Синтез и исследование авторулевого надводного мини-корабля "Нептун"

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 [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.

автоматический автономный надводный корабль

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; Vx - продольная скорости судна; - гидро- и аэродинамические силы и моменты создаваемые ими; Jy - момент инерции относительно оси Y;??y - 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.

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 (xg;zg)- 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.

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.

Размещено на Allbest.ru