СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА Российский патент 2003 года по МПК G06G7/70 

Изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна по заданному направлений с использованием электронной модели движения судна.

Известны способы определения параметров математической модели исследуемого процесса, так например, в авторском свидетельстве СССР 166541 предложен способ определения постоянной времени инерционного звена, основанный на измерении входных и выходных сигналов, формировании по ним невязки. Далее эту невязку интегрируют и на выходе интегратора вырабатывается сигнал, пропорциональный искомому коэффициенту математической модели (постоянной времени исследуемого инерционного звена).

Известен также способ экспериментального определения влияния вариации коэффициентов математической модели объекта на его динамику (авт.св. СССР 205913). Выходной сигнал с исследуемого объекта запоминают (задерживают), формируют невязку, а затем пропускают через электронную модель исследуемого объекта, в которой варьируют величину коэффициента математической модели объекта. В обоих способах можно определять только один коэффициент (постоянную времени инерционного звена первого порядка).

Недостатками этих способов являются
- определение только одного параметра по одному выходу,
- трудность (неясно, возможно ли?) определения нескольких коэффициентов математической модели исследуемого объекта,
- применение одномерного критерия оценки.

Известен также "Способ экспериментального определения параметров математической модели движения судна". Последний принят нами в качестве прототипа (патент России 2151713 заявка на изобретение 99123651/09).

В рассматриваемом способе благодаря использованию информации о состоянии судна от приемника спутниковой навигационной системы удается идентифицировать все коэффициенты полной математической модели движения судна. С этой целью используются сигналы измеренного путевого угла и величины бокового сноса судна относительно заданной траектории движения. Из последнего сигнала вырабатывается необходимая для идентификации боковая скорость суда (угол дрейфа). Однако полученное значение текущего угла дрейфа оказывается грубым, что приводит к существенному снижению точности идентификации коэффициентов математической модели движения судна.

Целью предложенного способа является исключение отмеченных выше недостатков при экспериментальном определении нескольких коэффициентов математической модели движения судна.

Рассматриваемый способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна основан на использовании электронной модели движения судна, измерении фазовых координат судна и их запоминания в "i" момент времени, восстановлении оценок фазовых координат состояния судна, формировании критерия и его минимизации путем вариации величины подстраиваемого коэффициента математической модели движения судна.

Поставленная цель реализуется благодаря использования следующих фазовых координат:
- угловая скорость судна (ω);
- угол перекладки руля (δ);
- путевой угол (ПУ), который измеряют с помощью приемника спутниковой навигационной системы. Запомненный в "i" момент времени сигнал угла перекладки руля подают на вход электронной модели движения судна, на выходе которой вырабатываются восстановленные сигналы (оценки) угловой скорости судна и угла дрейфа, которые сравнивают с измеренными в "i" момент времени. По полученным невязкам формируют критерий, например, вида суммы модулей двух невязок угловой скорости и угла дрейфа Далее проводят минимизацию критерия, варьируя величину подстраиваемого коэффициента математической модели движения судна Kj=K1. Полученное значение подстроенного коэффициента К1 математической модели движения судна фиксируют в электронной модели движения судна и переходят к подстройке следующего коэффициента математической модели движения судна Кj=К2. Аналогично последовательно определяют остальные коэффициенты математической модели движения судна.

Отличие предложенного способа от прототипа в том, что для повышения точности вычисления угла дрейфа, последний восстанавливают не используя величину бокового отклонения, а восстанавливают по текущему путевому углу и восстановленному иглу курса β=ПУ-ϕ.

Величину угла курса (ϕ) уточняют при нахождении руля в диаметральной плоскости (при угле перекладки руля, равной нулю, или вблизи него), когда компонента угла дрейфа от управляющего воздействия - угла перекладки руля - будет также равна нулю, а следовательно, угол курса в этом случае должен быть равен путевому углу ϕ₁ = ПУ (в установившемся режиме при |σ|<σ_min).

Текущий угол курса (ϕ) вырабатывается путем интегрирования сигнала угловой скорости судна (ω) по времени, который суммируется с уточненным значением курса (ϕ₁), ϕ = ∫ωdt+ϕ₁.
Второе отличие предложенного способа в том, что процесс идентификации коэффициентов математической модели производится только при существенном отклонении руля, когда четко проявляются взаимные связи в математической модели движения судна, т.е. в предложенном способе запоминание "i" момента времени производят только при угле отклонения руля |σ|>σ_min
Третья особенность в том, что уточненное значение угла курса (1) получают путем пропускания сигнала текущего значения путевого угла (ПУ) через инерционный фильтр

при |σ|<σ_min.
Таким образом, в предложенном способе
- уточняются последовательно все коэффициенты полной, а неупрощенной математической модели движения судна только при эффективных значениях положения управляющего органа (отклонение руля |σ|>σ_min),
- восстанавливается уточненное значение угла дрейфа по текущему путевому углу и восстановленному углу курса,
- при малых перекладках руля (|σ|<σ_min) производят коррекцию угла курса с использованием измеряемого приемником СНС путевого угла,
- практически непрерывно в процессе рейса уточняются необходимые для идентификации измерения, а следовательно, уточняется и математическая модель движения судна. Это необходимо делать т.к. динамика судна в процессе плавания существенно меняется т.к. зависит от многих факторов (угла дифферента, скорости хода, глубины под килем, угла крена, загрузки, тяги гребных винтов, состояния погоды и др.) т.е. коэффициенты Kj математической модели движения судна являются функцией более семи параметров, измерение которых в большинстве случаев затруднено.

Рассмотрим последовательность выполнения предварительных операций для вычисления угла дрейфа и операций идентификации коэффициентов математической модели движения судна.

1. До идентификации производится восстановление угла курса для формирования угла дрейфа. При нахождении руля вблизи нулевого положения |σ|<σ_min корректируют сигнал угла курса путем пропускания текущего сигнала путевого угла через инерционное звено, на выходе которого вырабатывается корректированный сигнал курса (ϕ₁), который близок по величине текущему путевому углу (ПУ).

2. При больших перекладках руля (|σ|<σ_min) формируют текущий угол курса (ϕ), путей интегрирования угловой скорости судна по времени (существенно отметить, что на выходе интегратора до этого момента времени какой-либо сигнал отсутствовал) и суммирования его с корректированным значением угла курса ϕ = ∫ωdt+ϕ₁.
3. Угол дрейфа формируют путем вычитания из путевого угла текущего угла курса β=ПУ-ϕ.

Далее переходим к режиму собственно идентификации коэффициентов математической модели углового движения судна.

4. Выбор "i" момента времени производят, когда руль отклонен на величину более σ_min. При этом информация о положении руля и фазовом состоянии судна (σ_i,ω_i,β_i) запоминается в блоке памяти.

5. Сигнал σ_i подают на вход электронной модели движения судна. На выходе электронной модели восстанавливают фазовые координаты состояния судна
6. По измеренным в "i" момент времени фазовым координатам, введенным в блок памяти и восстановленным на электронной модели, формируют невязки (c ранее принятыми коэффициентами математической модели движения судна - К(j)0).

7. Формируют критерий в виде суммы полученных невязок, запоминают его во втором блоке памяти: I(0) = K•Δω+K1•Δβ.
8. Изменяют величину исследуемого коэффициента(K(j)1=K(j)0+σ математической модели движения и вводят его в электронную модель движения судна.

9. Формируют новые значения невязок; а по ним вычисляют новое значение критерия; I(1) = K•Δω₁+K1•Δβ₁.
10. Вычисляют величину приращения критерия ΔI(1)=I(0)-I(1). Если величина приращения критерия положительная ΔI(1)>0, то новое значение критерия I(1) вводят во второй блок памяти и запоминают вместо I(0). Если величина приращения критерия стала отрицательной ΔI(1)<0, то переходят к выполнению оперений по пункту N 12 и далее.

11. Величину подстраиваемого коэффициента К1 увеличивают на σ. Новое значение коэффициента K(j)=К(j)2=K(j)1+σ вводят в электронную модель движения судна.

Рассмотренный выше цикл по пунктам 6-11 повторяют до тех пор, пока вычисленное приращение критерия станет ΔI(n) <0, т.е. значение критерия начнет увеличиваться, после этого K(j)n уменьшают на "σ" и это уточненное значение K(j)(n-1) вводится в электронную модель в качестве уточненного значения К(J)=K1.

Аналогично производится подстройка следующего коэффициента математической модели движения судна К(J+1)=К2 и далее К3,...,К6.

На этом цикл идентификации коэффициентов закончен.

12. Величину подстраиваемого коэффициента К(j) уменьшают на величину "2σ". Значение этого подстраиваемого коэффициента будет K(j)2=K(j)1-2σ.

13. Вычислим величину приращения критерия ΔI(2)=I(0)-I(2), если он больше нуля ΔI(2)>0, то вводят во второй блок памяти величину критерия I(2) вместо I(0) и переходят к операции по п. 14.

Если приращение критерия ΔI(2)<0 или равно нулю, то вводят в электронную модель движения судна коэффициент К(j)=K(j)0. Затем переходят к подстройке следующего коэффициента К(j+1)=К2........

14. Уменьшают K(j)2 еще на σ (К(j)3=К(j)2-σ). Уменьшение коэффициента K(j). . K(j)n производят до момента, когда новое значение критерия окажется более предыдущего (ΔI(n))<0). После чего предыдущее значение коэффициента математической модели движения судна K(j)(n-1) фиксируют, вводят в электронную модель движения судна и переходят к подстройке следующего коэффициента математической модели движения судна К(j+1) аналогично рассмотренному выше.

Для иллюстрации работы предложенного способа на чертеже приведена блок-схема устройства идентификации параметров математической модели движения судна, содержащая
блок измерения 1, блок памяти 2, электронную модель движения судна 3, блок управления 4, блок формирования невязок 5, блок формирования критерия 6, датчик угла прокладки руля 7, блок формирования угла дрейфа 8, реле 9, интегратор 10, суммирующий усилитель 11, интегирующий усилитель 12, датчик угловой скорости 13, сумматор 14, два блока выделения модуля с предварительным суммированием 15, 16.

В блок-схеме
- связи между блоками обозначены сплошными линиями,
- командные сигналы от блока управления 4 к отдельным блокам обозначены
. ------ . ------ .------. пунктир одна точка, пунктир.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства (см. чертеж).

В процессе рейса судна (до начала режима идентификации) осуществляется процесс вычисления угла дрейфа и всех связанных с этим преобразований. С блока измерения 1 сигналы угла перекладки руля - σ, угловой скорости судна - ω и путевого угла-"ПУ" поступают на вход блока формирования угла дрейфа 8. При нахождении руля вблизи нулевого положения реле 9 обесточено и при этих условиях осуществляется коррекция курсового угла. Корректированное значение курсового угла (ϕ₁) формируется на интеграторе 10, на вход которого через нормально замкнутые контактные группы реле поступает сигнал "ПУ". Интегратор 10 охвачен отрицательной обратной связью, таким образом формируется инерционное звено первого порядка. На выходе инерционного звена (при t-->00) ϕ₁ = ПУ. Сигнал корректированного курсового угла (ϕ₁) поступает на вход сумматора 11, на второй вход которого поступает компонента приращения курсового угла от интегрирования угловой скорости судна по времени, последний сигнал при малых углах перекладки равен нулю (близок к нулю). Таким образом на выходе сумматора 11 сигнал равен сумме двух сигналов: корректированного значения курсового угла и компоненты курсового угла.

Формирование курсового угла (ϕ) производится при существенных перекладках руля (σ>σ_min) при этом реле 9 срабатывает, размыкаются нормально замкнутые контактные группы, в свою очередь замыкаются нормально разомкнутые контактные группы реле, и вход интегратора 10 обесточивается (отключается сигнал "ПУ" и сигнал отрицательной обратной связи) т.е. интенгратор 10 превращается в блок памяти, на выходе которого будет вырабатываться постоянное значение корректированного угла курса. Текущая компонента приращения курсового угла на выходе интегрирующего усилителя 12 начнет изменяться, если угловая скорость судна не равна нулю. Таким образом на выходе сумматора 11 будет вырабатываться текущее значение курсового угла
ϕ = ϕ₁+∫ωdt
при |σ|>σ_min.
Этот сигнал курсового угла поступает на вход суммирующего усилителя 14, на второй вход которого поступает сигнал путевого угла, после алгебраического суммирования на выходе суммирующего усилителя вырабатывается угол дрейфа
β=ПУ-ϕ
Таким образом на выходе блока формирования угла дрейфа 8 вырабатывается текущее значение угла дрейфа.

При поступлении сигнала начала идентификации из блока 4: "i" момент времени и при выполнении условия |σ|>σ_min в блоке памяти 2 производится запоминание трех сигналов: σ_i,ω_i,β_i.
После этого начинается собственно процесс идентификации коэффициентов математической модели движения судна.

Сигнал угла перекладки руля в "i" момент времени поступает на вход электронной модели движения судна 3, на выходе которой вырабатываются оценки фазового состояния судна в "i" момент времени
В блок невязок 5 поступают сигналы измеренной угловой скорости в "i" момент времени (ω_i) и угла дрейфа (β_i), вычисленного для "i" момента времени. Оба сигнала поступают из блока памяти 2. В блок 5 поступают также оценки угловой скорости судна и угла дрейфа которые вырабатываются электронной моделью 3 движения судна (существенно заметить, что коэффициенты математической модели движения судна были не изменены и соответствовали ранее установленным до начала подстройки коэффициентов). На выходе блока 5 формируются невязки вида


Сигналы невязок Δω,Δβ поступают в блок оптимизации 6, где формируется критерий из суммы невязок I(0) = K1•Δω+K2•Δβ, по команде из блока 4 варьируется в электронной модели движения судна 3 величина подстраиваемого коэффициента Kj математической модели движения судна таким образом, чтоб получить минимальное значение критерия, после чего по команде из блока 4 полученное новое значение коэффициента Kj фиксируется в электронной модели движения и из блока 4 поступает команда на подстройку следующего коэффициента математической модели K(j+1), аналогично описанному выше.

В блок 1 входят серийно выпускаемые
- датчик 13 угловой скорости судна с чувствительностью не хуже 0.5•10-3 град/с,
- приемник спутниковой навигационной системы типа "Волонтер",
- датчик угла перекладки руля с точностью не ниже 0.5 град.

Реализация блока 2 возможна как на аналоговой, так и на цифровой элементной базе, в случае аналоговой элементной базы - это три операционных усилителя типа 140 УД-8.

Реализация блока 3 может выть выполнена как на аналоговой, так и на цифровой вычислительной технике, на которых реализуются два дифференциальных уравнения


где σ_i - сигнал угла перекладки руля поступает из блока 2.

выходные сигналы блока 3 (оценки угловой скорости судна и угла дрейфа для "i" момента времени.

Реализация блока 4 может быть выполнена на типовых счетно-решающих и логических элементах.

Реализация блока 5 - это два операционных усилителя серии 140 УД6 и два типовых блока выделения модуля.

Реализация блока 6 может быть как на микроконтроллере, так и в виде серийно выпускаемых оптимизаторов, с возможностью подстройки нескольких коэффициентов.

Рассмотренный выше способ необходим для решения задач автоматизации судовождения, т. к. определение точных значений параметров математической модели движения судна необходимо для решения задач оптимального (близкого к оптимальному) оценивания информации о фазовом состоянии судна, используемой для
- адаптивного управления движением судна,
- минимизации загрузки рулевого привода при развитом морском волнении,
- сокращении времени рейса благодаря сокращению пройденного пути и сопротивления движение судна,
- построения высококачественных законов управления движением неустойчивых на курсе судов и др.

Предложенный способ стало возможным использовать благодаря совершенствованию и внедрению на судах спутниковых навигационных систем (СНС), т.е. появилась возможность перейти к полной наблюдаемости информации о состоянии судна, измеряя (с достаточной точностью)
- угловую скорость судна относительно вертикальной оси судна,
- угол дрейфа, который в СНС непосредственно не измеряется, но используя предлагаемый способ удается получить угол дрейфа с требуемой для идентификации точностью.

Моделировано на ЦВМ идентификации параметров математической модели движения танкера водоизмещением 10 000 тонн типа "Жданов" с использованием предложенного способа подтвердило сходимость и возможность получения требуемой точности.

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано при управлении движением судна. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Способ основан на использовании сигнала путевого угла и восстановлении текущего значения угла курса для вычисления угла дрейфа с последующим использования итерационного метода определения коэффициентов математической модели движения судна. 1 ил.

Способ определения коэффициентов математической модели движения судна, заключающийся в том, что при малых отклонениях руля измеряют угловую скорость судна и начинают интегрировать ее по времени, измеряют путевой угол, запоминают и для получения значения угла курса суммируют оба сигнала, при угле перекладки руля больше заданной величины измеряют фазовые координаты состояния судна, в качестве которых используют угол перекладки руля, угловую скорость судна, путевой угол и угол дрейфа, который формируют в виде алгебраической суммы путевого угла и угла курса, запоминают их в i момент времени, подают на вход электронной модели движения судна, формируют разность измеренной угловой скорости судна с полученным на выходе электронной модели сигналом угловой скорости судна, формируют разность вычисленного сигнала угла дрейфа и сигнала угла дрейфа, полученного на выходе электронной модели движения судна, формируют модули этих разностей и минимизируют их путем изменения первого коэффициента математической модели движения судна в электронной модели движения судна, после минимизации модулей разностей измененное значение первого коэффициента математической модели движения судна фиксируют в электронной модели движения судна, сформированные модули разностей вновь минимизируют, путем изменения второго коэффициента математической модели движения судна, после минимизации модулей разностей измененное значение второго коэффициента математической модели движения судна фиксируют в электронной модели движения судна и повторяют процесс уточнения третьего, четвертого, . . . , последнего коэффициента математической модели движения судна.