КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-71-01001
НазваниеМетоды формирования систем автоматического управления движением в условиях неопределенных внешних возмущений
Руководитель Смирнов Михаил Николаевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-601 - Теория управления
Ключевые слова оптимальное управление, внешние возмущения, устойчивость, система автоматического управления, математическое моделирование, компьютерное моделирование
Код ГРНТИ27.37.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время системы автоматического управления движением устанавливаются на различные обитаемые и необитаемые подвижные объекты, позволяя облегчить и сделать более безопасным для человека выполнение различного рода задач. Так, современные автопилоты и системы автоматической посадки самолетов позволяют пилоту лишь контролировать процесс движения, исключая риск, связанный с человеческим фактором, а также позволяют более экономно расходовать энергетические ресурсы. Кроме того, указанные системы автоматического управления обеспечивают более высокую точность движения и посадки, учитывают ветер и турбулентность, а также позволяют более безопасно осуществлять посадку в сложных условиях (таких как короткие или узкие взлетно-посадочные полосы, плохие погодные условия и др.) Для других подвижных объектов (беспилотных подводных аппаратов, подводных лодок, морских судов, всевозможных роботов и др.) системы автоматического управления движением выполняют аналогичную роль. Однако такие системы не совершенны. Одной из важнейших задач системы автоматического управления движением в реальных условиях функционирования является компенсация влияния действующих на объект возмущений с учетом особенностей его динамики. В связи с этим возникает ряд содержательных и формализованных задач, связанных с проектированием систем автоматического управления движением, а именно: задачи минимизации времени совершения маневра и расхода топлива, задачи построения оптимальных траекторий движения, проблемы подавления внешних воздействий, порождаемых порывами ветра, волнением моря и другими внешними факторами. Чаще всего, все эти задачи эффективно решаются по отдельности, однако на практике зачастую приходится иметь дело с несколькими задачами одновременно. Отдельного рассмотрения требует ситуация, когда в задании внешних возмущений имеется неопределенность, и система управления должна компенсировать их и обеспечить выполнение дополнительных требований к качеству динамических процессов. Такая постановка задачи существенно усложняет анализ и проектирование системы управления, обеспечивающей подавление влияния внешних возмущений и воздействий на рассматриваемый объект управления, поэтому задачу компенсации внешних воздействий как правило рассматривают отдельно от остальных задач. Таким образом, требуется разрабатывать новые методы проектирования систем автоматического управления движением и адаптировать существующие методы для решения конкретных задач. Указанные обстоятельства определяют актуальность темы исследования.
В рамках данного исследования планируется решение задачи о наилучшем подавлении неопределенных внешних воздействий с учетом дополнительных требований к качеству динамических процессов, создание методов оптимизации размера множества реакций на ограниченные внешние воздействия с выполнением дополнительных требований к динамическому процессу и разработка соответствующих новых расчетных методов синтеза, исследование особенностей синтеза законов цифрового управления движением реальных объектов в условиях воздействия внешних возмущений, решение практических задач управления реальными объектами для иллюстрации работоспособности и эффективности разработанных методов и алгоритмов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Основное внимание в данном исследовании было уделено разработке специального программного имитационно-моделирующего комплекса, который позволяет проводить компьютерное моделирование движения объекта управления в различных ситуациях. В современном мире имитационное моделирование является важным этапом при создании любых автоматических систем управления. Оно позволяет без огромных материальных затрат провести испытания системы управления в различных условиях, и, что особенно важно, при возникновении экстренных ситуаций, таких как сильное внешнее возмущение, отказ двигателей, отказ систем управления, аварийное всплытие или посадка, работа в условиях малого запаса энергии и т.д. Кроме того, имитационное моделирование позволяет оценить качество динамики замкнутой системы и оптимизировать переходные процессы. Данный комплекс был разработан с помощью инструментов среды MATLAB.
В процессе реализации проекта был выбран объект управления – морское судно. Была выполнена конкретизация общих уравнений динамики движения морских судов, двигающихся в горизонтальной плоскости. В процессе проведения исследования была сформирована нелинейная математическая модель, которая затем была линеаризована для построения системы автоматического управления. С помощью специальных средств в среде MATLAB - Simulink была создана компьютерная модель боковым движением морского судна.
Разработанный имитационный комплекс является универсальным, т.е. в нем предусмотрена возможность управления не только морским судном, но и морским подводным объектом. В случае подводного морского объекта используются два канала управления – горизонтальные рули, обеспечивающие движение объекта в вертикальной плоскости, т.е. по глубине, и вертикальные рули, которые обеспечивают движение объекта в горизонтальной плоскости. Для надводного морского судна используется только один канал управления, а именно, вертикальные рули. В рассмотренной задаче управления морское судно имеет два вертикальных руля, которые отклоняются синхронно. Разработанный имитационно-моделирующий комплекс также дает возможность задавать командный сигнал, т.е. значение желаемого курса и/или значение желаемой глубины, а также изменять внешние условия плавания.
Для реализации управления была выбрана структура системы автоматического управления с асимптотическим наблюдателем. Необходимость его использования вызвана невозможностью непосредственного измерения значений всех динамических переменных, используемых для построения автоматического закона управления. Он позволяет получить оценку вектора состояния рассматриваемого объекта, в нашем случае морского судна. В ходе выполнения работ были сформированы и просчитаны различные законы автоматического управления, для каждого из которых с помощью имитационно-моделирующего комплекса была проведена серия компьютерных экспериментов, демонстрирующих поведение морского судна в различных ситуациях, при различных командных сигналах и воздействиях внешней среды. Также был проведен анализ результатов, полученных в ходе экспериментов, и проведено их сравнение.
В результате сравнения было выявлено, что при использовании разработанного алгоритма нахождения коэффициентов закона автоматического управления, гарантирующего желаемое расположение корней характеристического полинома замкнутой системы, отклонение морского судна от курса и время стабилизации меньше, чем при использовании только компенсирующего управления. Также следует отметить, что при использовании разработанного управления в процессе компенсации нежелательных воздействий не происходит достижение крайних положений рулей, что не только дает более хорошие результаты имитационного моделирования, но и снижает износ управляющих органов.
Публикации
1.
Смирнов М.Н., Смирнова М.А.
The Software Complex for Computer Simulation of the Motion Control System
Artificial Intelligence Algorithm Design for Systems. CSOC 2024. Lecture Notes in Networks and Systems, Artificial Intelligence Algorithm Design for Systems. CSOC 2024. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 1120. Springer, Cham, p.403-411. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-70518-2_36
2. Смирнов М.Н., Смирнова М.А. Questions of Marine Ship Control in a Disturbed Environment Lecture Notes in Networks and Systems (год публикации - 2025)