Блінцов Сергій Володимирович. Автоматичне керування рухом самохідних підводних апаратів в умовах невизначеності

brief description

Блінцов Сергій Володимирович. Автоматичне керування рухом самохідних підводних апаратів в умовах невизначеності : Дис... канд. техн. наук: 05.13.03 / Національний ун-т кораблебудування ім. адмірала Макарова. — Миколаїв, 2005. — 193арк. : рис., табл. — Бібліогр.: арк. 154-165

Блінцов С.В. Автоматичне керування рухом самохідних підводних апаратів в умовах невизначеності. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 Системи і процеси керування. Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2005.
Дисертація присвячена удосконаленню систем автоматичного керування рухом самохідних підводних апаратів в умовах невизначеності їх параметрів та характеристик зовнішнього середовища шляхом застосування нечітких і нейромережних регуляторів та регуляторів на базі інверсних моделей об’єкту керування. У роботі створено пряму й інверсну математичні моделі та пряму й інверсну нейромережні моделі керованого руху самохідного підводного апарата як нелінійного об’єкта керування в умовах невизначеності його конструктивних параметрів та параметрів зовнішніх збурень, розроблено закони керування та синтезовано системи автоматичного керування плоским та просторовим рухом апарата на основі нейромережних та нечітких регуляторів, та регуляторів, що використовують прямі й інверсні математичні і нейромережні моделі.

У дисертаційній роботі розв’язано актуальне наукове завдання удосконалення систем автоматичного керування самохідними підводними апаратами в умовах невизначеності їх параметрів та характеристик зовнішнього середовища шляхом застосування нечітких і нейромережних регуляторів та регуляторів на базі інверсних моделей об’єкту керування, що складає теоретичне підґрунтя для створення високопродуктивних підводних апаратів. При цьому отримано наступні результати.
1. Проаналізовано існуючі підходи до створення систем керування самохідними підводними апаратами і показано, що рівень автоматизації процесу керування рухом підводних апаратів є надзвичайно низьким, що призводить до великих фізичних і психологічних навантажень на членів екіпажів і, як наслідок, до зниження продуктивності підводних робіт та помилок у керуванні. Застосування традиційних ПІД-регуляторів є неефективним з-за суттєвих нелінійностей самохідних підводних апаратів як об’єктів керування та невизначеності їх власних конструктивних параметрів і зовнішніх збурень.
2. Створено математичну модель руху самохідного підводного апарата як нелінійного об’єкта керування, яка враховує нелінійність вертикального рушія у реверсному режимі роботи і дає змогу досліджувати ефективність створюваних регуляторів. На її основі створено інверсну математичну модель як елемент системи автоматичного керування рухом самохідного підводного апарата, в якій застосовуються апроксиматори для отримання зворотних залежностей кривих дії гребного гвинта, що дає змогу синтезувати високоефективні системи автоматичного керування в усьому діапазоні зміни кутової швидкості гребного гвинта. Створена інверсна математична модель представляє собою новий науковий результат.
3. Розроблено пряму й інверсну нейромережні моделі керованого руху самохідного підводного апарата в умовах невизначеності його конструктивних параметрів та параметрів зовнішніх збурень, що дає змогу виконувати синтез систем керування, інваріантних до параметричних і зовнішніх збурень. Створені пряма та інверсна нейромережні моделі представляють собою новий науковий результат.
4. На основі порівняльного аналізу обґрунтовано ефективність застосування нечіткого регулятора на базі алгоритму Мамдані з симетричними трикутними функціями приналежності для нечіткої системи керування підводним апаратом. Для вказаного регулятора отримано аналітичні залежності масштабних коефіцієнтів від маси та гідродинамічного опору самохідного підводного апарата, що дає змогу створювати ефективні нечіткі системи керування рухом підводних апаратів в умовах невизначеності вказаних параметрів. Отримані аналітичні залежності представляють собою новий науковий результат.
5. Удосконалено закон керування ступінчатим вертикальним рухом самохідного підводного апарата з максимальною швидкодією, який передбачає послідовне прикладення максимальних додатного й від’ємного упорів рушія для розгону та гальмування підводного апарата, а також розроблено відповідну структуру системи автоматичного керування, яка використовує апроксиматори для визначення гальмівних характеристик і обчислення залежності керуючого сигналу від початкової швидкості гальмування для ефективного керування в умовах невизначеності параметрів підводного апарата. Розроблений метод обчислення гальмівних характеристик і залежності керуючого сигналу від початкової швидкості представляє собою новий науковий результат.
6. Розроблено закон керування ступінчатою зміною швидкості руху самохідного підводного апарата, який використовує експоненціальну добавку до керуючого сигналу, а також розроблено відповідну структуру системи автоматичного керування з обчислювачем цієї добавки та апроксиматором для визначення керуючого сигналу в залежності від заданої усталеної швидкості, що дає змогу будувати структурно спрощені розімкнені системи автоматичного керування з підвищеною швидкодією для підводних апаратів одноразового застосування в умовах невизначеності їх параметрів.
7. Дістала подальший розвиток теорія синтезу систем автоматичного керування рухом самохідних підводних апаратів шляхом застосування прямої та інверсної математичних моделей для обчислення та компенсації збурюючих сил, що забезпечує ефективну роботу систем керування в умовах невизначеності зовнішніх і параметричних збурень.
8. Дістала подальший розвиток теорія синтезу систем автоматичного керування рухом самохідних підводних апаратів шляхом побудови й застосування прямої та інверсної нейромережних моделей об’єкту керування, що дає змогу будувати високоточні системи керування підводними апаратами в умовах невизначеності зовнішніх і параметричних збурень, а також невизначеності власних конструктивних параметрів апаратів.
9. Для перевірки досягнення загальної мети дисертаційної роботи методом математичного моделювання проведена кількісна оцінка ефективності функціонування запропонованих законів керування та регуляторів на їх основі. Встановлено, що інтеграл абсолютного значення похибки керування при ступінчатому вхідному сигналі для всіх вказаних регуляторів однаковий і на 9 % менше у порівнянні з ПД-регулятором, час перехідного процесу менше на 43 %, а похибка в усталеному режимі практично відсутня.
Максимальна розрахункова похибка при синусоїдальному керуючому сигналі для нечіткого регулятора Мамдані складає 0,2 м по висоті, для ШНМ-регулятора швидкості 0,08 м/с по швидкості та 0,5 м по висоті; для регулятора з інверсною математичною або ШНМ-моделлю без збурень середовища похибки по швидкості і висоті практично відсутні; для регулятора з інверсною математичною або ШНМ-моделлю при наявності морського хвилювання силою до 3-х балів за шкалою Бофорта розрахункова похибка стабілізації по висоті складає 0,028...0,305 м у залежності від періоду хвилювання; для регулятора з інверсною ШНМ-моделлю з зашумленими даними максимальна розрахункова похибка по швидкості складає 0,013 м/с.
10. Теоретичні результати, отримані в дисертаційній роботі, використовуються в Академії наук суднобудування України та в НДЦ ЗС України „Державний океанаріум” при модернізації систем керування існуючих СПА, а також в НУК імені адмірала Макарова при підготовці фахівців за спеціальністю 8.092201.03 Електрообладнання і автоматика підводно-технічних систем і комплексів.