Автореферат (Управление движением морских судов с учетом неопределенностей в задании внешних возмущающих воздействий)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиСМИРНОВ Михаил НиколаевичУПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ МОРСКИХ СУДОВС УЧЕТОМ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ В ЗАДАНИИВНЕШНИХ ВОЗМУЩАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ05.13.01 – системный анализ, управление и обработка информации(по прикладной математике и процессам управления)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2015Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственныйуниверситет».Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Веремей Евгений ИгоревичОфициальные оппоненты:доктор технических наук,профессор Никульчев Евгений Витальевич,проректор по научной работе, зав.

кафедройпрограммных систем Негосударственногообразовательного учреждения высшегопрофессионального образования Московскийтехнологический институткандидат физико-математических наук,Арефина Антонина Игоревна, программист,Общество с ограниченной ответственностью«Леста», Санкт-ПетербургВедущая организация:Открытое акционерное общество «Концерн«Научно-производственное объединение«Аврора», г. Санкт-Петербург.Защита состоится «____» __________ 2015 г.

в ____ часов назаседании диссертационного совета Д 212.232.50 по защите диссертаций насоискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степенидоктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете поадресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр., д.35, ауд. 327.Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять поадресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр., д.35, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.232.50 Г.И.Курбатовой.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М.Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу:199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д.

7/9. Автореферат идиссертация размещены на сайте www.spbu.ru.Автореферат разослан "____"________________ 2015 г.Ученый секретарь диссертационного советад-р физ.-мат. наук, проф.Г. И. Курбатова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Уровень развития современных компьютерныхтехнологий, непрерывный рост вычислительных мощностей, появление новых инструментальных программных средств – все это способствует повсеместной автоматизации функционирования морских объектов с использованием бортовых систем управления с цифровой реализацией.В частности, это позволяет устанавливать на современные морскиеподвижные объекты высокоэффективные системы автоматического управления движением, тем самым облегчая и делая более безопасным для человека выход в открытое море.Фундамент математической теории синтеза законов автоматическогоуправления подвижными объектами был заложены в трудах В.

И. Зубова,А. А. Красовского, Л. С. Понтрягина, Р. Калмана и других ученых.Вопросы применения этой теории к управлению движением судов рассматриваются в фундаментальных работах В. И. Зубова, Ю. А. Лукомского,В. М. Корчанова, Ю. П. Петрова, А. Е. Пелевина, Т. Фоссена, Т. Переца идругих специалистов.Особого внимания заслуживает ситуация, когда в рамках формализованного задания внешних воздействий имеются неопределенности, и система управления должна не просто их компенсировать в определенномсмысле, но ещё обеспечивать выполнение дополнительных требований ккачеству динамических процессов.

Это обстоятельство существенно затрудняет анализ и проектирование системы управления, в функции которой входит подавление влияния воздействий на судно.В настоящее время известно несколько подходов к учету указанной неопределенности, среди которых чаще всего применяют статистическийподход, базирующийся на моделировании внешних воздействий методамитеории случайных процессов. Однако во многих критических ситуациях,например, в условиях движения по узкому фарватеру, при расхождении судов на малых расстояниях между ними и т.д., статистические методы неприменимы, поскольку не гарантируют выполнение необходимых требований и ограничений по динамическим переменным, описывающим движение судна.

В связи с этим, при проектировании систем управления предполагают, что известна определенная ограниченность внешних воздействий втом или ином смысле, которая принимается в качестве их характеристики.Задача о подавлении ограниченных в некотором смысле возмущенийбыла впервые решена в работах О.Н. Граничина и А.Е. Барабанова (этот3подход получил название l1 -оптимизации), затем – в работах Б.Т.

Поляка,С.А. Назина и М.В. Хлебникова, где в качестве основы предлагаемойидеологии используется техника инвариантных эллипсоидов. Однако ниодин из этих методов не обеспечивает выполнения дополнительных требований к динамике объекта управления, учет которых зачастую необходим.Это существенно затрудняет применение указанных теоретических подходов к проектированию систем управления движением судов.Отмеченные обстоятельства требуют постоянного развития методовпроектирования систем управления с их адаптацией для решения конкретных задач, а также создания новой техники и вычислительных алгоритмовсинтеза.В работах Е. И. Веремея и В.М.

Корчанова предложена идеология использования единой многоцелевой структуры законов управления, обеспечивающих желаемое качество движения морских судов в различных режимах функционирования.Тем не менее, до настоящего времени остается открытым вопрос оприменимости методов аналитического и численного синтеза законовуправления движением морских судов с учетом неопределенностей в задании характеристик внешних возмущающих воздействий.Отмеченные обстоятельства определяют актуальность темы диссертации, направленной на создание специализированных математическихметодов и вычислительных алгоритмов для решения задач, связанных санализом и синтезом систем автоматического управления движением морских судов в реальных условиях функционирования, на формирование соответствующей программной поддержки и ее интеграцию в комплекс бортовых автономных средств.Целью диссертационной работы является проведение исследований иразработок, определяющих развитие математических методов и алгоритмов для решения задач проектирования систем автоматического управления движением при наличии внешних возмущающих воздействий с неопределенными характеристиками.

Особое внимание уделяется учету дополнительных модальных требований к качеству процессов управления.Исследования, представленные в диссертационной работе, проводилисьпо следующим основным направлениям: развитие методов формирования базовых законов управления применительно к задаче о наилучшем подавлении внешних воздействий; оптимизация размера множества реакций на ограниченные внешниевоздействия с обеспечением желаемых модальных свойств и разработкасоответствующих расчетных методов синтеза;4 разработка методов синтеза управлений, удовлетворяющих дополнительным динамическим требованиям при действии на замкнутую систему ступенчатых ветровых возмущений; исследование особенностей синтеза законов цифрового управлениядвижением морских судов в условиях воздействия неопределенных внешних возмущений; решение практических задач управления морскими судами для иллюстрации работоспособности и эффективности разработанных методов иалгоритмов.Методы исследований.

Для решения задач, рассматриваемых в диссертации, используются классические и современные методы анализа исинтеза систем управления динамическими объектами. Формирование иисследование синтезируемых законов управления осуществляется с использованием аналитического и вычислительного аппарата математического анализа, теории функций комплексной переменной, высшей алгебры,теории обыкновенных дифференциальных уравнений.Научная новизна результатов диссертационного исследования определяется разработкой новых методов синтеза законов управления морскимиподвижными объектами, обеспечивающих требуемое качество динамических процессов в замкнутой системе при учете неопределенностей в задании внешних возмущений. Особое внимание уделено развитию методовсинтеза управлений, компенсирующих влияние на морское судно внешнихвоздействий и одновременно удовлетворяющих дополнительным динамическим требованиям.Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные вдиссертационной работе методы и реализующие их алгоритмы можно использовать для построения законов управления в системах с неопределенными внешними возмущениями, в частности, для морских судов, движущихся в условиях воздействия ветра и морского волнения с заранее не известными характеристиками.

Практическая ценность разработанных алгоритмов определяется их вычислительной простотой, что позволяет повысить эффективность решения содержательных задач, связанных с синтезомзаконов управления подвижными объектами.Работоспособность и эффективность разработанных методов с соответствующей алгоритмической поддержкой подтверждается примерами синтеза законов управления морским судном.Апробация работы. Результаты данного диссертационного исследования докладывались на: 13-й международной конференции «Humans andComputers» (Аизу-Вакаматсу, Япония, 2010), 41-й международной научной5конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость» (Санкт-Петербург, 2010), 42-й международной научной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость»(Санкт-Петербург, 2011), VII международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование»(Москва, 2012), XV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2013), VIII международной научнопрактической конференции «Современные информационные технологии иИТ-образование» (Москва, 2013), 44-й международной научной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость»(Санкт-Петербург, 2013), 18-й международной конференции «Methods andModels in Automation and Robotics» (Медзиздроже, Польша, 2013), XXIVмеждународной конференции «Information, Communication and AutomationTechnologies» (Сараево, Босния и Герцеговина, 2013), международной конференции «The International MultiConference of Engineers and Computer Scientists» (Гонконг, 2014), 45-й международной научной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость» (СанктПетербург, 2014), а также на семинарах кафедры компьютерных технологий и систем СПбГУ.Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 17 печатных работах, пять из которых опубликованы в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трехглав, заключения и списка литературы, включающего 124 наименования.Объем составляет 117 страниц машинописного текста, работа содержит 27рисунков.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении представлен общий обзор и обсуждение задач, рассматриваемых в диссертационной работе, и проводится краткий анализ научныхпубликаций по теме исследования.Первая глава посвящена рассмотрению общих принципов автоматического управления движением морских судов в условиях воздействия на нихвнешних возмущений с неопределенными характеристиками. В первуюочередь, здесь представлен базовый математический аппарат, применяемый в работе, приведенный к удобной форме для проведения диссертационного исследования.6В первом параграфе, обсуждаются вопросы, связанные с математической формализацией движения морских судов как объектов управления.Указываются общие принципы построения их математических моделей иотмечаются те особенности, которые используются в диссертации.