Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМИ БУКСИРОВЩИКАМИ
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К СИНТЕЗУ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ
АППАРАТОВ 11
1.1 Анализ математических моделей движения НПА 11
1.2 Обзор существующих методов синтеза систем управления
необитаемыми подводными аппаратами 13
1.2.1 Обзор существующих линейных СУ движением НПА 13
1.2.2 Обзор существующих адаптивных СУ движением НПА 14
1.2.3 Обзор существующих робастных СУ движением НПА 15
1.2.4 СУ НПА, синтезированные с использованием принципа
виртуальной траектории 16
1.3 Постановка задачи 17
2 ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ НПА С ПЕРЕМЕННЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ 18
2.1 Математическая модель пространственного движения НПА 18
2.2 Синтез СУ движением НПА в горизонтальной плоскости на основе
принципа виртуальной траектории 21
2.3 Исследование движения НПА в горизонтальной плоскости при
изменении его параметров 26
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА АДАПТИВНОЙ СУ НПА,
УЧИТЫВАЮЩЕЙ ИЗМЕНЕНИЕ ЕГО ПАРАМЕТРОВ 39
3.1 Синтез адаптивного регулятора, учитывающего изменение динамических характеристик НПА 39
3.2 Исследование работы адаптивной СУ НПА при изменении параметров
аппарата 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 57
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К СИНТЕЗУ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ
АППАРАТОВ 11
1.1 Анализ математических моделей движения НПА 11
1.2 Обзор существующих методов синтеза систем управления
необитаемыми подводными аппаратами 13
1.2.1 Обзор существующих линейных СУ движением НПА 13
1.2.2 Обзор существующих адаптивных СУ движением НПА 14
1.2.3 Обзор существующих робастных СУ движением НПА 15
1.2.4 СУ НПА, синтезированные с использованием принципа
виртуальной траектории 16
1.3 Постановка задачи 17
2 ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ НПА С ПЕРЕМЕННЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ 18
2.1 Математическая модель пространственного движения НПА 18
2.2 Синтез СУ движением НПА в горизонтальной плоскости на основе
принципа виртуальной траектории 21
2.3 Исследование движения НПА в горизонтальной плоскости при
изменении его параметров 26
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА АДАПТИВНОЙ СУ НПА,
УЧИТЫВАЮЩЕЙ ИЗМЕНЕНИЕ ЕГО ПАРАМЕТРОВ 39
3.1 Синтез адаптивного регулятора, учитывающего изменение динамических характеристик НПА 39
3.2 Исследование работы адаптивной СУ НПА при изменении параметров
аппарата 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 57
В настоящее время для работы в мировом океане широко используются необитаемые подводные аппараты (НПА). Они могут использоваться в научных целях для картографирования рельефа донной поверхности, для получения гидрографических измерений и экологических исследований, для археологических исследований [1], а также разведки и исследования запасов углеводородов в шельфовых зонах [2]. С помощью НПА может выполняться целый класс задач, связанный с осмотром и обслуживанием подводной добывающей инфраструктуры: подводных добывающих комплексов, трубопроводов, кабельных линий и других гидросооружений [3]. На сегодняшний день уровень технологии разработки нефтяных шельфовых месторождений достиг уровня, когда участие водолаза не требуется, а все монтажные и осмотровые работы выполняются с помощью телеуправляемых НПА [4]. Также, НПА используются в рыбохозяйственной отрасли и в развлекательных целях.
Среди НПА можно выделить класс автономных НПА, которые сегодня выполняют простейшие осмотровые операции. Как правило, эти аппараты перемещаются по простейшим пространственным траекториям, однако для осмотровых задач, связанных с работой вблизи объектов подводной инфраструктуры [5], от НПА требуется двигаться вдоль сложных пространственных траекторий с высокой точностью во избежание столкновения с подводными конструкциями.
Также, в настоящее время существуют системы управления (СУ) движением НПА, позволяющие им перемещаться как по простейшим пространственным траекториям, так и по сложным криволинейным траекториям [6]. Эти СУ были спроектированы для задач, в которых параметры НПА по умолчанию остаются неизменны в процессе всего движения. Однако уже сейчас возникают задачи управления НПА, параметры которых меняются в процессе движения, что может быть следствием размещения груза.
Задача движения аппарата с грузом заключается в его доставке груза из начальной точки к заданной. В ситуациях, когда груз должен быть транспортирован вблизи объектов подводной инфраструктуры, необходимыми являются требования к точности движения вдоль заданных сложных пространственных траекторий в процессе всего движения.
Предварительный анализ показал, что эти задачи могут быть решены существующими методами только в тех случаях, в которых влиянием груза на динамику аппарата с грузом можно пренебречь либо в случаях, где с изменением динамических свойств аппарата справляются робастные системы в случае их использования. Другими словами, груз должен быть незначителен по сравнению с несущим его аппаратом, как и изменения параметров аппарата вследствие присоединения груза должны быть незначительны. Этими параметрами являются масса НПА, его форма, его плавучесть и посадка.
Добавление груза к аппарату увеличивает инерцию всей системы. Помимо сил инерции на аппарат с грузом действуют другие силы, влияние которых на движение имеет смысл рассматривать вместе с основными способами расположения грузов относительно аппарата. Груз может располагаться внутри самого аппарата. В этом случае габариты аппарата с грузом не меняются, то есть не меняется объем погруженного в жидкость тела. НПА проектируются таким образом, чтобы обеспечивалась их остойчивость и нейтральная (или незначительно положительная) плавучесть. Остойчивость обеспечивается несовпадением центра водоизмещения и центра масс аппарата, что приводит к существованию положения устойчивого равновесия НПА в водной среде. Добавление груза внутрь аппарата увеличивает массу всей системы без изменения погруженного в жидкость объема, что неминуемо приводит к уменьшению плавучести. Помимо этого, неизбежное смещение центра масс изменит остойчивость. В совокупности все эти факторы могут изменить динамику аппарата настолько, что качество движения аппарата с настроенной при исходной динамике СУ значительно снизится.
Груз также может быть жестко прикреплен к аппарату снаружи. В этом случае форма НПА изменяется, его габариты увеличиваются, что приводит к увеличению сил сопротивления жидкости. Кроме того, может быть нарушена симметрия аппарата, а обтекаемость ухудшена. При проектировании аппаратов их форма делается симметричной для того, чтобы воздействие жидкости было также симметричным и не приводило к появлению дополнительных моментных воздействий при движении [7, 8]. Как правило форма аппаратов также является обтекаемой для снижения действующих сил гидродинамического сопротивления [7, 8]. Однако при креплении груза снаружи аппарата форма аппарата с грузом может перестать быть как обтекаемой, так и симметричной, что приводит к дополнительным силовым и моментным воздействиям [8-10], которые ухудшат качество движения НПА.
Также, прикрепление груза снаружи к аппарату смещает его центр масс и центр водоизмещения и приводит к изменению посадки аппарата. В случае, если транспортируемый груз обладает плавучестью отличной от нейтральной, то и плавучесть аппарата с грузом также меняется. Как и в случае размещения груза внутри аппарата, из-за указанных факторов качество работы СУ может значительно снизиться.
Из описанного выше можно сделать вывод, что актуальной является разработка такой СУ, которая бы при изменении всех указанных выше параметров, учитывая их, не приводила к ухудшению качества движения НПА вдоль пространственных траекторий.
В соответствии с описанной задачей была определена структура диссертации, состоящей из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе были рассмотрены подходы к моделированию движения НПА, а также проводится анализ существующих способов синтеза СУ движением НПА.
В процессе анализа было выявлено, что все существующие системы управления синтезируются с учетом того, что параметры НПА либо остаются неизменны в процессе движения, либо их изменения происходят в пределах десятков процентов от их номинального значения. Это не позволяет использовать существующие методы синтеза СУ движением НПА с переменными параметрами.
Во второй главе выполняется построение и исследование модели НПА с переменными параметрами. Исследование модели НПА показали, что как при использовании линейной СУ, так и при использовании высокоточной СУ, изменение параметров модели приводит к ухудшению точности движения.
В третьей главе производится разработка метода синтеза адаптивной СУ НПА, обеспечивающей сохранение качества движения НПА в случае значительного изменения его параметров. Результаты математического моделирования подтвердили работоспособность и эффективность разработанного метода синтеза адаптивной СУ НПА.
В заключении описаны основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Среди НПА можно выделить класс автономных НПА, которые сегодня выполняют простейшие осмотровые операции. Как правило, эти аппараты перемещаются по простейшим пространственным траекториям, однако для осмотровых задач, связанных с работой вблизи объектов подводной инфраструктуры [5], от НПА требуется двигаться вдоль сложных пространственных траекторий с высокой точностью во избежание столкновения с подводными конструкциями.
Также, в настоящее время существуют системы управления (СУ) движением НПА, позволяющие им перемещаться как по простейшим пространственным траекториям, так и по сложным криволинейным траекториям [6]. Эти СУ были спроектированы для задач, в которых параметры НПА по умолчанию остаются неизменны в процессе всего движения. Однако уже сейчас возникают задачи управления НПА, параметры которых меняются в процессе движения, что может быть следствием размещения груза.
Задача движения аппарата с грузом заключается в его доставке груза из начальной точки к заданной. В ситуациях, когда груз должен быть транспортирован вблизи объектов подводной инфраструктуры, необходимыми являются требования к точности движения вдоль заданных сложных пространственных траекторий в процессе всего движения.
Предварительный анализ показал, что эти задачи могут быть решены существующими методами только в тех случаях, в которых влиянием груза на динамику аппарата с грузом можно пренебречь либо в случаях, где с изменением динамических свойств аппарата справляются робастные системы в случае их использования. Другими словами, груз должен быть незначителен по сравнению с несущим его аппаратом, как и изменения параметров аппарата вследствие присоединения груза должны быть незначительны. Этими параметрами являются масса НПА, его форма, его плавучесть и посадка.
Добавление груза к аппарату увеличивает инерцию всей системы. Помимо сил инерции на аппарат с грузом действуют другие силы, влияние которых на движение имеет смысл рассматривать вместе с основными способами расположения грузов относительно аппарата. Груз может располагаться внутри самого аппарата. В этом случае габариты аппарата с грузом не меняются, то есть не меняется объем погруженного в жидкость тела. НПА проектируются таким образом, чтобы обеспечивалась их остойчивость и нейтральная (или незначительно положительная) плавучесть. Остойчивость обеспечивается несовпадением центра водоизмещения и центра масс аппарата, что приводит к существованию положения устойчивого равновесия НПА в водной среде. Добавление груза внутрь аппарата увеличивает массу всей системы без изменения погруженного в жидкость объема, что неминуемо приводит к уменьшению плавучести. Помимо этого, неизбежное смещение центра масс изменит остойчивость. В совокупности все эти факторы могут изменить динамику аппарата настолько, что качество движения аппарата с настроенной при исходной динамике СУ значительно снизится.
Груз также может быть жестко прикреплен к аппарату снаружи. В этом случае форма НПА изменяется, его габариты увеличиваются, что приводит к увеличению сил сопротивления жидкости. Кроме того, может быть нарушена симметрия аппарата, а обтекаемость ухудшена. При проектировании аппаратов их форма делается симметричной для того, чтобы воздействие жидкости было также симметричным и не приводило к появлению дополнительных моментных воздействий при движении [7, 8]. Как правило форма аппаратов также является обтекаемой для снижения действующих сил гидродинамического сопротивления [7, 8]. Однако при креплении груза снаружи аппарата форма аппарата с грузом может перестать быть как обтекаемой, так и симметричной, что приводит к дополнительным силовым и моментным воздействиям [8-10], которые ухудшат качество движения НПА.
Также, прикрепление груза снаружи к аппарату смещает его центр масс и центр водоизмещения и приводит к изменению посадки аппарата. В случае, если транспортируемый груз обладает плавучестью отличной от нейтральной, то и плавучесть аппарата с грузом также меняется. Как и в случае размещения груза внутри аппарата, из-за указанных факторов качество работы СУ может значительно снизиться.
Из описанного выше можно сделать вывод, что актуальной является разработка такой СУ, которая бы при изменении всех указанных выше параметров, учитывая их, не приводила к ухудшению качества движения НПА вдоль пространственных траекторий.
В соответствии с описанной задачей была определена структура диссертации, состоящей из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе были рассмотрены подходы к моделированию движения НПА, а также проводится анализ существующих способов синтеза СУ движением НПА.
В процессе анализа было выявлено, что все существующие системы управления синтезируются с учетом того, что параметры НПА либо остаются неизменны в процессе движения, либо их изменения происходят в пределах десятков процентов от их номинального значения. Это не позволяет использовать существующие методы синтеза СУ движением НПА с переменными параметрами.
Во второй главе выполняется построение и исследование модели НПА с переменными параметрами. Исследование модели НПА показали, что как при использовании линейной СУ, так и при использовании высокоточной СУ, изменение параметров модели приводит к ухудшению точности движения.
В третьей главе производится разработка метода синтеза адаптивной СУ НПА, обеспечивающей сохранение качества движения НПА в случае значительного изменения его параметров. Результаты математического моделирования подтвердили работоспособность и эффективность разработанного метода синтеза адаптивной СУ НПА.
В заключении описаны основные результаты, полученные в диссертационной работе.
В диссертации были получены следующие новые результаты:
1. Исследована модель НПА на предмет изменения качества движения вдоль криволинейных траекторий при кратном изменении параметров аппарата. Исследование проводилось на известных СУ: на линейной СУ и на СУ, синтезированной с помощью принципа виртуальной траектории. Определено качественное и количественное влияние изменения массы аппарата, присоединённых масс жидкости, коэффициентов вязкого трения и смещения центра масс.
2. Разработан метод синтеза адаптивных СУ, обеспечивающих сохранение требуемых качеств управления при изменении всех параметров НПА. Результаты проведенного моделирования подтвердили работоспособность и эффективность системы при изменении всех параметров, в том числе и тех, изменение которых приводило к ухудшению качества движения для СУ без адаптивной коррекции.
1. Исследована модель НПА на предмет изменения качества движения вдоль криволинейных траекторий при кратном изменении параметров аппарата. Исследование проводилось на известных СУ: на линейной СУ и на СУ, синтезированной с помощью принципа виртуальной траектории. Определено качественное и количественное влияние изменения массы аппарата, присоединённых масс жидкости, коэффициентов вязкого трения и смещения центра масс.
2. Разработан метод синтеза адаптивных СУ, обеспечивающих сохранение требуемых качеств управления при изменении всех параметров НПА. Результаты проведенного моделирования подтвердили работоспособность и эффективность системы при изменении всех параметров, в том числе и тех, изменение которых приводило к ухудшению качества движения для СУ без адаптивной коррекции.