Диссертация (Управление и контроль безопасного причаливания речных судов)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиВУ СУАН ХЫОНГУПРАВЛЕНИЕ И КОНТРОЛЬ БЕЗОПАСНОГОПРИЧАЛИВАНИЯ РЕЧНЫХ СУДОВСпециальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработкаинформации (информатика, управление и вычислительная техника)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорЛебедев Георгий НиколаевичМосква – 2014СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………5ГЛАВА I. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИЗВЕСТНЫХ СИСТЕМУПРАВЛЕНИЯПРИЧАЛИВАНИЕМСУДОВИПОСТАНОВКАЗАДАЧИ …………………………………………………………………………..91.1.Обзор известных систем причаливания судов …………………….…91.1.1.Выполнение привалов и отвалов …………………………………..91.1.2.Способы привала судов …………………………………………...121.1.3.Привально – швартовные маневры толкачей ……………………211.1.4.Привально – швартовные маневры буксировщиков ……………221.2.Обзор известных САУ движением судов ……………………………241.2.1.Силы и моменты, обусловленные воздействием на судно ветра иморских волн ……………………………………………………………………241.2.1.1.

Аэродинамические силы и моменты ……………………..……...241.2.1.2. Гидродинамические силы и моменты от действия волн ……….341.2.2.Синтез оптимального линейного регулятора при переменнойфункции штрафов в процессе сближения с малоразмерным препятствием ..371.2.2.1. Синтезрегуляторабезучетадинамикисближенияспрепятствием в математической модели объекта ……………………………371.2.2.2. Синтезрегуляторасучетомдинамикисближенияспрепятствием как функции штрафов, так и в модели объекта ………………461.2.3.Вычисление спрогнозированной функции риска с помощьюуравнений Беллмана …………………………………………………………...481.3.Общая постановка задачи причаливания …………………………511.4.Выводы по главе I …………………………………………………….562ГЛАВАII.СИНТЕЗРЕГУЛЯТОРОВАВТОМАТИЧЕСКОГОУПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ ПРИ ПРИЧАЛИВАНИИ ……...572.1.Анализ известных методов теории оптимального управления …...572.1.1.Динамическое программирование …………………………..…....572.1.2.Аналитическое конструирование регуляторов и применение для ихсинтеза динамического программирования …………………………………....702.1.3.ПриближенныйметодрешенияуравненияБеллманадлядинамических систем альтернативного управления …………………………..742.2.Синтез линейных регуляторов стабилизации движения по линиипути с помощью динамического программирования ……………………...802.3.Синтез релейных регуляторов по критерию максимальногобыстродействия ………...………………………………………………………812.4.Комплексированноеуправлениебоковымипродольнымдвижением с помощью линейного и релейного регуляторов …………….822.5.Первые результаты моделирования на ЭВМ ……………………..…842.6.Вывод по главе II ………………………………………………………..86ГЛАВАIII.ФОРМИРОВАНИЕКООРДИНИРОВАННОГОДВУХКАНАЛЬНОЙУПРАВЛЕНИЯСИСТЕМЫБОКОВЫМИПРОДОЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА …………………………………..873.1.Анализиспользованиемэффективностикоординациипрогнозируемыхоценокработывременисистемысдостижениятерминальной точки в каждом канале управления ………………………..873.2.Постановка задачи интегрированного управления причаливанием……………………………………………………………………………………..893.3.Формирование задачи оптимального управления с помощьюдинамического программирования ………………………………………….913.4.Сокращение числа алгебраических уравнений при нахождениикоэффициентов функции Беллмана ………………………………………….9433.5.Получение коэффициентов функции Беллмана и передаточныхчисел квазилинейных регуляторов в квадратурах ………………………...953.6.Вычислениефункциирисканекоординированныхдействийсистемы с помощью уравнения Беллмана …………………………………..973.7.Формированиеструктурылогического координатораработыкаланов бокового и продольного движения с помощью функции риска…………………………………………………………………………………....1003.8.Общаяструктурадвухканальнойсистемыавтоматическогоуправления причаливаниями ……………………………………………….1013.9.Вывод по главе III ……………………………………………………...104ГЛАВАIV.РЕЗУЛЬТАТЫПРЕДЛОЖЕННОЙМОДЕЛИРОВАНИЯСИСТЕМЫНАЭВМКООРДИНИРОВАННОГОУПРАВЛЕНИЯ ТЯГОЙ ДВИГАТЕЛЯ И РУЛЕМ СУДНА ……………...1054.1.Учёт при моделировании на ЭВМ реальных ограниченийдвигателя и рулевого привода судна ……………………………………….1054.2.Сравнительная оценка эффективности предложенного подхода сучетом координации работы каналов управления и без неё при действиявнешних возмущений ………………………………………………………...1064.3.Анализ возможности применения предложенного подхода в задачепричаливания дирижабля …………………………………………………...1144.4.Вывод по главе IV ……………………………………………………...115ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………….116ЛИТЕРАТУРА .…………………………………………………………….….1174ВВЕДЕНИЕАктуальность 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 результатов придействии 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 возможностейавтоматическогоуправленияпричаливанием,чтобыприобеспечениитребуемой терминальной точности добиться максимального быстродействиядостижения заданной терминальной точки.Объектом исследования является система автоматического управленияпричаливанием речных судов.Предметомисследованияявляютсяметодыоптимальногопобыстродействию и точности управления и контроля безопасности движениясудов на конечном участке причаливания вблизи пристани.5На 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 попадании вкоторые 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 линейного6регулятора в одном канале при одновременном её увеличения в другом канале,и 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 двухмерного нелинейногорегулятора,обеспечивающегосочетаниебыстродействияиточноститерминального управления судном.Методы исследования.

При исследовании поставленных в диссертациизадачиспользовалисьтеориядифференциальныхуравнений,теорияавтоматического регулирования, метод динамического программирования ипринцип максимума Понтрягина из теории оптимального управления. Примоделировании нелинейной динамической системы управления использовалсяпрограммный 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 рамках7магистерской подготовки на кафедре 301 МАИ по учебному направлению«Управление и информационные технологии в технических системах».Публикации и апробация работы.