Автореферат (Разработка алгоритмов управления движением автоматического подводного аппарата с коррекцией параметров структуры управления)

На правах рукописиКабанов Дмитрий СергеевичРАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМАВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТАС КОРРЕКЦИЕЙ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯСпециальность 05.07.09Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технически наукМосква – 2012Работа выполнена на кафедре 604 «Системный анализ и управление»Московского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета, МАИ)Научный руководитель:заслуженный деятель науки РФ, доктортехнических наук, профессор В.В.

МалышевОфициальные оппоненты: Толпегин Олег Александрович, доктор техническихнаук,профессор,заведующийкафедрой«Процессов управления» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ»им. Д.Ф.УстиноваБрусов Владимир Сергеевич, доктор техническихнаук, профессор кафедры 106 «Динамика иуправление летательных аппаратов» Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета, МАИ)Ведущая организация:Открытоеакционерноеобщество«СанктПетербургское морское бюро машиностроения«Малахит» (ОАО «СПМБМ «Малахит»)Защита состоится «13» декабря 2012 года в 15.00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.12 в Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете, МАИ) по адресу: 125993,г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета, МАИ)Автореферат разослан «12» ноября 2012 г.Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просьба направлять по адресу:125993, г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый совет МАИУченый секретарь диссертационного совета Д 212.125.12кандидат технических наук, доцентВ.В. Дарнопых2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Расширение масштабов океанологическихисследований и бурное развитие вычислительной техники привели к созданиюавтоматических подводных аппаратов (АПА). К актуальным сферамприменения АПА относятся: обзорно-поисковые работы, геологоразведочныеработы, подледные работы, аварийно-спасательные работы, доставка полезнойнагрузки (ПН) к объектам (подводным и надводным) и другие.Создание новых и модернизация существующих АПА продолжаютоставаться важным направлением научно-исследовательской деятельностиведущих стран мира. Это связано с приближением технологий и способовприменения существующих аппаратов к предельным режимам, истощениемресурсов, возрастанием требований к функциональным возможностям,исключением человеческого фактора из опасных сфер деятельности ирасширением спектра решаемых задач.

На практике требования к траектории,точности доставки ПН и углам подхода АПА к объектам существенно возросли,т.к. появились объекты стыковки (ОС) – специализированные подводныестанции, способные принимать АПА с ПН и запускать его вновь.Современные достижения в области вычислительной техники имикроэлектроники позволяют бортовой системе управления обрабатыватьбольшой объем информации и осуществлять работу АПА в автономномрежиме. Однако при проектировании и эксплуатации АПА был выявлен рядпроблем в области динамики и управления движением АПА, связанных с егоособенностями как объекта управления: наличием нескольких принципиальноразличных участков движения АПА, перестройкой исполняемой миссии впроцессе движения, непостоянством многих параметров АПА в процесседвижения, что требует подстройки коэффициентов в законе управления в темпедвижения.Повышение требований к точности доставки и необходимость поискановых траекторий при изменении целевого ОС в процессе движения приводят кисследованию возможности формирования оптимальных траекторий покритерию обеспечения точности доставки ПН к ОС и минимизации затрат науправление.

В общем случае система уравнений динамики АПА имеетбольшую размерность и специфику, связанную с перемещением в вязкой среде,поэтому в настоящее время алгоритмы оптимизации траектории, с помощьюкоторых вычисляется в процессе движения потребное управление, неприменяются. Построение устойчивых алгоритмов поиска оптимальнойтраектории в реальном масштабе времени затруднено, а зачастую невозможноввиду трудности обеспечения сходимости решения двухточечных краевыхзадач.

Поэтому на базе имеющихся в настоящее время научных подходов длярешения подобных задач требуется разработать методику и алгоритмы,3которые позволят получать надежное (в смысле сходимости) решение задачиоптимизации траектории в реальном времени движения АПА. В этой связи темаработы, безусловно, является актуальной.Развитию теории оптимального управления и вычислительных алгоритмовуправления сложными динамическими системами посвятили свои работы:М.Д. Агеев, В.Н. Буков, В.Т.

Бобронников, С.А. Горбатенко, В.И. Гурман,Л.В. Киселев,М.Н. Красильщиков,А.А. Красовский,Н.Н.Красовский,В.Ф. Кротов, А.А. Лебедев, Л.Н. Лысенко, В.В. Малышев, Р.П. Федоренко,В.Ф. Филаретов, Ф.Л. Черноусько, А.А. Ярошевский и другие.Цель работы заключается в разработке методики формированияоптимального управления движением автоматического подводного аппаратадля доставки полезной нагрузки к объекту стыковки в условиях сложногорельефа дна.Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующиеосновные задачи:1. Создание алгоритма оптимизации динамики АПА с параметрическимзаданием структуры управления.2. Разработка алгоритма оптимального выведения АПА на глубину и курс.3.

Оценка маневренных возможностей АПА для доставки ПН к ОС(построение области достижимости (ОД) – области пространства в которуюАПА может доставить ПН с учетом ограничений на максимально допустимуюперегрузку и энергоресурс двигателя).4. Разработка адаптивного алгоритма высокоточного и безопасноготерминального наведения АПА с огибанием (в вертикальной плоскости) иобходом (в горизонтальной плоскости) препятствий в виде донного рельефа(скал, опор мостов, нефтяных платформ и других морских технологическихсооружений) и обеспечением требуемого угла подхода к ОС.5. Реализация режима перенацеливания на терминальном участкенаведения АПА.6.

Разработкапрограммно-математическогообеспечениядлямоделирования функционирования АПА с использованием разработанныхалгоритмов.7. Математическое моделирование динамики АПА с использованиемполных уравнений движения тела в вязкой среде.Данная работа направлена на решение комплекса перечисленных задач ивносит существенный теоретический и практический вклад в развитие системуправления АПА.Объект исследования составляет автоматический подводный аппарат.Предметисследованияметодикаформированияоптимальногоуправления АПА для доставки ПН к ОС.В работе использованы методы системного анализа, динамики полёта,динамики аппаратов в гидросфере, теории оптимального управления,математического моделирования.4Научная новизна результатов работы состоит в следующем:1.

Предложена новая методика решения двухточечных краевых задач спараметрическим заданием структуры управления. Методика применима и дляслучаев, когда структура содержит режим особого управления, также впервые сее помощью оптимизирована траектория АПА. Методика позволяет за счеткоррекции параметров структуры управления производить автоматизациюпоиска оптимального решения.2. Разработан алгоритм коррекции параметров структуры управления дляформирования оптимальной траектории выведения, терминального наведенияАПА с учетом огибания (обхода) препятствий и проведено сравнение сизвестными решениями.3.

Разработан алгоритм коррекции параметров структуры управления дляпостроения области достижимости.4. Разработан программный комплекс моделирования движения АПА сиспользованием предложенных алгоритмов оптимизации на основе технологииобъектно-ориентированного анализа и проектирования.Практическая значимость результатов диссертационной работы состоитв следующем:1. Разработанная методика коррекции параметров структуры управленияявляется универсальным средством решения различных задач оптимизациидвижения АПА.

Входящие в нее алгоритмы не связаны с большимивычислительными затратами и позволяют формировать оптимальнуютраекторию в реальном времени по ходу движения, что подтверждаетсярезультатами моделирования.2. Созданные алгоритмы оптимизации с коррекцией параметров структурыуправления позволяют обеспечить сходимость итерационных процедуррешения двухточечной краевой задачи с использованием метода Ньютона иметода последовательных приближений Крылова-Черноусько путем выбораначального приближения для сопряженных переменных и начальнойпрограммы управления соответственно.3.

Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение позволяетрешить задачу доставки ПН к ОС путем реализации сложныхпространственных траекторий с учетом огибания и обхода препятствийразличной формы и заданных углов подхода к ОС.4. Программно-математическое обеспечение создано в средах CodeGearDelphi 2007, Matlab R2007 и Wolfram Mathematica 7 для сокращения сроков итрудоемкости проектирования алгоритмов управления движением АПА.Внедрение результатов работы. Прикладные результаты работывнедрены в ОАО «ГНПП «Регион» и в учебный процесс кафедры «Системногоанализа и управления» МАИ, а также при проведении НИР по проекту РФФИ№ 09-08-00829 (2009-2011), что подтверждается соответствующими актами овнедрении, а также грантом РФФИ № 12-08-31359 (2012-2013) по разработкеалгоритмов оптимального управления автоматическим подводным аппаратом.5Достоверность результатов работы подтверждается:1.