RU2197016C2 - Способ определения параметров математической модели движения судна - Google Patents

Способ определения параметров математической модели движения судна Download PDF

Info

Publication number
RU2197016C2
RU2197016C2 RU2000113940A RU2000113940A RU2197016C2 RU 2197016 C2 RU2197016 C2 RU 2197016C2 RU 2000113940 A RU2000113940 A RU 2000113940A RU 2000113940 A RU2000113940 A RU 2000113940A RU 2197016 C2 RU2197016 C2 RU 2197016C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vessel
angle
mathematical model
movement
coefficient
Prior art date
Application number
RU2000113940A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2000113940A (ru
Inventor
Г.Э. Острецов
Л.М. Клячко
Original Assignee
Острецов Генрих Эразмович
Клячко Лев Михайлович
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 filed Critical Острецов Генрих Эразмович
Priority to RU2000113940A priority Critical patent/RU2197016C2/ru
Publication of RU2000113940A publication Critical patent/RU2000113940A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2197016C2 publication Critical patent/RU2197016C2/ru

Links

Landscapes

  • Navigation (AREA)

Abstract

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.

Description

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
Figure 00000002
и угла дрейфа,
Figure 00000003
которые сравнивают с измеренными в "i" момент времени. По полученным невязкам формируют критерий, например, вида суммы модулей двух невязок угловой скорости
Figure 00000004
и угла дрейфа
Figure 00000005
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|<σmin).
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|>σmin
Третья особенность в том, что уточненное значение угла курса (1) получают путем пропускания сигнала текущего значения путевого угла (ПУ) через инерционный фильтр
Figure 00000006

при |σ|<σmin.
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|>σmin),
- восстанавливается уточненное значение угла дрейфа по текущему путевому углу и восстановленному углу курса,
- при малых перекладках руля (|σ|<σmin) 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|<σmin 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|<σmin) 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 σmin. При этом информация о положении руля и фазовом состоянии судна (σiii) запоминается в блоке памяти.
5. Сигнал σi подают на вход электронной модели движения судна. На выходе электронной модели восстанавливают фазовые координаты состояния судна
Figure 00000007

6. По измеренным в "i" момент времени фазовым координатам, введенным в блок памяти и восстановленным на электронной модели, формируют невязки
Figure 00000008
Figure 00000009
(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;
Figure 00000010
Figure 00000011
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>σmin) 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|>σmin.
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|>σmin в блоке памяти 2 производится запоминание трех сигналов: σiii.
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
Figure 00000012

В блок невязок 5 поступают сигналы измеренной угловой скорости в "i" момент времени (ωi) и угла дрейфа (βi), вычисленного для "i" момента времени. Оба сигнала поступают из блока памяти 2. В блок 5 поступают также оценки угловой скорости судна
Figure 00000013
и угла дрейфа
Figure 00000014
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
Figure 00000015

Figure 00000016

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
Figure 00000017

Figure 00000018

где σi - сигнал угла перекладки руля поступает из блока 2.
Figure 00000019
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.

Claims (1)

  1. 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.
RU2000113940A 2000-06-02 2000-06-02 Способ определения параметров математической модели движения судна RU2197016C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000113940A RU2197016C2 (ru) 2000-06-02 2000-06-02 Способ определения параметров математической модели движения судна

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000113940A RU2197016C2 (ru) 2000-06-02 2000-06-02 Способ определения параметров математической модели движения судна

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000113940A RU2000113940A (ru) 2002-09-20
RU2197016C2 true RU2197016C2 (ru) 2003-01-20

Family

ID=20235623

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000113940A RU2197016C2 (ru) 2000-06-02 2000-06-02 Способ определения параметров математической модели движения судна

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2197016C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2774459C1 (ru) * 2021-10-18 2022-06-21 Алексей Викторович Козлов Способ идентификации параметров математической модели динамики морского подвижного объекта в натурных условиях

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2774459C1 (ru) * 2021-10-18 2022-06-21 Алексей Викторович Козлов Способ идентификации параметров математической модели динамики морского подвижного объекта в натурных условиях

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109211276B (zh) 基于gpr与改进的srckf的sins初始对准方法
CN109724599B (zh) 一种抗野值的鲁棒卡尔曼滤波sins/dvl组合导航方法
CN107990910B (zh) 一种基于容积卡尔曼滤波的舰船大方位失准角传递对准方法
CN107741229B (zh) 一种光电/雷达/惯性组合的舰载机着舰导引方法
CN101033973B (zh) 微小型飞行器微惯性组合导航系统的姿态确定方法
CN111156987A (zh) 基于残差补偿多速率ckf的惯性/天文组合导航方法
CA1093662A (en) Shipboard reference for an aircraft navigation system
RU2442718C1 (ru) Способ определения гидродинамических параметров математической модели движения судна
RU2348903C1 (ru) Способ определения навигационных параметров бесплатформенной инерциальной навигационной системой
CN112612268B (zh) 路径跟踪的控制方法、装置、设备及存储介质
CN102654406A (zh) 基于非线性预测滤波与求容积卡尔曼滤波相结合的动基座初始对准方法
CN107179693A (zh) 基于Huber估计的鲁棒自适应滤波和状态估计方法
CN112857398A (zh) 一种系泊状态下舰船的快速初始对准方法和装置
Ben et al. A dual-state filter for a relative velocity aiding strapdown inertial navigation system
Braginsky et al. Correction of DVL error caused by seafloor gradient
GB2128749A (en) Electronic compass with tilt compensation
CN113608534B (zh) 一种无人艇跟踪控制方法及系统
RU2197016C2 (ru) Способ определения параметров математической модели движения судна
RU2223197C1 (ru) Аппаратура автоматического управления движением судна
CN111854741A (zh) 一种gnss/ins紧组合滤波器及导航方法
CN110873577A (zh) 一种水下快速动基座对准方法及装置
CN101187562A (zh) 船用光纤陀螺捷联系统初始姿态确定方法
CN112577512A (zh) 一种基于轮速融合的状态量误差确定方法及车载终端
RU2151713C1 (ru) Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели движения судна
JPH0949737A (ja) 航法信号出力方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090603