Автореферат (Управление и контроль безопасного причаливания речных судов)

На правах рукописиВу Суан ХыонгУПРАВЛЕНИЕ И КОНТРОЛЬ БЕЗОПАСНОГОПРИЧАЛИВАНИЯ РЕЧНЫХ СУДОВСпециальность 05.13.01 –«Системный анализ, управление и обработка информации»(информатика, управление и вычислительная техника)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2014Работавыполненаинтеллектуальногонакафедре«Системыавтоматическогоиуправления» Московского авиационного института(национального исследовательского университета) «МАИ».Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,заслуженный деятель науки РФЛебедев Георгий НиколаевичОфициальные оппоненты:зав.кафедройМИРЭА,доктортехнических наук, профессорИвченко Валерий Дмитриевичкандидат технических наук, доцентКалужского филиала МГТУ им. Н.Э.БауманаМышляев Юрий ИгоревичВедущая организация:Московскаяакадемиягосударственнаяводноготранспорта(МГАВТ)Защита диссертации состоится « 29 » сентября 2014 г.

в 1000 часовна заседании диссертационного совета Д 212.125.11 при Московскомавиационном институте (национальном исследовательском университете)«МАИ» по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4., зал заседаний Ученого Совета МАИ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайтеМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета),http://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=49713Автореферат разослан «___»___________ 2014 г.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 212.125.11к.

т. н., доцентГорбачев Ю.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. В настоящее время причаливание судов приручномуправленииобладаетсущественнымнедостатком–время,потраченное на остановку судна в нужном месте пристани, слишком велико,либо при стремлении ускорить этот процесс возникают неизбежныетерминальные ошибки, требующие дополнительного маневрирования упристани.Особенно сильно эти недостатки проявляются при управлениикрупными грузовыми и пассажирскими речными судами, для которых в силуих большой инерции режим причаливания длится долго по сравнению общимвременем транспортировки.Для одновременного сведения к нулю линейных и скоростныхкоординат судна в терминальной точке причаливания важно согласовыватьуправление тягой двигателя и рулем, когда отклонения в боковом ипродольном направлении уменьшаются непропорционально друг другу.Однако известный способ ручного управления не дает нужных результатовпри действии внешних аэродинамических и гидродинамических возмущений,особенно при стремлении осуществить причаливание как можно быстрее.Поэтому тема данной диссертационной работы, посвященная методамвысокоточного причаливания судов с повышенным быстродействием,является актуальной.Целью диссертационной работы является оценка возможностейавтоматического управления причаливанием, чтобы при обеспечениитребуемой терминальной точности добиться максимального быстродействиядостижения заданной терминальной точки.Объектомисследованияявляетсясистемаавтоматическогоуправления причаливанием речных судов.Предметомисследованияявляютсяметодыоптимальногопобыстродействию и точности управления и контроля безопасности движениясудов на конечном участке причаливания вблизи пристани.3На защиту выносятся следующие основные научные положения:1.

Алгоритм комплексированного управления боковым и продольнымдвижением судна при использовании в каждом канале наряду с линейнымрелейногорегулятора,чтобысократитьвремяотработкибольшихрассогласований по положению и скорости.2. Алгоритм оперативного контроля безопасности движения судна вблизипристани для формирования сигнала тревоги и последующей координациибокового и продольного движения.3.

Способ балансировки работы каналов управления продольным ибоковым движением для обеспечения мягкого и точного причаливания.4. Структурасистемыавтоматическогопричаливания,имеющаялогическую часть для переключения линейных и релейных регуляторов икоординации управления.5. Результатымоделированияпричаливаниясудов,подтвердившиеэффективность предложенного подхода.Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:1. Алгоритм комплексированного управления движением в каждом каналеучитывает знаки отклонений по положению и скорости.

Если эти знакисовпадают, то действует релейный регулятор, в противном случае – линейныйрегулятор, обеспечивающий плавное завершение переходного процесса имаксимальнуютерминальнуюточность.Переключениерегуляторовосуществляется с помощью специально выбранных областей, при попаданиив которые фазовой траектории применяется линейное управление.2. Сигналом тревоги является результат сравнения с заданным порогомфункции риска, вычисленной в виде правой части уравнения Беллмана пригипотезе о прогнозируемом оптимальном поведения системы вплоть домомента причаливания.

В случае превышения порога используется релейноеуправление для отработки значительных отклонений.3. Балансировка работы каналов бокового и продольного движенияосуществляется путем уменьшения области использования линейногорегулятора в одном канале при одновременном её увеличения в другом канале,4и наоборот, с учетом величины и знаков несоответствия бокового отклоненияот продольного гипотезе о их линейной пропорциональности.4.

Логическая часть системы автоматического причаливания содержит трианализатора. Первые два следят в каждом канале за совпадениям по знакуотклонений по положению и скорости и включают в этом случае релейныйрегулятор. Третий анализатор осуществляет координацию управления каналовс помощью вычисляемой функции риска.Исполнительная часть содержит два линейных и два релейныхрегулятора, из которых первая пара используется для осторожного и мягкогопричаливания, а вторая пара – для повышения быстродействия отработкизначительных отклонений.В целом предложена новая структура двухканальной системыкоординированного управления, обеспечивающего сочетание быстродействияи точности терминального управления судном.Методы исследования.

При исследовании поставленных в диссертациизадачиспользовалисьтеориядифференциальныхуравнений,теорияавтоматического регулирования, метод динамического программирования ипринцип максимума Понтрягина из теории оптимального управления. Примоделированиинелинейнойдинамическойсистемыуправленияиспользовался программный пакет MATLAB.Практическая ценность работы состоит прежде всего в том, что времяпричаливания удалось сократить в два раза, что позволяет существенноповысить общую скорость перевозок на речном транспорте.

Кроме того,показано, что за счет координации управления тягой двигателя и руля суднаобеспечивается повышение терминальной точности причаливания в условияхизменяющихся внешних возмущений – при линейных отклонениях не более0.2м и конечной скорости сближения с пристанью не более 0.2м/сек. Такжепредложенный подход был использован при выполнении лабораторных работпо дисциплине «Современные методы теории управления» в рамкахмагистерской подготовки на кафедре 301 МАИ по учебному направлению«Управление и информационные технологии в технических системах».5ДостоверностьматематическимполученныхмоделированиемнаподтвержденарезультатовЭВМсистемыавтоматическогопричаливания и использованием при синтезе оптимального управления иконтролябезопасностидвижениянаучнообоснованногометодадинамического программирования.Личный вклад автора состоит в проведении анализа известныхспособовпричаливанияречныхсудов;разработкеалгоритмовкомплексирования и координации работы линейных и релейных регуляторов;личном участии в моделировании на ЭВМ и подготовке основныхпубликаций.Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано7 работ, из них 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК. Научные и прикладныерезультаты докладывались и обсуждались на международном научно –техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления,автоматики и обработки информации» г. Алушта в 2012 и 2013 годах.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения и библиографического списка. Основное содержаниедиссертации изложено на 122 страницах и содержит 55 рисунков и 2 таблицы.Список использованных источников включает 63 ссылок на научнуюбиблиографию по теме проводимых исследований в диссертационной работе.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобоснованаактуальностьработы,перечисленытеоретические и практические результаты, указана их научная и практическаяценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.В первой главе рассматривается проблема повышения скоростиперевозок на речном транспорте, которая прежде всего зависит от временипричаливания на остановках, которое, как показал анализ известных системуправления движением, слишком велико для судов большой массы игрузоподъемности.Обоснованацелесообразность6примененияавтоматического причаливания на основе методов оптимального управленияи сформулирована следующая постановка задачи.1.

Управление судном осуществляется по двум каналам – продольногодвижения за счет изменения тяги двигателя и изменения продольной скорости,и бокового движения путем изменения положения руля, чтобы обеспечитьобщее движение судна по траектории, показанной на рис. 1.Z1AIIIIIIx10Рис. 1. Траектория причаливания, на которой участок I – исходное движениек заданной точке А с максимальной скоростью; участок II – сближение сберегом с максимальным быстродействием; участок III –плавноеприближение к заданной терминальной точке x1  z1  02.

Продольноедвижениесуднаописываетсядифференциальнымиуравнениями: x1  V cos(    )  w12V   a0V  a1V  x3 x   a x  U2 31 3(1)где x1 – координата продольного пути; x2  x1 – скорость продольного движения;V – скорость судна; w1 – продольное возмущение; x3 – ускорение, возникающеепод действием управления U1 тягой двигателя;  – угол дрейфа (скольжения); – угол рыскания; a0 , a1 , a2 – заданные динамические коэффициенты.Управление U1 тягой двигателя на участке I таково, что скорость V вустановившемся режиме достигает своего максимального значения Vmax , исогласно уравнениям (1), это управление при x3  V  w1  0 равно:U1max  (a0Vmax 2  a1Vmax )a27На участке II управление релейное, и поэтому максимальное значениеU1  1 , где 1  U1max – заданная величина.На участке III управление судном желательно иметь таковым, чтобыобеспечить равнозамедленное движение:x 2  V m ax  atгде a – некоторое заданное значение, определяющее темп торможения.3.