WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Ле Тхань Тунг

СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ ДВУХУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ

СКОРОСТНЫХ СУДОВ

Специальность: 05.13.01 – Системный анализ, управление

и обработка информации (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор, засл. деятель науки РФ Лукомский Ю.А

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Имаев Д.Х.

кандидат технических наук Антоненко В.П.

Ведущая организация – Институт проблем транспорта РАН

Защита диссертации состоится «___ »_______2007 года в часов. на заседании диссертационного совета Д 212.238.07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «___»_______2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Яшин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение безопасности движения судов является важнейшей задачей судовождения и остается актуальной в настоящее время. Данная задача обладает особой остротой для скоростных судов вследствие малого запаса устойчивости движения. Важным направлением достижения безопасности является повышение автоматизации. Это предлагает комплексное решение разнородных задач, которые естественным образом решаются в структуре систем управления с использованием нейросетевых технологий. В рамках такой структуры можно построить универсальные регуляторы для скоростных судов различного типа.

Цель работы формирование структуры и алгоритмов системы управления движением скоростных судов, обеспечивающих повышение безопасности и устойчивости движения.

Объектом исследования являются системы управления, обеспечивающие автоматическую стабилизацию кинематических параметров и предотвращение аварийных ситуаций применительно к движению скоростных судов.

Предметом исследования являются структуры и алгоритмы систем управления движением скоростных судов в нормальных эксплуатационных режимах и аварийных ситуациях.

Исследовательские задачи, решаемые в работе, включают:

разработку структуры автоматической системы управления, обеспечивающей повышение безопасности и устойчивости движения скоростных судов;

решение задачи синтеза системы автоматической стабилизации кинематических параметров движения по заданным динамическим характеристикам;

формирование структуры и алгоритмов противоаварийной системы управления на основе многослойной нейронной сети.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовалась комплексная методика исследования, включающая в себя: методы теории автоматического управления, теории нейросетевых технологий, численные методы. При проведении численных расчетов и математического моделирования использовались разработанные программы MATLAB.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:

Предложена двухуровневая структура системы управления движением скоростных судов, обеспечивающей повышенную безопасность и устойчивость движения, особенность которой заключается в наличии на 1-м уровне системы стабилизации кинематических параметров движения (для горизонтального движения – системы стабилизации судна на заданном безопасном маршруте) и системы противоаварийного управления (2-й уровень).

Сформулирована и решена непрямая квадратичная задача, совмещающая в себе достоинства модального синтеза многоканальных систем управления с возможностью достижения оптимального управления движением скоростных судов.

Обоснована структура противоаварийной системы управления, особенность которой заключается в использовании многослойных нейронных сетей для определения области устойчивости движения, а также в качестве ассоциативной памяти при выработке аварийных управляющих воздействий.

Достоверность научных и практических результатов. Достоверность основных результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием методов исследования, базирующихся на теории автоматического управления и нейросетевых технологиях, а также результатами компьютерного моделирования.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что разработанная система управления движением соответствует требованиям Кодекса безопасности судов с динамическими принципами поддержания, благодаря следующим результатам:

- предложенная система управления реализуется на основе существующей элементной базы микропроцессорной техники

- предложенный алгоритм синтеза позволяет не только обеспечить заданные динамические характеристики системы, но и определиться с оптимальностью управления.

- применение нейронных сетей позволяет преодолеть проблему определения многомерной области устойчивости; подход отличается универсальностью благодаря вычислительной возможности нейронных сетей.

- комплекс программ для синтеза локальных систем на основе непрямой квадратичной задачи автоматизирует исследовательское проектирование систем управления движением судов.

Реализация результатов работы. диссертационная работа подготовлена в рамках научно- исследовательской работы по проектам « Исследование, разработка и внедрение бортовых и наземных информационно- управляющих комплексов обеспечения безопасности движения транспортных средств» - 2005 г, « Теоретические основы технологий безопасности движения подвижных объектов» – 2006-2007 гг согласно ведомственной научной программе « Развитие научного потенциала высшей школы»

Результаты диссертационной работы использованы при преподавании студентам 5 курса учебной дисциплины « Системы управления морскими подвижными объектами».

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертации докладывались на научно-технической конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (2006 г), на конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2006,2007 г).

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Структура двухуровневой системы управления движением скоростных судов, состоящая из локальных систем стабилизации (нижний уровень) и систем предотвращения аварий (верхний уровень).

2. Алгоритмическое и программное обеспечения для синтеза многоканальных систем стабилизации кинематических параметров движения на основе решения непрямой линейной квадратичной задачи.

3. Структура и алгоритмы системы противоаварийного управления скоростными судами с использованием многослойных нейронных сетей.

Публикация. По теме диссертации опубликованы 3 научные работы, из них - 1 статья и 2 работы в материалах научно-технических конференций. Работы опубликованы в журналах из перечня ведущих журналов и изданий 2001 - 2003 г.г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, перечня сокращений, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 81 наименование, и 6-ти приложений. Основная часть работы изложена на 85 страницах машинописного текста. Работа содержит 23 рисунков и 14 таблиц.

Основное содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности темы, цели и задачи диссертационной работы, анализ состояния задачи в настоящее время, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Иерархическая система управления движением скоростных судов» рассматривается принцип работы системы управления движением скоростных судов, обосновывается двухуровневая структура. Предлагаются математические модели скоростных судов для проектирования данной системы.

Основным направлением повышения безопасности на море является построение интегрированных систем управления судами. Подобная организация управления предполагает комплексное решение разнородных задач, что приводит к усложнению функций человека-оператора. В тоже время, анализ опыта эксплуатации показывает, что одной из основных причин аварийных ситуаций является ошибочные действия личного состава, к которым относятся недостаточная подготовленность личного состава к правильной эксплуатации судов и технических средств, нерегулярный и недостаточно достоверный контроль состояния технических средств, утомленность личного состава. Быстротечность процессов, ограниченные возможности человека в восприятии поступающей информации и вырабатывании ответных действий, а также стрессовые ситуации еще и углубляют ситуации.

Рассмотрение существующих систем управления СВП и СПК показывает, что на большинстве из них применяется одноуровневая структура, при которой практически все функции управления движением выполняются одним человеком – оператором. Такая структура, повышая оперативность в принятии и отработке решений по управлению движением, повышает психофизиологическую нагрузку и утомляемости оператора – водителя, что влияет на безошибочность управления и, следовательно, на безопасность движения судов. Повышение безопасности движения предлагает уменьшение человеческого фактора и может быть достигнуто путем создания иерархической системы управления (ИСУ).

ИСУ представляет собой такую систему оценки ситуаций и принятия управленческих решений, которая при использовании знаний на базе качественных понятий и структурных отношений между ними обеспечивает процесс управления движением объекта и, в необходимых случаях, за счет обратных связей, осуществляет неоднократный выбор граничных условий и критериальной базы, определяющих текущую цель управления а также реконфигурацию способа регулирования и программы действий, исходя из заданной высшей цели функционирования системы.

Скоростным судам характерна повышенная аварийность. Внештатные ситуации требуют координированного управления различными техническими средствами, что может быть обеспечено только за счет систем автоматического управления. Кроме того, в зависимости от режима движения изменяются локальные цели управления, что приводит к изменению состава управляющих органов. Последовательную цепочку действий, отражающих процесс принятия решений, можно сформулировать следующим образом: изменение внешней среды либо состояния объекта – появление новых ограничений – коррекция критериальной базы или граничных условий – реконфигурация способа регулирования объекта.

В ИСУ условно можно выделить два уровня. На верхнем уровне решаются задачи формирования цели либо критерия качества управления. Нижний уровень – исполнительный, реализующий поставленную цель.

По сути, ИСУ представляет собой надстройку к традиционной схеме управления. На основе информации о состоянии объекта и уровне внешних возмущений, выбирается цель управления, формируемая в виде критерия и терминальных условий. Критерием может являться минимизация тех или иных параметров движения, граничные условия могут включать в себя как ограничения средств управления, так и нахождение в допустимом диапазоне кинематических параметров движения объекта.

После выбора стратегии управления необходимо произвести реконфигурацию регулятора. В процессе перестройки регулятора может измениться количество каналов управления, состав управляющих органов. Осуществить реконфигурацию регулятора можно за счет базы знаний, в которой также должна храниться информация о математических моделях объекта при разных целях и способах регулирования.

Помимо реконфигурации регулятора необходимо произвести его расчет. Для этого требуется изменить математическую модель объекта согласно базе знаний, и произвести настройку коэффициентов регулятора. Для каждого регулятора должны быть разработаны управляющие алгоритмы.

Система управления движением скоростного судна строится в соответствии с принципами функционирования ИСУ, что означает наличие верхнего уровня, реализуемого в виде системы принятия решений, и нижнего исполнительного уровня – совокупности локальных систем управления (ЛСУ). Информация о состоянии объекта и уровне внешних возмущений поступает с системы сбора и обработки информации. Система визуализации движения судна обеспечивает удобное представление информации оператору. Подводя итог вышесказанному, можно предложить ИСУ движением скоростного судна, структура которой представлена на рис.1. Количество локальных систем определяется режимами движения объекта управления

Многим из скоростных судов характерна структурная неустойчивость (имеются собственные числа системной матрицы объекта с положительным знаком, к ним относятся СПК с глубокопогруженными крыльями) или слабо-демпферная колебательность СВП, функционирование таких судов невозможно без локальной системы автоматической стабилизации даже в нормальных эксплуатационных условиях.

Аварийные ситуации часто происходят, когда параметры движения выходят за предел некоторой области. В данной работе, в качестве системы принятия решений рассматривается противоаварийная система, которая непрерывно осуществляет контроль над параметрами движения системы и обеспечивает управление в аварийных ситуациях. Локальные системы – системы стабилизации параметров движения. Естественно, безопасность движения судов возможна лишь при координированной работе системы стабилизации и противоаварийной системы.

Объект нашего исследования- судна на воздушной подушке и судна на подводных крыльях. При проектировании систем управления их движением используется унифицированная модель вида

или

;

где переменные состояния обозначены в соответствии с таб.1 - постоянные коэффициенты; - переменные коэффициенты; - управляющие воздействия (углы перекладки рулей, разворота закрылков крыла, изменение силы плавучести); - возмущающие момент и сила, которые создает на корпусе ветро-волновой процесс.

Таблица 1. Обозначение кинематических параметров движения.

Переменные состояния

Кинематические параметры

горизонтальной плоскости

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»