Тема: Оптимальное распределение управлений по приводам в системе динамического позиционирования

В связи с увеличением добычи полезных ископаемых в открытом море, традиционное использование якорного устройства стало трудно применимо к глубоководной технике. Решением данной проблемы стала разработка систем динамического позиционирования для морских судов.
Суть систем динамического позиционирования (ДП) — автоматическое удержание положения и курса судна, находящегося под влиянием внешней среды, в фиксированном значении или точно по заданному маршруту с помощью судовых двигателей. Как правило, распределение управляющих воздействий по приводам в данных видах систем производится таким образом, чтобы минимизировать суммарную потребляемую энергию, подаваемую на приводы, при соответствующих технических возможностях, выражаемых ограничениями.
Для синтеза управления в данных системах могут использоваться различные подходы. Одним из самых популярных на сегодняшний день методов является построение управления с использованием прогнозирующих моделей (Model Predictive Control, MPC), которое может решать многопараметрические задачи управления с различными типами ограничений и получать предсказанное поведение объекта в режиме реального времени, исходя из текущего состояния системы. Поэтому MPC находится под пристальным вниманием исследователей и в настоящее время широко применяется в авиации, судоходстве, робототехнике и других областях.
Как правило, задача синтеза управления разделяется на 2 этапа: закон управления и распределение управляющего воздействия по приводам подруливающих устройств. Первый этап определяет величину сил и моментов управляющего воздействия, желаемой полной тяги. Второй представляет собой алгоритм формирования управляющих сил и моментов, приложенных к каждому отдельному подруливающему устройству и обеспечивающих в сумме заданный вектор управляющего воздействия.
Исходя из того, что в синтезе управления с прогнозом, так же как и в распределении управляющего воздействия, используется минимизация квадратичного функционала, то возникает идея объединения этих функционалов в один. Этому вопросу и посвящена данная работа.
Тема данной магистерской диссертации связана с построением системы динамического позиционирования, основанной на управлении с прогнозирующими моделями, а точнее со вторым этапом синтеза управления — распределением управляющих воздействий по приводам. В центре внимания находится возможность сокращения вычислительных затрат с помощью объединения двух оптимизационных задач в одну.
Основной целью данной работы является построение алгоритма распределения управления на основе прогнозирующих моделей в системе динамического позиционирования с возможностью его практического применения в режиме реального времени. Существенной целью является построение в среде MATLAB–Simulink имитационного моделирующего комплекса для проведения исследований полученного алгоритма.
В первой главе кратко приведены основные теоретические положения, касающиеся задачи распределения управления по приводам в общем случае, построен закон управления на основе алгоритма MPC для системы динамического позиционирования морского судна с неизвестными, мало изменяющимися во времени возмущениями. С помощью объединения функционалов строится алгоритм распределения управляющих воздействий на основе прогнозирующих моделей, а также предлагается схема его реализации в режиме реального времени. Представляются методы решения поставленной оптимизационной задачи, в том числе с помощью прикладных пакетов. Для оценки неизмеряемого вектора скоростей и неизвестных параметров внешних возмущений строится асимптотический наблюдатель.
Во второй главе рассматриваются общие вопросы построения компьютерной модели судна, оснащенной системой динамического позиционирования. Компьютерное моделирование системы, а также имитационное моделирование рассматриваемых процессов осуществляются в интегрированной среде MATLAB–Simulink. Приведена полная Simulink–схема системы и даны описания блоков, моделирующих общую динамику судна, асимптотический наблюдатель, внешние возмущения, а также систему распределения управляющих воздействий на основе MPC, которая включает в себя функции стандартного программного обеспечения для численной оптимизации Optimization Toolbox MATLAB. Представлены результаты испытаний построенной системы динамического позиционирования в рамках компьютерного и имитационного моделирования.
В заключении подводятся итоги исследования, проведенного в ходе выполнения данной работы, а также формируются окончательные выводы.
В приложении представлен программный код, несущий основную функциональную нагрузку в рамках компьютерной модели, разработанной во второй главе.

Купить

В ходе проделанной работы получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:
1. Представлен критерий формирования управляющего воздействия на основе алгоритма MPC.
2. Сформирован алгоритм распределения управляющих воздействий на основе прогнозирующих моделей по приводам подруливающих устройств.
3. Исследована эффективность работы полученного алгоритма распределения на конкретном объекте с учетом действия на систему морского волнения.
4. Разработан имитационный моделирующий комплекс в среде MATLAB–Simulink, предоставляющий возможность проведения испытаний системы ДП и последующего анализа полученных результатов при различных начальных условиях.

Купить