Цифровые законы управления движением судов в условиях морского волнения

1. Актуальность проблемы, цели и основные результаты исследований.

На всех стадиях научных исследований, проектирования и практической реализации систем автоматического управления техническими объектами (при моделировании объекта и управляющих органов, исследовании динамических свойств системы расчете закона управления, анализе качества полученного движения) широко применяются современные математические методы и вычислительные алгоритмы. Это позволяет использовать компьютерные технологии, в том числе специализированные программные средства, существенно повышающие эффективность решения практических задач.

С развитием вычислительной техники особое значение приобрели цифровые системы управления [27]. Среди основных достоинств таких систем — большая гибкость и высокая эффективность управляющих программ. Системы цифрового управления принципиально отличаются от предшествующих концепций тем, что можно улучшить или даже полностью изменить их способ функционирования, без перепроектирования и переоснащения, просто заменив управляющую программу. По сравнению с аналоговыми устройствами, цифровые регуляторы обладают большей универсальностью и более просты в настройке и поддержке.

Цифровые системы, базирующиеся на современных математических методах и компьютерных технологиях, широко используются для автоматического управления морскими подвижными объектами (МПО) различных классов. Это связано, прежде всего, с тем, что функционирование МПО определяется существенной многорежимностью, характеризуется обширным комплексом различных условий и ограничений, зачастую требует принятия оперативных решений в условиях быстро меняющейся обстановки, связано с большими потоками информации и ограничениями на время её обработки.

Несмотря на существенный рост производительности вычислительных средств, произошедший с тех пор, как появились первые примеры использования ЭВМ в управлении различными физическими системами, возможности бортовых компьютеров, установленных на МПО, далеко не безграничны. Прежде всего, это связано с тем, что при реализации адаптивных систем автоматического управления, работающих в режиме реального времени, присутствуют существенные ограничения, накладываемые возможностями используемой аппаратуры. Например, крайне желательно, чтобы процесс вычисления управляющего сигнала укладывался в такт счета для дискретной системы. Важными условиями также являются ограниченность используемого вычислительного оборудования по габаритам, весу и потребляемой мощности. Кроме того, при проектировании управляющих устройств часто стремятся упростить и удешевить используемую элементную базу, что сказывается на производительности вычислительных ресурсов и размере доступной памяти.

В связи с отмеченными обстоятельствами, требуется постоянный пересмотр и развитие существующих методов проектирования систем управления, их адаптация для решения конкретных задач, а также разработка новых способов и инструментов, используемых при исследовании, моделировании и синтезе. В особенности это относится к тем вопросам, которые решаются непосредственно на борту при адаптивной перенастройке в режиме реального времени.

Одним из основных теоретических направлений, определяющих современные пути развития цифровых систем управления МПО, является теория аналитического синтеза законов управления динамическими объектами, основанная на оптимизационном подходе. Основы указанной методологии были заложены в работах В. И. Зубова [26 — 30],.

А. А. Красовского [34, 35], Л. С. Понтрягина [51], Н. Винера [22, 71], Р. Калмана [64, 31] и других исследователей.

В публикациях А. П. Жабко и В. Л. Харитонова [65, 66], [63] представлен аналитический аппарат для исследования систем управления с запаздываниями.

Популярным, в силу своей адекватности объективной реальности и относительной простоты используемого математического аппарата, является подход, при котором происходит оптимизация среднеквадратичных функционалов, заданных на движениях систем, которые подвергаются действию стационарных внешних возмущений случайного характера. Описание и развитие методов, относящихся к указанному подходу, дано в работах В. В. Солодовникова [55, 56], В. С. Пугачёва [52, 53], А. А. Красовского [34, 35], А. А. Первозванского [47], Ю. П. Петрова, [48, 49], X. Квакернаака [32].

При синтезе управляющего сигнала для достижения желаемой или оптимальной по каким-либо критериям динамики движения управляемого объекта естественно использовать информацию о состоянии этого объекта. Современные системы управления, как правило, реализуются с помощью адаптивно перенастраиваемых обратных связей. Параметры управляющего алгоритма могут модифицироваться непосредственно в процессе движения, исходя из изменения состояния системы [5], [58], [60], [61].

Прикладным задачам, относящимся к управлению движением судов, уделено внимание в фундаментальных работах В. И. Зубова, Ю. А. Лукомского, В. М. Корчанова, Ю. П. Петрова, А. Е. Пелевина и других специалистов [30], [16], [24], [40−42], [48, 49], [57]. В публикациях Е. И. Веремея и В. М. Корчанова [15−17], [20, 21] предложены подходы к среднеквадратичной оптимизации, направленные на преодоление недостатков существующих методов связанных с затруднениями с их применимостью в условиях вычислительной поддержки средствами малой мощности. Работы [13], [16], [19] представляют метод использования единой структуры законов управления, нацеленных на обеспечение желаемого качества движения в различных режимах относительно разнообразных критериев. Однако остается открытым вопрос о применимости указанных подходов при цифровой реализации систем управления для дискретных моделей объектов, подвергающихся воздействию морского волнения, а также при наличии транспортного запаздывания в канале управления такими объектами.

Указанные обстоятельства определяют актуальность проведения исследований, направленных на создание и развитие специализированных математических методов и разработку программного обеспечения для решения задач, связанных с анализом и синтезом цифровых систем управления морскими судами в реальном времени, а также развитие соответствующей теории для объектов с запаздыванием в канале управления.

Целью диссертационной работы является проведение исследований для развития математических методов решения задач синтеза специализированных цифровых систем управления морскими подвижными объектами в условиях морского волнения, в том числе математических методов среднеквадратичной оптимизации динамических систем с учетом запаздывания в канале управления.

Основное внимание в работе уделяется следующим направлениям исследований:

• изучение особенностей задач построения законов многоцелевого управления морскими подвижными объектами;

• развитие методов настройки элементов законов управления морскими судами с многоцелевой структурой для режимов движения под действием морского волнения, как в регулярном, так и в нерегулярном вариантах;

• исследование вопросов обеспечения астатизма цифровых систем по регулируемым переменным при использовании корректирующего устройства специального вида в многоцелевой структуре законов управления МПО;

• развитие методов среднеквадратичной оптимизации движения МПО в цифровой форме при наличии запаздывания в канале управления;

• рассмотрение практических задач управления морскими подвижными объектами для подтверждения применимости и эффективности разработанных методов.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 71 наименование.

заключение

.

Содержание диссертационной работы составляет рассмотрение комплекса вопросов, связанных с синтезом цифровых законов управления движением судов в условиях морского волнения.

Целью диссертационной работы является проведение исследований для развития математических методов решения задач синтеза специализированных цифровых систем управления морскими подвижными объектами в условиях морского волнения, в том числе математических методов среднеквадратичной оптимизации динамических систем с учетом запаздывания в канале управления.

Основное внимание в работе уделено следующим направлениям исследований:

• изучение особенностей задач построения законов многоцелевого управления морскими подвижными объектами;

• развитие методов настройки элементов многоцелевой структуры законов управления морскими судами для режимов движения под действием морского волнения, как в регулярном, так и в нерегулярном вариантах;

• анализ вопросов обеспечения астатизма цифровых систем по регулируемым переменным при использовании корректирующего устройства специального вида в многоцелевой структуре законов управления МПО;

• развитие методов среднеквадратичной оптимизации движения МПО в цифровой форме при наличии транспортного запаздывания в канале управления;

• рассмотрение практических задач управления морскими подвижными объектами для подтверждения применимости и эффективности разработанных методов.

Основными результатами, которые получены на основе проведенных исследований и выносятся на защиту, являются следующие.

1. Развита общая методология применения многоцелевого подхода к синтезу алгоритмов управления движением морских объектов с математическими моделями дискретного времени. Получены условия сохранения свойств устойчивости и астатизма по регулируемым координатам при последовательном включении элементов цифрового управления с многоцелевой структурой.

2. Предложено использование нерекурсивной цифровой фильтрации морского волнения в канале приводов управляющих органов. Разработаны алгоритмы синтеза оптимального нерекурсивного фильтра для полного подавления влияния гармонического возмущения с заданной частотой и синтеза квазиоптимального нерекурсивного фильтра для подавления влияния нерегулярного морского волнения.

3. Разработан спектральный метод и реализующий его вычислительный алгоритм среднеквадратичной оптимизации для стационарного случайного возмущения при наличии запаздывания в канале управления в непрерывном и дискретном вариантах.

4. Проведен анализ особенностей и возможностей оптимизации и получены соответствующие оптимальные решения для прикладных задач исследования и синтеза систем управления движением морского судна под действием волнения.