Разработка и моделирование системы управления движением подводного аппарата, связанного кабель-тросом с кораблем

• Автор: Шигапов, Ринат Дамирович
• Шифр специальности: 05.13.05, 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 116 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА, СВЯЗАННОГО
С КОРАБЛЕМ КАБЕЛЬ-ТРОСОМ
1Л. Математические модели движения НПА и кабель-троса
1.2. Анализ алгоритмов управления и методов построения регуляторов для
систем управления
1.2 Л. Стабилизация курса с помощью ПИД-регулятора
1.2.2. Адаптивные системы управления
1.2.3. Современные подходы в управлении
1.3. Выводы
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ И РЕГУЛЯТОРОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ НАДВОДНЫЙ КОРАБЛЬ, КАБЕЛЬ-ТРОС, НЕОБИТАЕМЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ
2.1 Постановка задачи и краткое содержание
2.2 Модель движения растяжимого кабель-троса, связывающего надводный НК и НПА
2.3 Численное решение уравнений движения КТ, связывающего НК и НПА
2.4 Моделирование динамики кабель-троса при буксировке аппарата кораблем вдоль прямой линии
2.5 Рекомендации по выбору длины звена кабеля
2.6 Управление корабельной лебедкой
2.6.1 Математическая модель корабельной лебедки и кабель-троса
2.6.2 Нечёткий регулятор для управления корабельной лебедкой
2.7 Управление движением НПА в режиме стабилизации курса на основе методов нечеткой логики с нейросетевой настройкой параметров

2.7.1 Настройка регулятора управления
2.7.2 Моделирование работы нейронечёткого регулятора
2.8 Выводы
ГЛАВА 3 ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СВЯЗКИ НК-КТ-НПА
3.1 Назначение комплекса программ
3.2 Общая схема САУ комплексом «Надводный корабль - кабель
трос - необитаемый подводный аппарат
3.3 Программа моделирования движения кабель-троса
3.4 Программный модуль моделирования динамики необитаемого
подводного аппарата
3.5 Программа моделирования динамики корабельной лебедки
3.6 Синтез и настройка регуляторов
3.7 Руководство пользователя комплекса программ
3.8 Минимальные требования к ЭВМ
3.9 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ АББРЕВИАТУР
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Акт об использовании результатов диссертационной
работы в ФНПЦ ОАО «НПО «Марс»
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Необитаемые подводные аппараты (НПА) широко применяются во многих сферах, связанных с освоением Мирового океана, например, при исследовании морского дна, нефтегазовых поисковых работах, спасательных операциях и т. д. Для производства ряда подводных работ более эффективными считаются НПА, связанные с надводным кораблем (НК) кабелем или кабель-тросом (КТ): телеуправляемые, буксируемые или привязные
аппараты. Такие НПА получают по кабелю непрерывное электроснабжение и сигналы управления с НК, что увеличивает рабочую глубину и время подводных работ в отличие от автономных аппаратов. По КТ на НК поступает информация об исследуемом объекте. Однако КТ воздействует на НПА, то есть возникает комплекс НК-КТ-НПА, поэтому дополнительно должны определяться и учитываться форма КТ и его распределённые натяжения не только в текущий момент времени, но и с упреждением для исключения возможности аварийных ситуаций. Кроме того, появляется необходимость управления корабельной лебёдкой, выбирающей или стравливающей КТ. Всё это существенно усложняет систему автоматического управления движением (САУД).
Важными элементами САУД являются различные регуляторы, преобразующие сигналы различных датчиков в сигналы управления, например, широко используемые пропорционально-дифференциальные (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД). Однако настройка (задание коэффициен-тов) этих регуляторов сложная задача, особенно в постоянно изменяющихся условиях (в нашем случае это длина КТ, положение и скорость НПА относительно НК, скорость течения воды и т.д.). Значительно проще осуществляется настройка нечётких регуляторов, представляющих собой систему правил естественной структуры «если-то». Однако применение таких регуляторов для комплекса НК-КТ-НПА в совокупности с лебёдкой не рассматривалось. Существенно, что при настройке в качестве учителя может быть
- моделирование на основе экспертных знаний о системе,
- моделирование самонастраивающихся моделей на основе измерения входов и выходов,
- моделирование самоорганизующихся моделей на основе измерения входов и выходов.
Принимая во внимание определения данные в [53] в самонастраивающихся нечетких моделях настраиваются только параметры функций принадлежности. При этом правила вывода и число нечетких множеств остаются неизменными. В самоорганизующихся моделях соответственно может меняться количество правил вывода и нечетких множеств. Увеличение нечетких множеств и правил позволяет увеличить точность модели, но, в то же время, усложняет настройку модели [53].
Самым первым использованным методом нечеткого моделирования был метод на основе экспертных знаний. При применении данного метода используются знания и опыт человека, эксперта в исследуемой области. Данный метод характеризуется использованием интуиции эксперта и его предположений. У эксперта в ходе процесса моделирования вырабатывается некоторые ментальные знания. При этом эти знания делятся на осознанные и неосознанные. Осознанные знания эксперт может сформулировать в виде вербальной модели знаний. Неосознанные знания могут проявиться только в ходе практических действий эксперта и не могут быть применены для построения нечеткой модели системы. Таким образом, вербальная модель является основой для построения нечеткой модели системы.
Таким образом, точность нечеткой модели на основе экспертных данных определяется знаниями эксперта о реальной системе, его возможностями перевода этих знаний в правила лингвистических значений, а также опытом, интуицией, знаниями эксперта по нечеткому моделированию. Все это накладывает ограничения на использование данного метода при моделировании сложных систем, систем, в которых процессы протекают с большой скоростью. Также имеются ограничения на использования метода с экспертом в некоторых