НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

К 35.052.14

Фан Ван Ван

УДК 681.52 : 629.5.072

УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ РУХОМ МАЛОМІРНОГО СУДНА

ПРИ СТАБІЛІЗАЦІЇ НА ТРАЄКТОРІЇ

05.13.03 – Системи і процеси керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Блінцов Володимир Степанович, Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, директор Миколаївського інституту автоматики і електротехніки УДМТУ.

Офіційні опоненти:

1. Самотий Володимир Васильович, д.т.н., професор, професор кафедри автоматики і телемеханіки Національного університету "Львівська політехніка", м. Львів.

2. Казак Василь Миколайович, д.т.н., доцент, завідувач кафедри електроенергетичних систем Національного авіаційного університету, м. Київ.

Провідна установа:

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Київ, кафедра приладів та систем керування літальними апаратами.

Захист відбудеться 07.10.2003 р. о16 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради К 35.052.14 Національного університету "Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів, вул. Бандери, 12.

Автореферат розісланий 03.09.2003 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради К 35.052.14,

канд. техн. наук, доцент Батюк А.Є.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Задача стабілізації судна на траєкторії є однією з актуальных задач автоматизації керування морськими рухомими об'єктами. Розв’язання цієї задачі, що радикально змінює ефективність автоматизованого судноводіння, є альтернативою задачі стабілізації судна на курсі. Цей підхід дозволяє підвищити рівень автоматизації і безпеки мореплавання, автоматизувати рішення спеціальних задач судноводіння.

Розробка методів моделювання і систем керування рухомими об'єктами різного призначення завжди знаходилась в центрі уваги провідних вітчизняних і закордонних учених. Значний внесок у вирішення задач автоматизації керування такими об’єктами внесли академік НАН України В.М.Кунцевич, академік РАН В.Г.Пешехонов. Дослідженню і проектуванню систем автоматичного керування рухом судна при стабілізації на курсі і на траєкторії, а також проектуванню автоматизованих комплексів судноводіння присвячені роботи проф. Л.Л.Вагущенко, А.А.Кошового (Україна), С.Я. Березіна, С.П.Дмитрієва, О.Є. Пелевіна, Б.О. Тетюєва, І.Р. Фрейдзона, Ю.О.Лукомським (Росія). Значні результати у створенні безплатформних інерційних навігаційних систем, інтегрованих систем орієнтації і навігації рухомих об'єктів, обробці навігаційної інформації отримані О.В.Збруцьким (Україна), О.А.Степановим, О.М.Анучіним, С.С.Ривкіним, Л.П.Несенюком (Росія).

Незважаючи на істотні досягнення в автоматизації керування морськими рухомими об'єктами, для класу маломірних суден (МС) через їхні особливості, такі як малі розміри (довжина корпусу 20...25 метрів) і низька вартість, автоматизація процесу керування не досягла потрібного рівня розвитку. З підвищенням швидкості руху, маневрених характеристик, а також кола задач, які повинні вирішувати МС, для них актуальною стає задача удосконалення системи керування рухом при стабілізації на траєкторії в складних гідрометеорологічних умовах (морське хвилювання 3 бали і більше за шкалою Бофорта) з метою підвищення точності утримання судна на заданій траєкторії з похибкою не більше 2...5 м та мінімізації навантаження на стерновий пристрій. Сучасні супутникові системи навігації у режимах роботи без диференціальних поправок забезпечують визначення навігаційних координат судна з похибкою до 25...30 м, а суднові автостернові пристрої МС при морському хвилюванні більше 3 балів працюють з перевантаженням стернових пристроїв. Особливістю задачі стабілізації МС на траєкторії є те, що керована величина (бічне відхилення МС) не може визначатися безпосередньо, а обчислюється при визначенні фактичного місця розташування судна. Тому задача стабілізації МС на траєкторії розв’язується тільки при високоточному визначенні навігаційних і динамічних параметрів судна і підвищенні ефективності керування ним в складних гідрометеорологічних умовах.

Аналіз сучасного стану і тенденцій розвитку навігаційних приладів і систем показує, що розв’язання задачі достовірного і точного визначення місцезнаходження МС і його кутової орієнтації можливе при раціональному використанні всієї сукупності навігаційної інформації, яка надходить від різних за фізичним принципом дії датчиків і при використанні сучасних методів її обробки. При цьому виникає можливість використання датчиків навігаційної інформації середньої і низької точності, що знижує габаритні розміри і вартість системи керування МС. Підвищення ефективності автоматичного керування МС у складних гідрометеорологічних умовах може бути досягнуто з залученням інтелектуальних методів керування, зокрема, методів нечіткої логіки. Теоретичні питання нечіткої логіки та її застосування в системах автоматичного керування технічними об’єктами достатньо глибоко розроблені зарубіжними та вітчизняними вченими Л.Заде, В.І.Архангельським, І.М.Богаенко, В.І.Гостєвим, Ю.П.Кондратенко. Але застосування нечіткої логіки для автоматизації керування МС в науково-технічній літературі не висвітлено. Тому удосконалення системи керування рухом МС у складних гідрометеорологічних умовах шляхом використання апарату теорії нечіткої логіки є перспективним шляхом підвищення ефективності керування МС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась як складова частина досліджень, що проводяться на кафедрі електрообладнання суден Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова по НДР № 1476 "Розробка теоретичних основ створення технічних засобів освоєння природних ресурсів Чорного й Азовського морів".

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення системи керування рухом маломірного судна при стабілізації на траєкторії шляхом підвищення точності визначення його навігаційних і динамічних параметрів, а також підвищення ефективності роботи системи автоматичного керування рухом маломірного судна в складних гідрометеорологічних умовах.

Для досягнення поставленої мети в дисертації розв’язані наступні задачі:

1. На основі аналізу сучасних приладів, систем навігації і керування морськими рухомими об'єктами розроблена структура системи керування рухом МС підвищеної точності, що включає в себе інтегровану систему орієнтації і навігації (ІСОН) з мінімальним складом малогабаритних навігаційних приладів низької вартості й автостерновий з нечітким регулятором для підвищення ефективності стабілізації МС на траєкторії.

2. Розроблено структуру ІСОН МС, що складається з безплатформної інерційної навігаційної системи (БІНС), приймача супутникової навігаційної системи (СНС) і лага.

3. Розроблено математичні моделі похибок і алгоритми функціонування ІСОН на основі оптимальної обробки навігаційної інформації за допомогою оптимального фільтра Калмана (ОФК), що оцінюють похибки у виробленні навігаційних і динамічних параметрів МС у випадках використання суднового лага й без нього.

4. Розроблено структуру, математичну модель та алгоритми роботи нечіткого регулятора для стабілізації МС на траєкторії з оптимізацією числа перекладок стерна в умовах морського хвилювання.

5. Розроблено моделюючий комплекс, призначений для дослідження роботи ІСОН у режимі оцінювання похибок навігаційних параметрів і для розробки й дослідження ефективності роботи нечіткого регулятора у режимі стабілізації МС на траєкторії.

6. Проведено комп'ютерне і напівнатурне моделювання роботи ІСОН, визначені і проаналізовані її характеристики точності для різних умов морського хвилювання і вироблені рекомендації з підвищення точності навігаційної інформації. Досліджено ефективність застосування розробленої ІСОН при стабілізації МС на траєкторії.

7. Методом математичного моделювання підтверджена ефективність застосування нечіткого регулятора автостернового для керування МС при стабілізації на траєкторії в умовах морського хвилювання.

Об'єктом дослідження є система керування рухом маломірного судна при стабілізації на траєкторії в умовах морського хвилювання.

Предметом дослідження є розробка програмно-технічного забезпечення системи керування МС, яке підвищує точність визначення навігаційних і динамічних параметрів та ефективність роботи системи автоматичного керування при стабілізації МС на траєкторії в умовах морського хвилювання.

Методи дослідження. Для розв’язання поставлених у дисертації задач використовуються наступні методи дослідження: метод комплексування навігаційних систем, метод математичного моделювання, метод статистичної обробки інформації, теорія нечіткого керування, методи комп'ютерного і напівнатурного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

розроблена структура системи керування рухом МС для його стабілізації на траєкторії з підвищеною точністю на основі ІСОН і автостернового з нечітким регулятором; використання ІСОН на основі навігаційних датчиків невисокої точності і вартості дає можливість керувати МС з точністю порядку 2...5 метрів, що відповідає вимогам до класу маломірних суден при виконанні ними спеціальних робіт;

складена система диференціальних рівнянь, що описують моделі похибок елементів ІСОН, на підставі якої розроблені алгоритми функціонування ІСОН; алгоритми реалізуються у виді ОФК і дозволяють оптимально обробляти навігаційну інформацію, яка надходить від окремих підсистем ІСОН, що підвищує точність визначення навігаційних параметрів МС;

розроблено нечіткий регулятор автостернового МС, що забезпечує його стабілізацію на траєкторії в умовах морського хвилювання з оптимізацією числа перекладок стерна; використання нечіткого регулятора дозволяє в 1,5...2 рази зменшити число перекладок стерна, що підвищує ефективність використання автостернових у складних гідрометеорологічних умовах.

Вірогідність отриманих результатів. Вірогідність отриманих результатів забезпечується використанням адекватних математичних моделей типових елементів ІСОН, напівнатурним моделюванням із залученням реальних даних від датчиків інформації, застосуванням ліцензійної програми СоtМАСS для дослідження систем керування рухом МС методом математичного моделювання і використанням сучасних пакетів МаtLab для обробки результатів дослідження.

Практична значимість отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при створенні систем керування маломірними морськими рухомими об'єктами різного призначення. Практичне значення результатів роботи полягає в наступному:

розроблено структуру системи керування рухом МС як основу для проектних робіт по створенню систем керування МС підвищеної точності та низької вартості;

визначено рівень точності ІСОН, побудованої на основі серійних датчиків навігаційної інформації невисокої вартості, що забезпечує достатню для практики точність керування МС при стабілізації його руху на траєкторії;

розроблено пакет прикладних програм комп'ютерного і напівнатурного моделювання для проектної оцінки ефективності роботи ІСОН і системи керування МС при стабілізації на траєкторії з використанням нечіткого регулятора;

розроблено структуру, алгоритм функціонування та комп’ютерну програму реалізації нечіткого регулятора автостернового, які можуть використовуватись при створенні ефективних систем керування МС в умовах морського хвилювання.

Результати роботи передані для впровадження і використовуються в Академії наук суднобудування України при розробці інтегрованої системи орієнтації і навігації маломірного морського рухомого об'єкта та у навчальному процесі Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова при підготовці фахівців зі спеціальностей 8.092201 "Електричні системи і комплекси транспортних засобів" і 7.090901 "Прилади точної механіки".

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях: Міжнародній науково-технічній конференції "Безпека мореплавання і її забезпечення при проектуванні і побудові суден". Миколаїв: УДМТУ, 2001 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми енергозбереження й екології в суднобудуванні". Миколаїв: УДМТУ, 2002 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво". Миколаїв: УДМТУ, 2002 р.; Науково-технічній конференції "Електромеханічні системи, моделювання й оптимізація". Кременчук: КДПУ, 2002 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Гіротехнології, навігація, керування рухом і конструювання авіаційно-космічної техніки". Київ: НТУУ "КПІ", 2003 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення ". Севастополь: СевНТУ, 2003 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 друкованих праць і 5 тез конференцій. Основні результати досліджень викладені в 9 статтях у фахових наукових виданнях (2 без співавторів).

Особистий внесок здобувача підтверджують 2 самостійні наукові публікації, у яких викладені алгоритм роботи інтегрованої системи орієнтації і навігації маломірного судна і результати досліджень ефективності стабілізації маломірного судна на траєкторії під керуванням автостернового з нечітким регулятором. У роботі [1] автором виконана розробка структури системи керування для маломірного судна; у роботі [2] – виконана розробка структури, моделей і алгоритму функціонування нечіткого регулятора, проведено моделювання системи; у роботі [3] – виконана розробка структурної схеми, моделей похибок й алгоритму функціонування ІСОН; у роботі [4] – проведено дослідження спостережності похибок БІНС при стаціонарному русі об'єкта; у роботі [7] – розроблена структурна схема комплексованої системи і досліджені основні режими її роботи.

Структура дисертації. Дисертація містить вступ, 4 розділи, висновки, додатки, де представлено огляд сучасних навігаційних приладів і систем керування суднами, листинги розроблених програм розрахунку і моделювання, результати дослідження й акти про впровадження результатів дисертації.

Обсяг дисертації – 145 стор., 83 ілюстрації, 21 таблиця, додатки на 76 стор. Список використаних джерел містить 90 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми і викладено перелік питань, дослідженню яких присвячена дисертація, сформульовано мету дослідження, наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів, що захищаються автором, а також наведено відомості про практичне застосування й апробацію результатів дисертації.

У першому розділі дається аналіз стану і описуються тенденції розвитку навігаційних приладів і систем керування рухом сучасних суден. Наведені принципи роботи і критичний аналіз сучасних основних навігаційних приладів і систем керування рухом судна. Описані сучасні тенденції удосконалення інформаційної частини системи керування рухом судна, які полягають в інтеграції різних джерел інформації і застосуванні сучасних методів комплексної обробки інформації. Приведені особливості класу МС і вимоги до них по навігаційному устаткуванню. На основі аналізу стану і тенденцій розвитку приладів і систем керування рухом судна й особливостей МС запропонована структура системи керування рухом МС при стабілізації на траєкторії, що приведена на рис.1.

Виділяються наступні напрямки досліджень по удосконаленню системи керування рухом МС при стабілізації на траєкторії: –

розробка і дослідження ІСОН МС, що складається з БІНС, приймача СНС та лага і забезпечує підвищену точність визначення навігаційних (координат і курсу) і динамічних (лінійних і кутових швидкостей) параметрів МС при мінімальних масогабаритных розмірах приладів;–

удосконалення системи автоматичного керування МС при його стабілізації на траєкторії в умовах морського хвилювання шляхом мінімізації числа перекладок стерна на основі використання навігаційної інформації підвищеної точності і на основі синтезу нечіткого регулятора автостернового, база правил якого містить досвід людини-стернового.

У другому розділі розроблено структуру ІСОН МС, що складається з БІНС, приймача СНС (GPS/ГЛОНАСС) і суднового лага, розроблено моделі й алгоритми її роботи.

Основний алгоритм роботи ІСОН містить оцінювання похибок визначення навігаційних і динамічних параметрів МС, що генеруються БІНС, для подальшої їх компенсації. В ІСОН прийняті наступні похибки для оцінювання і компенсації: похибки у визначенні широти , довготи , висоти h, північної, східної і вертикальний складових VN , VE , VВ лінійної швидкості руху МС відносно Землі , , h, VN , VE , VВ ; похибки аналітичної побудови вертикалі в БІНС і похибка визначення напрямку меридіана , , ; повільно змінювані випадкові дрейфи датчиків кутових швидкостей (ДКШ) m??, m?2, m?3, і зсуву нулів акселерометрів ma1, ma2, ma3. Для побудови алгоритму роботи ІСОН побудовані моделі похибок складових, що входять до її складу.

Модель похибок БІНС представляється у виді:

=С–+

;

С = С ; ;

= m??i + ??i (t) , i= 1…3; = mai + ai (t) , i=1…3;

; ; .

де R – радіус Землі; U – кутова швидкість обертання Землі; С – матриця направляючих косинусів; , – інтервали кореляції випадкових процесів; ??i (t), ai (t) – білі шуми; зщi, заi, i = 1…3 – шуми вимірювань ДКШ і акселерометрів.

Модель похибки приймача СНС представляється у виді:

снс = + v1 (t);

снс = + v2 (t);

hснс = h + v3 (t); | VE снс = VE + v4 (t);

VN снс = VN + v5 (t);

VВ снс = VВ + v6 (t).

де vi (t), i= 1…6 – випадкові похибки у виді білого шуму.

Модель похибки лага представляється у виді:

,

де ?Vл – похибка виміру відносної швидкості лага; ?Vт – похибка, що враховує наявність швидкості течії у вимірах лага; л(t) – білий шум з нульовим математичним очікуванням.

Представимо модель похибки БІНС у матричній формі:

, (1)

де X(t) вектор стану похибок, U(t) вектор відомих вхідних впливів, W(t) вектор випадкових вхідних впливів, A, G, B матриці коефіцієнтів;

h VE VN VВ …?

…? ma1 ma2 ma3 m?? m?2 . (2)

Алгоритм роботи ІСОН представляється у виді ОФК зі структурою:

, (3)

де K(t) матриця оптимальних коефіцієнтів підсилення, що визначається в такий спосіб: .

Тут P(t) коваріаційна матриця похибок оцінюванняE(t) = X(t) –(t), яка знаходиться шляхом інтегрування наступного диференціального рівняння (рівняння Ріккаті):

,

де Qи и Rи матриці інтенсивностей випадкових процесів W(t) і V(t) відповідно:

Qи=diag[];

Rи = diag [],

де – інтенсивності шумів виміру акселерометрів аi і ДУС щi (i = 1…3); , – інтенсивності білих шумів, що породжують ai(t), щi(t) (i= 1…3) у моделі (1) випадкових дрейфів акселерометрів і ДКШ; Dai, Di дисперсії повільно змінюваних випадкових складових зсувів нулів акселерометрів mai і дрейфів ДКШ m?щi; i=16) – інтенсивності випадкових шумів вимірів vi(t) приймача СНС.

Вектор вимірів Y(t) для ОФК сформуємо з різниць між координатами і швидкостями об'єкта, визначеними за допомогою БІНС і приймача СНС:

Y(t)=

=,

де V(t) = вектор випадкових шумів вимірів приймача СНС; H матриця коефіцієнтів, що має блоковий вид:

H =,

де I6,6 одинична матриця розміром 66, 06,9 нульова матриця розміром 69.

Інтегруючи рівняння (3) у реальному масштабі часу, будемо мати поточну оцінку вектора стану похибок БІНС (2), у тому числі похибки визначення координат об'єкта , , h, його швидкостей VE, VN, VВ, і кутів орієнтації ,,. Завдяки застосуванню алгоритму ОФК дисперсії похибок оцінювання цих навігаційних параметрів будуть мінімально можливими.

Структура інтегрованої системи орієнтації і навігації приведена на рис. 2.

На рис.2 позначено: WЛ(S) – передатковий коефіцієнт ОФК лага; ЗП – запам’ятовувальний пристрій; БК (K1, K2, K3) – блок ключів; K, и, г – відповідно, курс, крен і диферент МС; змінні з символом "?" означають їх оцінювані значення в ОФК; змінні з індексом "бінс" – параметри, що виробляються у БІНС; змінні з індексом "снс" – параметри, що видаються приймачем СНС. Блок ключів призначений для комутації сигналу корекції від приймача СНС і лага, що відповідає двом варіантам роботи ІСОН –при наявності сигналу СНС та без нього.

Другий напрямок удосконалення системи керування МС полягає в застосуванні нечіткого регулятора для керування стабілізацією судна на траєкторії з мінімізацією числа перекладок стерна. При стабілізації на траєкторії для ПІД-регулятора закон керування на кожний l-й момент дискретного часу визначається відомим виразом

, (4)

де – різниця між заданим і поточним курсом МС; – поправка до заданого курсу, що враховує бічне відхилення МС від заданої траєкторії і обчислюється по формулі

,

де , – бічні відхилення МС від траєкторії; s1,s2,s3,s4 – коефіцієнти дискретного ПІД-регулятора; L – інтервал інтегрування дискретного ПІД-регулятора.

Для нечіткого регулятора першою вхідною змінною приймаємо перший доданок виразу (4), другою вхідною змінною – другий доданок цього виразу (множина керуючих сигналів МК={S,щz}). Вихідною змінною системи керування є управляючий сигнал на перекладку стерна ul.

Структурна схема системи керування рухом МС із нечітким регулятором приведена на рис. 3.

Закон керування задамо у вигляді бази правил, розробленої з урахуванням дій людини-стернового при керуванні МС в умовах морського хвилювання. Сутність такого керування полягає у фільтрації малих значень S, щzl, а також у ступінчастому відхиленні стерна, що значно знижує число його перекладок.

Функції приналежності вхідних і вихідних змінних нечіткого регулятора при такому керуванні представлені на рис. 4...6.

Рис. 4. Функція приналежності вхідної змінної S (о)Відхилення | Рис. 5. Функція приналежності вхідної змінної z l (о/с) Кутова швидкість

Рис. 6. Функція приналежності вихідної змінної uL (о) Кут перекладки стерна

Базу правил нечіткого регулятора синтезуємо у виді:

ЯКЩО Відхилення від’ємне велике (ВВ) І Кутова швидкість від’ємне велике (ВВ) ТО Кут перекладки стерна нуль (НУЛЬ).

ЯКЩО Відхилення від’ємне велике (ВВ) І Кутова швидкість від’ємне середнє (ВС) ТО Кут перекладки стерна від’ємне мале (ВМ).

Повний зміст бази правил приведено в табл.1.

Таблиця 1

Бази правил нечіткого регулятора |

Кутова швидкість (zl)

ВВ | ВС | ВМ | НУЛЬ | ПМ | ПС | ПВ

Відхилення (S) | ВВ | НУЛЬ | ВМ | ВС | ВВ | ВВ | ВВ | ВВ

ВС | ПМ | НУЛЬ | ВМ | ВС | ВВ | ВВ | ВВ

ВМ | ПС | ПМ | НУЛЬ | ВМ | ВС | ВВ | ВВ

НУЛЬ | ПБ | ПС | ПМ | НУЛЬ | ВМ | ВС | ВВ

ПМ | ПБ | ПБ | ПС | ПМ | НУЛЬ | ВМ | ВС

ПС | ПБ | ПБ | ПБ | ПС | ПМ | НУЛЬ | ВМ

ПВ | ПБ | ПБ | ПБ | ПБ | ПС | ПМ | НУЛЬ

Для дослідження роботи й ефективності розробленої ІСОН і нечіткого регулятора застосовуємо метод комп'ютерного моделювання. Для цієї мети розроблено моделюючий комплекс, що складається з п'яти основних програм:

розробленого ЗАТ "НАВИС" (м.Санкт-Петербург) програмного комплексу CoTMACS-AP моделювання руху МС для випробування і налагодження автостернових;

розроблених автором програм, що реалізують алгоритми роботи автостернового з ПІД-регулятором і нечітким регулятором;

розробленої автором програми моделювання роботи ІСОН у режимі оцінювання похибок вироблення навігаційних і динамічних параметрів МС.

розробленої автором програми інтерфейсу зв'язку, призначеної для обміну даними між комплексом CotMACS-AP і програмами моделювання автостернового і ІСОН;

розробленої автором програми обробки результатів, призначеної для побудови графіків і статистичної обробки результатів дослідження.

У третьому розділі виконано дослідження роботи й аналіз похибок ІСОН з конкретно обраними навігаційними датчиками інформації БІНС низької точності. Мета дослідження – перевірка працездатності й ефективності ІСОН з такими датчиками при визначенні навігаційних і динамічних параметрів МС. Для розробленої ІСОН пропонуються датчики інформації, наведені в табл.2.

Таблиця 2

Основні параметри датчиків БІНС |

ДКШ | Акселерометр

ВГ951 | ВГ991Д | АТ-1101 | АК-5

Діапазон виміру | 40 град/с | 150 град/с | 50 м/с2 | 30…150 /с2

Стабільність зсуву нуля | 0,3…1 | 1…3 | 0,01 | 0,0001 м/с2

Рівень перешкод, 1/ | 1 град/год | 2 град/год– | 0,001 м/с2

Нестабільність масштабного коефіцієнта, % | 0,1…0,3 | 0,05 | 1,5 | 0,15

Споживана потужність | 1 Вт | 2 Вт––

Маса, г | 680 | 300 | 20 | 50

Габаритні розміри, мм | 15030 | 10525 | 202030 | 272123

Ціна, дол. США | 2600 | 3500 | 150 | 800

Як апаратуру споживача СНС для розроблюваної ІСОН обрано одноплатний приймач СН-3704 "NAVIOR-14" виробництва ГП "Оризон-Навігація" (м. Сміла, Україна), який дозволяє приймати сигнали як СНС GPS "Navstar" (США), так і ГЛОНАСС (Росія). Також використовується індукційний лаг ИЭЛ-2М (Росія) як допоміжний вимірник швидкості руху судна.

За даними датчиків згідно алгоритму роботи ІСОН виконується розрахунок похибок ІСОН у визначенні навігаційних параметрів, що відповідають вектору X (2):

X= {3,410–4 кут. хв.(0,63 м); 3,410–4 кут. хв.(0,63 м); 9,610–3 м/с; 9,610–3 м/с; 9,210–3 м/с; 1,4 кут. хв.; 1,4 кут. хв.; 17,1 кут. хв.; 3,910–3 м/с2 ; 3,910–3 м/с2; 3,510–4 м/с2; 0,074 о/год; 0,074 о/год; 0,12 о/год}. |

(5)

Результати розрахунку похибок показують високі характеристики точності ІСОН, яка побудована на основі БІНС і приймача СНС.

Для перевірки ефективності роботи ІСОН проведено комп'ютерне моделювання для двох режимів: стаціонарного (МС рухається з постійною швидкістю, без крену і дифференту) і динамічного (хитавиця МС). Графіки похибок ІСОН у визначенні широти і курсу для стаціонарного режиму показані на рис. 7...8.

Рис. 7. Похибки приймача СНС

і ІСОН у визначенні широти | Рис. 8. Похибки визначення

кута курсу в ІСОН

Характеристики точності, отримані в результаті моделювання роботи ІСОН, зведені в табл.3.

У таблиці зазначені максимальні похибки БІНС, визначені з результатів моделювання. При визначенні максимальних похибок приймача СНС і ІСОН, що носять, в основному, характер шумів, обчислювалися середньоквадратичні похибки (с.к.п.) і домножалися на коефіцієнт 2,5 для одержання максимальних значень з імовірністю 0,995.

Відзначимо також, що результати моделювання, приведені в табл.3, добре погоджуються з розрахунковими похибками ІСОН (5): максимальні похибки з табл. 3 приблизно рівні сереньоквадратичним з (5), помноженим на коефіцієнт 2,5 (імовірність 99,5%).

Таблиця 3

Максимальні похибки БІНС, приймача СНС і побудованої на їхній основі ІСОН у визначенні навігаційних параметрів МС, отримані

в результаті моделювання

Параметри | Похибка

БІНС *)

(автономний/коректуємий режими) | Приймача
СНС
(2,5 с.к.п.) | ІСОН
(2,5 с.к.п.)

Д R, м | 117 000 / 56 000 | 25 | 1,8

Д R, м | 51 000 / 24 000 | 25 | 1,9

Д h, м | / 340 | 25 | 1,6

Д VE , м/с | 28 / 2,9 | 0,1 | 0,025

Продовження табл. 3

Д VN , м/с | 32 / 5,3 | 0,1 | 0,023

Д VВ , м/с | 122 / 0,1 | 0,1 | 0,022

Д x , кут. хв. | 9,3 / 3,4– | 2,3

Д y , кут. хв. | 13 / 3,7– | 4,8

Д z , кут. хв. | 40**) / 22**)– | 26

*) Максимальні похибки БІНС за 5 годин роботи.

**) Максимальне відхилення похибки по курсу відносно початкової похибки 34,4 кут. хв.

Моделювання роботи ІСОН при хитавиці МС виконувалося при хитавиці судна за наступним законом: = m sin к t, де

m = 20о – амплітуда хитавиці; к = 0,1 Гц – частота хитавиці.

Похибка визначення курсу при хитавиці судна приведена на рис. 9. Порівняння рис. 9 і рис. 8 показує, що похибка визначення курсу судна при хитавиці менше у випадку стаціонарного руху (відповідно 11 кут. хв. і 26 кут. хв.). Крім того, очевидно, що при хитавиці МС у результаті процесу оцінювання похибки підвищується точність визначення курсу.

У результаті проведених досліджень можна зробити висновок про поліпшення характеристик точності ІСОН при хитавиці МС у порівнянні з його стаціонарним рухом.

З метою перевірки можливостей ІСОН по видачі навігаційної інформації в умовах, більш близьких до реальних, на додаток до комп'ютерного проведене напівнатурне моделювання роботи ІСОН по визначенню похибок. Похибки чутливих елементів БІНС (ДКШ і акселерометрів) і похибки приймача СНС не моделювалися, а бралися з файлу, що містить реальні дані, отримані при випробуваннях реальних навігаційних датчиків і систем. Основні похибки ІСОН при напівнатурному моделюванні приведені на рис. 10...12.

Результати напівнатурного моделювання підтвердили ефективність запропонованого алгоритму функціонування ІСОН і високу точність інтегрованої системи орієнтації і навігації. Ці результати добре погоджуються з комп’ютерним моделюванням. Так, похибки по визначенню широти мають значення 2 м і 3 м відповідно при комп’ютерному і напівнатурному моделюванні, похибки по швидкості – 0,025 м/с і 0,04 м/с, похибки по курсу – 26 кут.кв. і 35 кут.кв.

Рис. 10. Похибка ІСОН у визначенні широти, отримана при напівнатурному моделюванні | Рис. 11. Похибка ІСОН у визначенні східної складової швидкості руху об'єкта, отримана при напівнатурному моделюванні

У четвертому розділі виконано перевірку ефективності запропонованих автором рішень щодо удосконалення системи керування рухом МС при його стабілізації на траєкторії. Дослідження проводилися методом комп'ютерного моделювання руху МС в умовах морського

Рис. 12. Похибка ІСОН у визначенні кута курсу, отримана при напівнатурному моделюванні

хвилювання, моделювання роботи автостернового і джерела навігаційної інформації (ІСОН чи тільки СНС).

Для оцінки ефективності стабілізації МС на траєкторії у випадках використання інформації від ІСОН і від приймача СНС проведено моделювання для цих випадків. Для автостернового прийнятий ПІД-закон керування. У результаті моделювання отримані графіки відхилення з від траєкторії і кута перекладки стерна при русі МС по траєкторії в умовах морського хвилювання 3 бали за шкалою Бофорта і значеннях курсових кутів хвилі чB = 45о, 90о, 135о.

Отримані математичне очікування M, дисперсії D відхилення з МС від траєкторії і кута перекладки стерна б, а також їхні максимальні значення для досліджених режимів руху приведені в табл.4, де у чисельнику представлені результати для випадку використання ІСОН, а в знаменнику – для приймача СНС.

Таблиця 4

Відхилення МС від заданої траєкторії з і кут перекладки стерна б

при використанні інформації від ІСОН і приймача СНС

чB | М (математичне очікування) | D (дисперсія) | Max () | Max(з)

з | з

45o | 0,05–

0,21– | 0,34–

0,63 | 3,32

5,32 | 3,29

11,67 | 5,5

24,0 | 5,56

12,96

90o | 0,39

1,93 | 0,10

1,67 | 5,43

7,06 | 5,44

12,06 | 10,40

13,06 | 11,10

18,60

135o | 0,78

1,76 | 0,49

1,38 | 5,53

6,66 | 5,53

12,23 | 13,30

30,29 | 12,96

16,67

Результати досліджень дозволяють зробити наступні висновки:

при керуванні МС з використанням інформації від ІСОН його відхилення від траєкторії в 2...3 рази менше, ніж при використанні інформації від приймача СНС.

кути перекладки стерна і частота перекладок при використанні ІСОН у 2...3 рази менші, ніж при використанні приймача СНС.

Таким чином, використання для стабілізації на траєкторії інформації від ІСОН дозволяє більш ефективно керувати рухом МС.

Для порівняння ефективності нечіткого регулятора при стабілізації на траєкторії з ПІД-регулятором були приведені дослідження процесу керування рухом МС на курсових кутах хвилі 45о,90о і 135о з висотою хвилі 1м, 2м і 3м (3...5 балів за шкалою Бофорта). Результати моделювання для випадку хвилі висотою 1м і кута зустрічі з хвилею 45о показані на рис.13.

Математичне очікування і дисперсія відхилення МС від заданої траєкторії ?, кута перекладки стерна і числа перекладок стерна N при курсовому куті хвилі 45о приведені в табл. 5. В таблицях позначено: HВ – висота хвилі; J – інтегральний критерій ефективності керування судном: .

Рис. 13. Стабілізація МС на траєкторії при хвилі висотою1м і курсовим кутом хвилі 45о ( НР – нечіткий регулятор, ПІД – ПІД-регулятор).

Таблиця 5

Ефективність керування за допомогою нечіткого регулятора

і ПІД-регулятора при курсовому куті хвилі 45о

В=45о | М (математичне очікування) | D (дисперсія) | N | J

з | з

HВ =1м– | 0,10

0,06– | 0,24–

0,24 | 2,79

4,29 | 1,91

3,92 | 90

200 | 8,3

44,6

HВ =2м– | 0,05

0,03– | 0,57–

0,41 | 2,73

1,77 | 2,16

2,33 | 90

230 | 9,0

19,0

HВ =3м | 0,06

0,12– | 0,87–

0,65 | 2,86

4,08 | 2,31

4,14 | 100

250 | 8,0

16,7

Результати досліджень дозволяють зробити наступні висновки:

середнє відхилення від заданої траєкторії (математичне очікування) при використанні нечіткого регулятора в 1,5...2 рази менше, ніж при використанні ПІД-регулятора;

середні і максимальні значення кутів перекладки приблизно рівні для обох типів регуляторів;

число перекладок стерна при використанні нечіткого регулятора в 1,5...2 рази менше, ніж при використанні ПІД-регулятора.

Таким чином, використання розробленого нечіткого регулятора дозволяє забезпечити більшу точність утримання МС на траєкторії при меншій кількості перекладок стерна, а значить підвищити ефективність керування рухом судна.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв’язана актуальна наукова задача удосконалення системи керування рухом при стабілізації на траєкторії для класу маломірних суден. Задача розв’язана шляхом підвищення точності визначення навігаційних і динамічних параметрів маломірного судна за рахунок створення інтегрованої системи орієнтації і навігації на основі БІНС низької вартості, приймача СНС і лага, а також шляхом підвищення ефективності системи керування рухом маломірного судна за рахунок розробки нечіткого регулятора для стабілізації судна на траєкторії в умовах морського хвилювання. В результаті досліджень були отримані наступні наукові результати.

1. Розроблена структура системи керування рухом МС підвищеної точності, що включає в себе ІСОН з мінімальним складом навігаційних приладів і автостерновий з нечітким регулятором для підвищення эфективності стабілізації МС на траєкторії.

2. Розроблені структурні схеми ІСОН для двох конфігурацій: базової системи, побудованої на основі БІНС і приймача СНС, а також розширеної за рахунок додавання лага, який використовується як допоміжне джерело навігаційної інформації на період недосяжності сигналів СНС. Розроблені моделі похибок і алгоритми функціонування ІСОН, засновані на оптимальному оцінюванні похибок складових системи – БІНС, приймача СНС і лага з метою їхньої компенсації в ІСОН.

3. Доведена можливість отримання навігаційних і динамічних параметров МС з високою точністю за допомогою ІСОН, побудованої на основі БІНС невисокої точності. При використанні чутливих елементів БІНС – ДКШ з випадковим дрейфом порядку 0,3о/год і шумом виміру 1о/год/, акселерометрів з випадковим зсувом нуля 0,01 м/с2 і рівнем перешкод 0,001 м/с2/, точність (середньо-квадратична похибка) визначення навігаційних параметрів у ІСОН складає: координати – біля 0,7 м; лінійна швидкість – 0,01 м/с; кути нахилу об'єкта – 1,4 кут. хв.; кут курсу – 17 кут. хв.

Результати комп’ютерного та напівнатурного моделювання підтвердили теоретично обґрунтоване підвищення точності ІСОН при нестаціонарному русі об'єкта, зокрема, при його хитавиці.

4. Розроблена структура системи керування рухом МС при стабілізації на траєкторії з використанням нечіткого регулятора, розроблені і досліджені моделі й алгоритм функціонування нечіткого регулятора при керуванні рухом МС.

5. Розроблено спеціалізований моделюючий комплекс, за допомогою якого виконана розробка нечіткого регулятора і досліджена ефективність роботи системи керування рухом МС при стабілізації його на траєкторії в умовах морського хвилювання.

6. Результати моделювання процесів керування рухом МС при стабілізації на траєкторії з використанням інформації від приймача СНС і ІСОН МС показують, що при використанні інформації від ІСОН точність стабілізації в 2 рази більше, ніж при використанні інформації від приймача СНС, а число перекладок стерна знижується приблизно в 2...3 рази.

7. Результати досліджень показують, що при стабілізації МС на траєкторії за допомогою нечіткого регулятора можна досягати точності керування до 5 метрів при зниженні числа перекладок стерна в 1,5...2 рази в порівнянні з ПІД-регулятором.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Блинцов В.С., Фан Ван Ван. Задачи совершенствования информационно-управляющих систем для малоразмерных скоростных судов // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – № 7(385). – С. 140-146.

2. Блинцов С.В., Фан Ван Ван. Особенности применения нечетких регуляторов в режиме стабилизации судна на курсе // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – № 8(386). – С. 133-140.

3. Нестеренко О.І., Фан Ван Ван. Інтегрована система невисокої вартості для визначення координат і кутової орієнтації морського рухомого об’єкта // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2003. – № (387). – С.115-125.

4. Прохорчук О.В., Фан Ван Ван. Аналіз спостережливості похибок інтегрованої iнерцiально-супутникової системи орієнтації i навігації // Вісник транспортної академії України та Українського транспортного університету. – 2003. – Т.7. – С. 285-288.

5. Фан Ван Ван. Исследование ошибок интегрированной системы ориентации и навигации для маломерных судов // Зб. Наук. Праць УДMТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2003. - № 2 (388). – С. 115-120.

6. Фан Ван Ван. Исследование эффективности стабилизации на траектории маломерного судна при использовании нечеткого регулятора // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2003. – № 3(389). – С. 110-118.

7. Снигур А.К., Фан Ван Ван. Комплексированная система определения навигационных параметров высокоманевренных скоростных морских подвижных объектов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. – Кременчук: 2002. – Вип. 1(12). – С. 338-339.

8. Блинцов В.С., Фан Ван Ван. К вопросу создания интегрированной системы контроля и управления морскими подвижными объектами // Новые технологии в машино-приборостроении и на транспорте: Материалы международной научно-технической конференции, 10-14 сентября 2001 г. – Севастополь: Изд-во СевГТУ, 2001. – С. 181-184.

9. Блинцов В.С., Фан Ван Ван. К вопросу о совершенствовании системы контроля и управления морскими подвижными объектами // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2001. – № 5(377). – С.118-123.

10. Блинцов В.С., Фан Ван Ван. Особенности построения интегрированной системы контроля и управления морскими подвижными объектами // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2001. – № 6(378). – С.161-166.

11.Фам Тхе Лонг, Фан Ван Ван. Программное обеспечение системы моделирования движения судна для тренажера судоводителя // Journal of Science and Technique. – Hanoi: Le Quy Don Technical University, 2000. – № 93 (IV-2000). – Pp. 44-53. (На вьетнаком языке).

12. Фан Ван Ван. Особенности обработки информации в комплексированной навигационной системе морских подвижных объектов // Кораблебудування: освіта, наука, виробництво: Матеріали міжнародної конференції. Тези доповідей. В 2 т. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – Т. II. – С. 217-220.

13. Блинцов В.С., Фан Ван Ван. Применение нечеткого регулятора для удержания судна на волнении // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: Материалы 3-й международной научно-технической конференции. Тезисы докладов. – Николаев: УГМТУ, 2002. – С.205-206.

14. Снигур А.К., Фан Ван Ван. Постановка задачи оптимального оценивания ошибок комплексированных безплатформних инерциальных навигационных систем (БИНС) // Кораблебудування: освіта, наука, виробництво: Матеріали міжнародної конференції. Тези доповідей. В 2 т. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – Т. II. – С.239-241.

15. Нестеренко О.И., Прохорчук А.В., Фан Ван Ван. Исследование погрешностей интегрированной инерциально-спутниковой системы ориентации и навигации при нестационарном движении объекта // Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование авиационно-космической техники: Материалы 4-й международной научно-технической конференции. Зборник докладов. – Киев: НТУУ "КПИ", 2003. – Часть I. – С. 268-269.

16. Фан Ван Ван. Задачи автоматизации стабилизации маломерного судна на