RU2151713C1 - Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна - Google Patents

Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна Download PDF

Info

Publication number
RU2151713C1
RU2151713C1 RU99123651A RU99123651A RU2151713C1 RU 2151713 C1 RU2151713 C1 RU 2151713C1 RU 99123651 A RU99123651 A RU 99123651A RU 99123651 A RU99123651 A RU 99123651A RU 2151713 C1 RU2151713 C1 RU 2151713C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vessel
movement
mathematical model
coefficient
model
Prior art date
Application number
RU99123651A
Other languages
English (en)
Inventor
Г.Э. Острецов
Л.М. Клячко
Э.В. Дюжев
Original Assignee
Острецов Генрих Эразмович
Клячко Лев Михайлович
Дюжев Эрик Васильевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Острецов Генрих Эразмович, Клячко Лев Михайлович, Дюжев Эрик Васильевич filed Critical Острецов Генрих Эразмович
Priority to RU99123651A priority Critical patent/RU2151713C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2151713C1 publication Critical patent/RU2151713C1/ru

Links

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области судовождения и предназначено для автоматического управления движением судна по заданной траектории. Технический результат заключается в повышении точности определения параметров математической модели движения судна в процессе плавания. В процессе плавания в зависимости от условий эксплуатации (скорости хода судна, глубины под килем, загрузки судна, крена судна, угла дифферента, внешних воздействий, динамических характеристик судна) параметры математической модели его существенно изменяются, что отрицательно сказывается на качестве автоматического управления, если этого не учитывать. В предлагаемом способе повышение точности определения параметров модели движения судна достигается благодаря использованию сигнала бокового сноса от приемника спутниковой навигационной системы, электронной модели, соответствующей полной математической модели движения судна, причем для подстройки параметров используется двухмерный критерий с переменными весовыми коэффициентами. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области судовождения - автоматическому управлению движением судна по заданному направлению с использованием электронной модели движения судна.
Известны способы определения параметров математической модели исследуемого процесса, так например, в авторском свидетельстве СССР N 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. Последний принят нами в качестве прототипа - авт. св. СССР N 205913. Выходной сигнал с исследуемого объекта запоминают (задерживают), формируют невязку, а затем пропускают через электронную модель исследуемого объектам 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,
- применен критерий оценки с постоянными весовыми коэффициентами.
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-й момент времени. Поставленная цель решается тем, что в качестве фазовых координат используют угловую скорость судна, угол перекладки руля, а также боковое смещение судна, которое измеряют с помощью приемника спутниковой навигационной системы. Запомненный в i-м момент времени сигнал угла перекладки руля подают на вход электронной модели движения судна, на выходе которой вырабатываются восстановленные сигналы (оценки) угловой скорости судна и бокового смещения, которые сравнивают с измеренными в i-й момент времени, по полученным невязкам формируют модули их и вводят в критерий вида суммы модулей двух невязок угловой скорости и бокового смещения, весовые коэффициенты при невязках зависят от выбранного для подстройки коэффициента математической модели движения судна. Далее проводят минимизации критерия, варьируя величину подстраиваемого коэффициента математической модели движения судна. Полученное значение подстроенного коэффициента математической модели движения судна фиксируют в электронной модели движения судна и переходят к подстройке следующего коэффициента математической модели движения судна Kj. При этом в функции от коэффициента Kj изменяют весовые коэффициенты в критерии для ускорения сходимости процесса поиска. Аналогично последовательно определяют остальные коэффициенты математической модели движения судна.
Определение коэффициентов математической модели движения судна необходимо для решения задач оптимального оценивания информации, используемой для автоматического управления движением судна по желаемому направлению, а также для адаптации законов управления движением судна.
В известных способах идентификации параметров математической модели движения судна определяется только приведенная постоянная времени упрощенной математической модели движения судна первого порядка. Это объясняется тем, что до недавнего времени входная информация о динамике судна не соответствовала требованию полной наблюдаемости т.к. не существовало достоверного измерителя бокового сноса судна (датчика угла дрейфа).
В настоящее время с совершенствованием и внедрением спутниковых навигационных систем (СНС) появилась возможность перейти к полной наблюдаемости, измеряя (с достаточной точностью):
- угловую скорость судна относительно вертикальной оси,
- боковой снос судна (угол дрейфа).
Это позволило принять полную математическую модель движения судна, а не упрощенную, как это делалось ранее, а критерий оценки с переменными весовыми коэффициентами при модулях невязок фазовых координат состояния судна.
Таким образом, в предложенном способе;
- уточняются последовательно все коэффициенты полной, а не упрощенной математической модели движения судна,
- используется двухмерный критерий (благодаря применению информации от приемника СНС),
- критерий принят с переменными весовыми коэффициентами в зависимости от определяемого коэффициента математической модели движения судна,
- определение параметров математической модели движения судна производится многократно в процессе плавания, без нарушения автоматического режима управления судном.
Использование предложенного способа позволяет с малыми затратами времени практически непрерывно в процессе рейса уточнять математическую модель движения судна. Это необходимо делать т.к. динамика судна зависит от угла дифферента, скорости хода, глубины под килем, угла крена, загрузки, тяги гребных винтов, состояния погоды и др., таким образом можно констатировать, что коэффициенты Kj математической модели движения судна являются функцией более семи параметров, измерение которых часто затруднено.
Уточнение коэффициентов Kj производится в i-й момент времени, когда вся измеряемая информация запоминается в блоке памяти для введения входной информации в электронную модель движения судна, а также для формирования критерия. На выходе электронной модели восстанавливаются фазовые координаты состояния судна. По измеренным в i-й момент времени фазовым координатам из блока памяти и восстановленным электронной моделью вырабатывают невязки, а по ним определяют величину критерия в i-й момент времени, запоминают его во втором блоке памяти. Далее изменяют величину исследуемого коэффициента (Kj = Kj) + δ) математической модели движения судна, вводят его в электронную модель и вновь формируют невязки, а по ним вычисляют новое значение критерия. Если величина критерия уменьшилась то коэффициент вновь увеличивают (Kj2 = Kj1 + δ ). Рассмотренный цикл повторяют до тех пор пока вычисленное последнее значение критерия не начнет увеличиваться, после этого Kjn уменьшают на δ и это уточненное значение Kj(n-1) вводится в электронную модель. Далее переходят к уточнению следующего коэффициента математической модели движения судна K(j+1). Если же при первом сравнении критериев второй вычисленный критерий оказался больше первого, вследствие увеличения K(j+1)1 = K(j+1 + δ, то величину подстраиваемого коэффициента K(j+1) уменьшают на величину 2δ значение этого подстраиваемого коэффициента будет K(j+1)2 = K(j+1)1-2δ, полученную величину критерия сравнивают с предыдущим его значением, если он уменьшился, то повторяют измерение после уменьшения K(j+1)2 еще на δ/ K(j+1)3 = K(j+1)2- δ/. Уменьшение коэффициента K(j+1) производят до момента, когда новое значение критерия окажется более предыдущего. После чего предыдущее значение коэффициента математической модели движения судна K(j+1) фиксирую, вводят в электронную модель движения судна и переходят к подстройке следующего коэффициента математической модели движения судна K(j+2).
Для ускорения сходимости предложенного способа при переходе к уточнению нового значения Кj перестраивают весовые коэффициенты К1 и K2 критерии вида:
Figure 00000002

где
Figure 00000003
модуль невязки;
K1, K2 - весовые коэффициенты, перестраиваемые при изменении исследуемого номера коэффициента (Kj, j = 1,2...6) в зависимости от вида математической модели движения судна,
Figure 00000004
- измеренное и восстановленное значение угловой скорости судна в i-й момент времени,
Уi
Figure 00000005
- измеренное и восстановленное значение бокового смещения судна в i-й момент времени.
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 программ - 4, блок формирования невязок - 5, блок формирования критерия - 6, компаратор - 7, блок знака приращения параметра математической модели - 8, блок выработки величины приращения - 9, блоки памяти - 10, 11, блок логики - 12, блок подстройки коэффициентов математической модели движения судна - 13.
В блок-схеме связи между блоками обозначены сплошными линиями.
- командные сигналы от блока программ - 4 к отдельным блокам обозначены: -----.-----.-----. пунктир одна точка...,
- логические команды от блока логики 12 к другим блокам обозначены: -----..----..-----.. - пунктир - две точки - пунктир...
Рассмотрим последовательность выполнения операций в устройстве при работе - идентификации параметра (коэффициента Kj,j = 1 - 6) математической модели движения судна.
Последовательность подключения (перестройки) блоков осуществляется блоком программ - 4:
1). Включается блок измерения 1 к блоку памяти 2, в котором запоминаются в начале работы (в i-й момент времени), δi - угол перекладки руля, ωi - угловая скорость судна, Уi - боковое смещение судна. Сигнал угла перекладки руля δi поступает с блока 2 на вход электронной модели движения судна, где моделируется угловое и боковое смещение судна:
Figure 00000006

где
Figure 00000007
восстановление значения угловой скорости судна в i-й момент времени (оценка угловой скорости судна).
Figure 00000008
восстановленное значение боковой скорости судна в i-й момент времени (оценка угла дрейфа судна),
δi - угол перекладки руля (измеренное значение в i-й момент времени ),
Figure 00000009
восстановленное значение скорости бокового смещения судна.
Сигналы ωi Уi из блока 2 и оценки
Figure 00000010
из блока 3 поступают в блок 5, где формируются модули невязок между измеренными и восстановленными значениями фазовых координат судна в i-й момент времени (параметры математической модели до подстройки Kjo):
Figure 00000011

Модули невязок поступают в блок 6, где формируется критерий вида:
J(0) = K1•Δω(0)+K2•Δy(0), (2)
где K1 K2 - весовые коэффициенты критерия, выбраны для конкретного подстраиваемого коэффициента Kj на основании анализа качественных и количественных связей математической модели движения судна.
2). К блоку 6 подключается блок памяти 10, где запоминается величина вычисленного критерия J(о) по зависимости (2)
3). В блоке 13 вырабатывается приращение к коэффициенту Kj. Новое значение Кj1:Kj1=Kj + δ. Коэффициент Kj1 поступает в электронную модель - 3 вместо Kj. В результате на выходе блока 3 вырабатываются измененные оценки Δω(1) - угловой скорости, ΔУ(1) - бокового смещения судна. В блоке 5 - изменение значения невязок будут вида
Figure 00000012

В блоке 6 вырабатывается новое значение критерия:
J(1) = K1•Δωi(1) = K2•Δyi(1).
4). К блоку 6 подключается блок памяти 11, где запоминается новое значение критерия J(1).
5). Входы компаратора 7 подключаются к блокам памяти 10 и 11. Выход компаратора (командный) поступает в блок 12 и на блок 8, 9, если j = J (1) - J (0) < 0 подключается блок 9; или блок 8, если j = J (1) - J (0) > 0. В последнем случае коэффициент Kj получит отрицательное приращение -2δ и блок логики 12 повторит цикл: 2), 3), 4), 5). (подробное описание приведено ниже).
Вернемся к первому случаю J < 0 (п.5))
Блок логики 12 формирует цикл аналогично рассмотренному выше: 2), 3), 4), 5) т.е. значение подстраиваемого коэффициента увеличится и примет значение Kj2 = Kj1 δ ..... и, если J(2) < J (1) будет происходить повторение циклов до тех пор пока Jn > J(n-1), при этом компаратор 7 выдаст сигнал на блок 8, а не на блок 9, блок 8 вырабатывает отрицательное приращение к коэффициенту Kjn, Kj(n+1) = Kjn - 2δ далее блок логики 12 выдает команду на повторение цикла: 2), 3), 4), 5) при этом с компаратора 7 должна поступить команда на блок 9, а следовательно, на выработку положительного приращения Kj(n+2) = Kj(n+1) + δ. Блок логики 12 выдаст затем команду на:
- введение Kj(n+2) в электронную модель 3,
- подключение в блоке 13 следующего параметра (коэффициента) математической модели движения судна K(j+1) (который следует подстраивать),
- подключит к работе вновь блок программ - 4. После чего начинается выполнение по программе цикла 2) - 5) с вторым коэффициентом K(j+1) тематической модели движения судна. Всего определяется 6 коэффициентов математической модели движения судна Kj где j = 1,2...6.
Моделирование на ЦВМ идентификации параметров математической модели движения танкера водоизмещением 10 т типа "Жданов" с использованием предложенного способа подтвердило его эффективность.

Claims (1)

  1. Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна, основанный на использовании электронной модели движения судна, измерении фазовых координат судна и их запоминании в i-й момент времени, отличающийся тем, что в качестве фазовых координат используют угловую скорость судна, угол перекладки руля, а также боковое смещение судна, которое измеряют с помощью приемника спутниковой навигационной системы, запомненный в i-й момент времени сигнал угла перекладки руля подают на вход электронной модели движения судна, на выходе которой формируются восстановленные сигналы угловой скорости судна и бокового смещения, которые сравнивают с измеренными в i-й момент времени, вводят модули полученных при этом невязок в критерий вида суммы модулей двух невязок угловой скорости и бокового смещения, весовые коэффициенты при невязках зависят от выбранного для подстройки коэффициента математической модели движения судна, проводят минимизацию критерия, варьируя величину подстраиваемого коэффициента математической модели движения судна, полученное значение подстроенного коэффициента математической модели движения судна фиксируют в электронной модели движения судна и переходят к подстройке следующего коэффициента математической модели движения судна, при этом в функции от этого коэффициента изменяют весовые коэффициенты в критерии, а путем варьирования этого подстраиваемого коэффициента математической модели движения судна минимизируют критерий, при достижении минимума
    фиксируют полученное значение подстроенного коэффициента в электронной модели движения судна, затем аналогично последовательно определяют остальные коэффициенты математической модели движения судна.
RU99123651A 1999-11-12 1999-11-12 Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна RU2151713C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99123651A RU2151713C1 (ru) 1999-11-12 1999-11-12 Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99123651A RU2151713C1 (ru) 1999-11-12 1999-11-12 Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2151713C1 true RU2151713C1 (ru) 2000-06-27

Family

ID=20226789

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99123651A RU2151713C1 (ru) 1999-11-12 1999-11-12 Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2151713C1 (ru)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2483973C2 (ru) * 2011-07-29 2013-06-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Способ управления движением судна по заданной траектории
RU2493048C1 (ru) * 2012-04-10 2013-09-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУВПО "МГТУ") Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна
RU2516885C2 (ru) * 2012-03-27 2014-05-20 Федеральное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ управления движением судна по широте и долготе
RU2535777C1 (ru) * 2013-08-09 2014-12-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Система идентификации гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна
RU2537080C1 (ru) * 2013-10-18 2014-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Система определения гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна
RU2564786C1 (ru) * 2014-06-16 2015-10-10 Владимир Александрович Катенин Способ управления движением судна с компенсацией медленно меняющихся внешних возмущений и система управления движением судна с компенсацией медленно меняющихся внешних возмущений
CN105807614A (zh) * 2015-09-24 2016-07-27 哈尔滨工程大学 利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2483973C2 (ru) * 2011-07-29 2013-06-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Способ управления движением судна по заданной траектории
RU2516885C2 (ru) * 2012-03-27 2014-05-20 Федеральное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ управления движением судна по широте и долготе
RU2493048C1 (ru) * 2012-04-10 2013-09-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУВПО "МГТУ") Способ определения гидродинамических параметров математической модели судна
RU2535777C1 (ru) * 2013-08-09 2014-12-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Система идентификации гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна
RU2537080C1 (ru) * 2013-10-18 2014-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Система определения гидродинамических коэффициентов математической модели движения судна
RU2564786C1 (ru) * 2014-06-16 2015-10-10 Владимир Александрович Катенин Способ управления движением судна с компенсацией медленно меняющихся внешних возмущений и система управления движением судна с компенсацией медленно меняющихся внешних возмущений
CN105807614A (zh) * 2015-09-24 2016-07-27 哈尔滨工程大学 利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4987357A (en) Adaptive motor vehicle cruise control
RU2151713C1 (ru) Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна
US20090043436A1 (en) Automatic Vessel Position Holding Control Method and Controller
EP0339858A2 (en) System including an autopilot, with a simulator, for a fluidborne vehicle
KR20020089511A (ko) 신호 처리 장치
RU2292289C1 (ru) Способ автоматического управления движением судна
EP3566942A1 (en) Automatic steering device, automatic steering method and automatic steering program
EP0387100A2 (en) Ignition timing control method for an internal combustion engine and apparatus therefor
JPH092393A (ja) 航走体の制御推力配分装置
Riedel et al. Shallow water station keeping of AUVs using multi-sensor fusion for wave disturbance prediction and compensation
CN114115276A (zh) 一种基于在线分组优化模型预测的船舶动力定位控制方法
SE2150582A1 (en) Method and controller unit for controlling motion of a hydrofoil watercraft
CN100588907C (zh) 船用光纤陀螺捷联系统初始姿态确定方法
Brodtkorb et al. Sea state estimation using model-scale DP measurements
US5929805A (en) Differential phase measurement scheme for a multiplexing GPS attitude receiver
JP2003104291A (ja) 自動操舵装置及び方法
JP5077063B2 (ja) 車両位置検出装置、車両位置検出方法
Chhoeung et al. Approach to estimate the ship center of gravity based on accelerations and angular velocities without ship parameters
Kaasen et al. Automatic tuning of vessel models offshore: A feasibility study using high-precision data from model test
RU2197016C2 (ru) Способ определения параметров математической модели движения судна
JP4228157B2 (ja) イナーシャ同定方法および装置
US20230339582A1 (en) Speed control method for marine vessel, and marine vessel
EP3763618B1 (en) Device, method and program for controlling ship body
CA2465233A1 (en) Navigation system for determining the course of a vehicle
NL1042956B1 (nl) Weegsysteem voor het gebruik op bewegende voertuigen.