Моделирование и оптимизация систем управления движением морских подвижных комплексов

• Автор: Маттис, Алексей Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 152 с. : ил.

1.1. Постановка задачи

1.2. Математические модели систем автоматического управления дви женисм морских подвижных комплексов по заданной траектории

1.3. Математические модели движения морских подвижных объектов

1.3.1. Системы координат и кинематические параметры, опреде ляющие положение объекта в пространстве

1.3.2. Уравнения динамики движения морского подвижного объ екта в пространстве

1.4. Основные источники навигационной информации морского под вижного комплекса

1.4.1. Инерциальная навигационная система

1.4.2. Спутниковая радионавигационная система

1.4.3. Гидроакустическая навигационная система

1.4.4. Гидроакустический лаг

1.5. Методы комнлексирования навигационной информации

1.6. Выводы
ГЛАВА 2. Алгоритмы оценивания параметров и управления движением морского подвижного комплекса
2.1. Постановка задачи
2.2. Математические модели движения элементов комплекса
2.2.1. Математическая модель движения морского подвижного объекта в связанной системе координат
2.2.2. Математические модели движения морского подвижного объекта в базовой системе координат
2.3. Математические модели наблюдений параметров движения элемен тов комплекса
2.3.1. Инерциальная навигационная система
2.3.2. Спутниковая навигационная система
2.3.3. Гидроакустическая навигационная система
2.3.4. Гидроакустический лаг
2.4. Обобщенные алгоритмы оптимального оценивания параметров и управления движением морского подвижного комплекса
2.4.1. Оптимальное оценивание параметров и управление движе нием в непрерывном времени
2.4.2. Оптимальное оценивание параметров и управление движе нием в дискретном времени
2.5. Алгоритмы оптимального оценивания параметров и управления движением судна по заданной траектории
2.5.1. Управление движением судна с использованием средств ак тивного управления
2.5.2. Управление движением судна с использованием движитель норулевого комплекса
2.5.3. Алгоритмы оптимального оценивания параметров и управ ления движением судна в дискретном времени
2.6. Алгоритмы оптимального оценивания параметров и управления движением подводного аппарата по заданной траектории
2.7. Совместное оптимальное оценивание и управление судном и НПА при движении по заданной траектории
2.8. Выводы
ГЛАВА 3. Исследование алгоритмов оценивания параметров и управления движением морского подвижного комплекса
3.1. Постановка задачи
3.2. Исследование точности алгоритмов оценивания параметров движе ния морского подвижного комплекса
3.3. Исследование влияния ошибок знания масс и гидродинамических характеристик элементов комплекса на эффективность алгоритмов оценивания
3.4. Исследование влияния ошибок определения параметров случайных внешних воздействий на эффективность алгоритмов оценивания
3.5. Исследование влияния инерционности исполнительных механизмов 0 средств активного управления на эффективность алгоритмов управления движением
3.6. Выводы
ГЛАВА 4. Программная реализация модели системы автоматического управления совместным движением элементов морского подвижного комплекса
4.1. Постановка задачи
4.2. Структура программного комплекса
4.3. Особенности реализации программных модулей
4.4. Особенности построения реальных систем автоматического управ 4 ления движением
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Определение гидродинамических характеристик морских подвижных объектов с применением САПР ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Описание программного модуля Имитация ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты внедрения
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АИЛА автономный необитаемый подводный аппарат
БИНС бесплатформенная инерциальная навигационная система
БА блок акселерометров
БГ блок гироскопов
БЭВ бортовой эталон времени
ВРШ винт регулируемого шага
ВПК выдвижная поворотная колонка
ГАНС гидроакустическая навигационная система
ГАС гидроакустическая станция
Г АЛ гидроакустический лаг
ГМО гидрометеообстановка
ГАГК гироазимутгоризонткомпас
ГИНС гиростабилизированная платформа
ГД главный двигатель
ДУС датчик угловой скорости
ДДРК двигательиодвижительный и рулевой комплекс
ДБ длинная база
инс инерциальная навигационная система
ИИБ инерциальный измерительный блок
ИСУД интегрированная система управления движением
км компас магнитный
ЛВС локальная вычислительная сеть
ЛСУ локальная система управления
МГК морской подвижный комплекс
мпо морской подвижный объект
НРЛС навигационная радиолокационная станция
НПА необитаемый подводный аппарат
ПУ подруливающее устройство
ПК программный комплекс
ПИД нропорционапьноинтегральнодифференциальный
РНС радионавигационная система
РМ рулевая машина
САУД система автоматического управления движением
СК система координат
СНС спутниковая навигационная система
СКО среднеквадратическая ошибка
ТПА телеуправляемый подводный аппарат
УКБ ультракороткая база
ЭВМ электронновычислительная машина.
ВВЕДЕНИЕ


Во второй главе синтезируются алгоритмы оптимального управления и оценивания параметров МПК при движении по заданным траекториям в базовой СК предложены и исследованы математические модели движения МПО в базовой СК рассмотрены математические модели измерителей пара метров движения элементов комплекса приведены обобщенные алгоритмы оптимального оценивания параметров и управления движением элементов комплекса в непрерывном и дискретном времени синтезированы и исследованы алгоритмы совместного оптимального оценивания параметров и управления судном и НПА при их движении по заданной траектории. В третьей главе проводится исследование эффективности предложенных алгоритмов приведены результаты сравнительного исследования алгоритмов совместного и раздельного оценивания параметров МПК при движении по заданной прямолинейной траектории выполнено исследование влияния ошибок задания масс и гидродинамических характеристик элементов МПК на эффективность алгоритмов оценивания и управления выполнен анализ влияния ошибок определения параметров случайных внешних воздействий на эффективность алгоритмов оценивания приведены алгоритм распределения упоров и результаты исследования эффективности алгоритмов оценивания и управления с учетом инерционности средств активного управления движением. Четвертая глава посвящена особенностям реализации программного комплекса Интегрированная система управления движением рассмотрены особенности построения архитектуры программного комплекса рассмотрены особенности реализации программных модулей имитации, комплексирования навигационной информации и управления движением рассмотрены вопросы построения реальных систем автоматического управления движением, в том числе механизм адаптации разработанного программного комплекса к установленному на судне сочетанию технических средств. ГЛАВА 1. Для разработки и моделирования систем автоматического управления САУ с использованием методов стохастической теории оптимального управления большое значение имеет построение адекватных математических моделей компонентов, входящих в структуру оптимальной САУ модели управляемого объекта, модели внешних воздействий и модели наблюдений. В связи с этим для разработки максимально эффективных алгоритмов управления движением МПК необходимо выполнить обзор существующих методов и алгоритмов автоматического управления движением МПК по заданным траекториям, разработать адекватные математические модели движения управляемых объектов, изучить принципы работы, характер ошибок и точность источников навигационной информации. Для решения поставленной задачи в п. МПК, методы и алгоритмы автоматического управления движением его элементов. В н. МПО в пространстве. В п. В п. В настоящее время вопросы разработки и моделирования систем автоматического управления движением МПК по заданной траектории являются частью общей проблемы координированного управления движением распределенных робототехнических систем, состоящих из группы автономных объектов. Известны работы в области воздушной, космической и наземной робототехники, касающиеся управления полетом группы беспилотных летательных аппаратов или движением нескольких колесных роботов. Проблема согласованного следования по заданному маршруту применительно к морским комплексам стала рассматриваться в литературе сравнительно недавно. Известны работы , , в которых рассматривается совместное управление движением и маневрированием надводных судов в группе например, при проводке судна за ледоколом или при передаче груза с одного судна на другое на ходу. Известны также работы, касающиеся управления движением судна, следующего за НПЛ . В работе приводятся сведения о системе управления движением группы НПА. Следует отметить, что спектр проблем, решаемых в области морской робототехники, существенно сложнее аналогичных проблем в области воздушной или наземной техники, поскольку подводная навигация и связь существенно сложнее. В настоящее время известны три основных подхода к разработке и моделированию систем управления движением группы объектов по заданным траекториям следование за лидером, ситуационный метод и метод виртуальных структур . Первый подход следование за лидером определяет ведущий элемент в группе, система управления движением которого обеспечивает следование по заданной траектории, тогда как остальные элементы группы удерживают заданную позицию относительно ведущего , , , 5.