с
Рис. 3. Угол перекладки руля
наличие микроконтроллера (вычислителя) позволяет использовать весьма сложные законы управления (адаптивные, с развитой логикой), оценивать фазовые координаты объекта, восстанавливать параметры движения судна, уточнять коэффициенты математической модели движения судна в процессе рейса.
Все перечисленные отличия придают системе новые качественные показатели без какого-либо снижения надежности работы, даже на-
оборот, существенно увеличивают ее живучесть.
Предлагаемая система позволяет при незначительном изменении программного обеспечения выбирать любое целесообразное управление: простейшее, адаптивное, с перестройкой коэффициентов регулирования, логическое, с минимизацией амплитуды рыскания, с минимизацией загрузки рулевого привода и сопротивления движению судна; с использованием методов фазовой плоскости или «размытых множеств»; с выдачей рекомендаций судоводителю по оптимальному варианту расхождения со встречными судами. Обеспечивается также обучение и контроль профессиональной подготовки судоводителей на тренажерном блоке.
Цель ходовых испытаний системы в судовых условиях заключалась в оценке целесообразности и эффективности использования приемника СНС совместно с ДУС в качестве основного источника информации для системы управления движением судна, проверке качества работы блока оценки и идентификации, а также качества управления и точности стабилизации судна на заданном направлении.
Для определения эффективности работы приемник СНС «Волонтер» был установлен на автомобиль, перемещавшийся прямолинейно на участке длиной 700 м. Средняя ква-дратическая погрешность измерения путевого угла при скорости движения 5 м/с составила 2,77о, а при 7,5 м/с — 3,74о (рис. 2). Измерения проводились в центре города при «затенении» антенны приемника СНС зданиями.
Точность измерения путевого угла на открытом пространстве — во время рейса теплохода «Яков Сверд-
лов» по Волге — была значительно выше. Из анализа записей параметров движения судна следует, что максимальные отклонения путевого угла не превышают 0,19о при скорости судна 6,15 м/с и отклонениях руля вблизи нуля.
Для проверки качества работы блока оценки первоначально была проведена идентификация коэффициентов математической модели движения судна по заданному направлению с помощью метода наименьших квадратов. Математическая модель движения судна принималась в виде
ш = Г31^ХШ + Я31^ХР + 531^Х25;
в = + Я21 в + 521^Х§, где в — угол дрейфа.
X
>Х 240
о
л у.
V
42
200 400
800 1000 1200
Время, с
Рис. 4. Путевой угол:
1 — измеренный; 2 — рассчитанный
Были получены следующие значения коэффициентов: г 31 = -0,0109; q31 = 0,000232; 5 31 = 0,000189; г21 = 0,465; q 21 = -0,0341; 521 = 0,00194. Точность идентификации коэффициентов существенно различалась: она была удовлетворительной при угловой скорости и угле перекладки руля, но «грубой» при угле дрейфа (рис. 3). Последнее может быть объяснено
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2000
МОРСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
Рис. 5. Схема оценки фазовых координат:
V Ю 9
невысокой точностью расчета текущего значения угла дрейфа, вызванной необходимостью рассчитывать это значение как интеграл от угловой скорости судна.
Передаточная функция углового движения судна имеет вид
Чр)
-0,12
из четырех интеграторов 1, 2, 4, 8, в которых формируется математическая модель движения судна, множительного блока 7, на выходе которого получали оценку угла дрейфа, и четырех сумматоров 3, 5, 6, 9 для уточнения фазовых координат судна.
В качестве основного закона системы автоматического управления движением теплохода «Яков Свердлов» был принят пропорционально-дифференциальный закон управления (ПД) с коррекцией по боковому сносу.
Угол перекладки руля формируется по зависимости
8 = Кпу(Фпу- Фпуз) + КЮЮ + КуУ - К88 ,
к пуз'
8(р) (13,2р + 1)(2,6р + 1)
где р = d/df.
Для оценки близости полученной модели движения судна реальному процессу на рис. 4 приведена запись изменения измеренного путевого угла движущегося судна 1 и его оценка, полученная на выходе математической модели движения судна, если на ее вход поступает текущее значение угла перекладки руля (см. рис. 2, а) и скорость хода 2. Расхождение записанных процессов частично можно объяснить тем, что не учтены ветер и течение.
Измеренные фазовые координаты состояния судна фпу, Ю, у оценивались в соответствии со схемой, приведенной на рис. 5, состоящей
где К , КЮ, Ку, Кь — постоянные коэффициенты.
Для снижения загрузки рулевого привода и сокращения сопротивления движению судна вместо измеренных фазовых координат состояния судна использовались оценки этих координат.
Основные результаты испытаний приведены на рис. 6. Первоначально теплоход двигался по курсу 269о, а после перехода на новый курс 264о стабилизировался на этом курсе с 1450 с до 1840 с (в течение 6,5 мин). Расчеты показали, что во время стабилизации на курсе 264о среднеквадратическое отклонение от заданного курса составило 0,45о. После 1750 с выполнялись градусные поправки.
Для повышения качества идентификации параметров математической модели углового движения судна желательно иметь информацию об угле курса либо восстанавливать ее по имеющейся информа-
Л Время, с
Рис. 6. Измеренный путевой угол
ции с учетом логических условии существования угла дрейфа.
Выводы. 1. Использование в качестве основного датчика фазового состояния судна приемника СНС целесообразно и весьма эффективно.
2. Наличие приемника СНС и ДУС позволяет идентифицировать параметры математической модели углового движения судна многократно в течение рейса.
3. Измерение не угла курса, а путевого угла позволяет формировать закон управления движением судна относительно заданной траектории (с учетом угла дрейфа).
4. Использование сигнала бокового смещения в законе стабилизации движения существенно повышает безопасность режима автоматического управления при движении в узкостях.
5. Использование уточненной модели движения судна позволяет снизить уровень шумов и внешних возмущений при формировании оценок фазовых координат состояния судна и повыси
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.