Система автоматичного керування рухом підводного апарата в горизонтальній площині

Реферат: Винахід належить до галузі суднобудування і призначений для підводних апаратів. Система автоматичного керування рухом підводного апарата в горизонтальній площині містить задавач вхідного сигналу, датчик лінійної швидкості руху підводного апарата, датчик частоти обертання лівого гребного гвинта, канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун, лівий гребний гвинт, а також підводний апарат як об'єкт керування. Також створено другий канал виконавчого механізму для забезпечення окремого керування другим гребним гвинтом; в другий канал введено послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун, правий гребний гвинт. Введені датчик кутової швидкості руху підводного апарата, датчик частоти обертання правого гребного гвинта, обчислювач керуючих сигналів для обох каналів. Два апроксиматори, оснащені програмами на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежностей приросту лінійної і кутової швидкостей і прискорень руху підводного апарата від його поточного стану та суми і різниці упорів гвинтів на основі попередньо отриманих даних. Технічним результатом винаходу є можливість одночасного керування прямолінійним і обертовим рухами підводного апарата в горизонтальній площині, а також забезпечення можливості синтезу системи керування в умовах невизначеності параметрів математичної моделі об'єкта. UA 101202 C2 (12) UA 101202 C2 UA 101202 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі суднобудування і призначений для підводних апаратів (ПА), які використовують для переміщення в горизонтальній площині два гребних гвинти з електричним приводом, завдяки яким виконується як прямолінійний рух, так і повороти (навколо вертикальної осі). Відомо про систему автоматичного керування глибиною підводного апарата (Блінцов С.В. Деклараційний патент на корисну модель № 4782, опубл. 15.02.2005, бюл. № 2). Система керування містить: програмний пристрій, датчики глибини (висоти над ґрунтом) та вертикальної швидкості, послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун, гребний гвинт, підводний апарат як об'єкт керування, а також суматор, зв'язаний з датчиком глибини (висоти над ґрунтом) та програмним пристроєм, апроксиматор залежності гальмівного шляху підводного апарата від його вертикальної швидкості, зв'язаний з датчиком вертикальної швидкості, та обчислювач, входи якого зв'язані з суматором, апроксиматором і датчиком вертикальної швидкості, а вихід з силовим перетворювачем. Така система керування може бути синтезована в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА, але вона призначена для ступінчатої зміни глибини занурення ПА і не підходить для керування швидкістю, тим більше для одночасного керування лінійним і обертовим рухом. Найбільш близьким аналогом є адаптивна система із змінною структурою для керування швидкістю руху підводного робота (Юхимец Д.А., Филаретов В.Ф., патент RU 2215318 С1, опубл. 27.10.2003). Такий пристрій містить послідовно з'єднані перший блок множення, перший суматор, перший релейний елемент, фільтр, блок виділення модуля, вимірник неузгодженості, ключ, другий вхід якого через другий релейний елемент приєднаний до виходу першого блока виділення модуля, інтегратор, другий суматор, другий вхід якого з'єднаний з виходом джерела еталонного сигналу й другим входом першого вимірника неузгодженості, а його вихід з'єднаний з першим входом першого блока множення, послідовно з'єднані третій суматор, перший вхід якого з'єднаний із входом системи, другий блок виділення модуля, другий блок множення, другий вхід якого з'єднаний з виходом першого релейного елемента, і четвертий суматор, а також датчик прискорення руху підводного робота, установлений на корпусі підводного робота, що підключений до другого входу першого суматора, причому другий вхід першого блока множення з'єднаний із входом другого блока виділення модуля, послідовно з'єднані третій блок виділення модуля, третій блок множення, п'ятий суматор, другий вхід якого підключений до виходу датчика швидкості руху підводного робота, установленого на корпусі підводного робота, входу третього блока виділення модуля й другому входу третього суматора, шостий суматор, другий вхід якого з'єднаний з виходом четвертого блока множення, п'ятий блок множення, сьомий суматор, підсилювач, двигун і гвинт, жорстко пов'язаний з валом двигуна, а також послідовно з'єднані датчик швидкості обертання вала двигуна, установлений на цьому валу, четвертий блок виділення модуля, восьмий суматор, шостий блок множення, дев'ятий суматор, перший нелінійний елемент, другий нелінійний елемент, вхід якого підключений до другого входу четвертого блока множення, перший блок ділення, другий вхід якого з'єднаний з виходом десятого суматора, перший вхід якого підключений до виходу п'ятого суматора й через квадратор - до другого входу дев'ятого суматора, сьомий блок множення, другий вхід якого з'єднаний з виходом четвертого блока виділення модуля, другим входом п'ятого блока множення й першим входом восьмого блока множення, вихід якого підключений до другого входу сьомого суматора, одинадцятий суматор, другий вхід якого з'єднаний з виходом шостого суматора, а третій вхід - із третім входом шостого суматора, другим входом десятого суматора, другим входом восьмого блока множення й виходом восьмого суматора, дев'ятий блок множення, другий вхід якого підключений до другого входу четвертого блока множення, другого входу третього блока множення й через третій релейний елемент - до виходу датчика швидкості обертання вала двигуна, третього входу сьомого суматора, четвертого входу одинадцятого суматора, другого входу восьмого суматора, другого входу шостого блока множення й третього входу п'ятого суматора, третій нелінійний елемент, другий блок розподілу, вихід якого з'єднаний із четвертим входом сьомого суматора, а другий вхід - з виходом дванадцятого суматора, перший вхід якого підключений до виходу четвертого суматора, а другий вхід - до виходу п'ятого блока множення й другого входу четвертого суматора. У вказаній системі керування визначення керуючого сигналу проводиться на основі математичної моделі об'єкта з урахуванням нелінійностей. Основною проблемою є висока складність визначення коефіцієнтів системи керування, а також параметрів моделі, що унеможливлює синтез такої системи в умовах невизначеності цих параметрів. Крім того, вона вирішує лише задачу керування прямолінійним рухом за допомогою одного гвинта і не підходить для одночасного керування лінійним і обертовим рухами в системі з двома гвинтами. 1 UA 101202 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ставиться задача удосконалення системи автоматичного керування рухом ПА в горизонтальній площині шляхом додаткового введення елементів обчислення керуючих впливів на електродвигуни двох гребних гвинтів, що приводить до можливості одночасного керування прямолінійним і обертовим рухами ПА в горизонтальній площині й можливості синтезу системи керування в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА. Поставлена задача вирішується тим, що в системі автоматичного керування рухом ПА в горизонтальній площині, яка містить задавач вхідного сигналу, датчик лінійної швидкості руху підводного апарата, датчик частоти обертання гребного гвинта, канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун, гребний гвинт, а також підводний апарат як об'єкт керування, відповідно до винаходу створено другий канал виконавчого механізму для забезпечення окремого керування правим і лівим гребними гвинтами, в який введено послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун, гребний гвинт, також введені датчик кутової швидкості руху підводного апарата, датчик частоти обертання гребного гвинта по другому каналу, обчислювач керуючих сигналів для обох каналів, входи якого зв'язані із задавачем вхідного сигналу, датчиками лінійної і кутової швидкостей апарата й частоти обертання кожного з гвинтів, а виходи - з силовими перетворювачами каналів виконавчих механізмів правого і лівого гребних гвинтів, перший апроксиматор, зв'язаний входами і виходами з обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності приросту лінійної швидкості і прискорення руху підводного апарата від його поточного стану та суми упорів гвинтів на основі попередньо отриманих даних, другий апроксиматор, зв'язаний входами і виходами з обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності приросту кутової швидкості і прискорення руху підводного апарата від його поточного стану та різниці упорів гвинтів на основі попередньо отриманих даних, третій апроксиматор, зв'язаний входами і виходами з обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності упора правого гребного гвинта від його поточного стану та керуючого сигналу на основі попередньо отриманих даних, четвертий апроксиматор, зв'язаний входами і виходами з обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності упора лівого гребного гвинта від його поточного стану та керуючого сигналу на основі попередньо отриманих даних. Суть пропозиції полягає в наступному. Інтервал керування tc (наприклад, 0,01 секунди) розбивається на 2 ділянки (протягом tc/2=0,005 с кожна), на протязі яких послідовно подаються по 2 значення керуючої напруги на кожний канал керування (лівий і правий): ur1 i ur2 - значення напруги для правого гвинта на першому та другому півінтервалі, відповідно; u/1 і u/2 - аналогічні значення для лівого гвинта. В залежності від керуючих сигналів та поточного стану об'єкта будемо мати деякі значення упорів правого і лівого гвинтів Т r1 і Т/1 в кінці першого півінтервалу (через tc/2), а також Тr2 і Т/2 - в кінці другого півінтервалу (ще через tc/2, тобто через tc/2 від початку). В залежності від сумарних упорів Т х1, Tx2 в кінці першого та другого півінтервалів будемо мати через tc деякі кінцеві значення лінійної швидкості Vx й прискорення dVx/dt, де Tх1=Тr1+T/1; Тх2=Тr2+T/2. В залежності від різниць упорів ТM1, ТM2 в кінці першого та другого півінтервалів будемо мати через tc деякі кінцеві значення кутової швидкості ωy і прискорення dωy/df, де ТM1=Тr1-Т/1; ТM2=Тr2-Т/2. Задача системи керування полягає в тому, щоб підібрати необхідні значення упорів T х1, Tx2, TM1, ТM2, які забезпечать задані значення лінійної і кутової швидкостей, потім перерахувати їх в необхідні значення упорів лівого й правого гвинтів за формулами Тr1=(Tх1+ТM1)/2, T/1=(Tх1-TМ1)/2, Tr2=(Tx2+ТM2)/2, T/2=(Tx2-TM2)/2, а потім підібрати необхідні значення керуючих сигналів ur1, ur2, u/1, u/2, які забезпечать потрібні упори T r1, Тr2, Т/1, T/2. Підбір значень проводиться за допомогою відповідних апроксиматорів на базі штучних нейронних мереж, які навчені на основі попередньо знятих експериментальних даних. Таким чином вирішується задача одночасного керування лінійним та обертовим рухами. Крім того, така система керування може бути синтезована в умовах невизначеності параметрів математичної моделі підводного апарата, що не може бути здійснено за схемою прототипу. Структурна схема пропонованої системи показана на кресленні. Система автоматичного керування рухом підводного апарата в горизонтальній площині містить: послідовно з'єднані перший силовий перетворювач 1, виходом якого є напруга живлення U/, перший електродвигун 2, який забезпечує кутову частоту обертання ω / лівого гвинта 3, що розвиває упор T /. Послідовно з'єднані другий силовий перетворювач 4, виходом якого є напруга живлення Ur, другий електродвигун 5, який забезпечує кутову частоту обертання ωr правого гвинта 6, що розвиває упор T r. Підводний апарат 7, як об'єкт керування, оснащений датчиком 8 лінійної швидкості руху ПА по осі х, датчиком 9 кутової швидкості обертання ПА навколо осі у, датчиком 10 частоти обертання лівого гребного гвинта, зв'язаним з гвинтом 3; 2 UA 101202 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 датчиком 11 частоти обертання правого гребного гвинта, зв'язаним з гвинтом 6. Задавач вхідного сигналу 12, який задає значення лінійної швидкості й прискорення, кутової швидкості й прискорення згідно з програмою руху, виходами зв'язаний з обчислювачем 13. Обчислювач керуючих сигналів 13 для лівого і правого каналів входами зв'язаний із задавачем 12, датчиками 8, 9 і датчиками 10 і 11, а виходами - з першим і другим силовими перетворювачами 1 і 4. Перший другим силовими перетворювачами 1 і 4. Перший апроксиматор 14 зв'язаний входами і виходами з обчислювачем 13 і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, який відтворює залежність приросту лінійної швидкості й прискорення руху ПА від його поточної швидкості та суми упорів гвинтів на початку, в середині й кінці інтервалу керування tc на основі попередньо отриманих даних. Другий апроксиматор 15 зв'язаний входами і виходами з обчислювачем 13 і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, який відтворює залежність приросту кутової швидкості й прискорення руху ПА від його поточної кутової швидкості та різниць упорів гвинтів на початку, в середині й кінці інтервалу керування tc на основі попередньо отриманих даних. Третій апроксиматор 16 зв'язаний входами і виходами з обчислювачем 13 і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, який відтворює залежність упору лівого гребного гвинта від його поточної швидкості обертання, поточної лінійної швидкості ПА та керуючого сигналу по лівому каналу на основі попередньо отриманих даних. Четвертий апроксиматор 17 зв'язаний входами і виходами з обчислювачем 13 і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, який відтворює залежність упора правого гребного гвинта від його поточної швидкості обертання, поточної лінійної швидкості ПА та керуючого сигналу по правому каналу на основі попередньо отриманих даних. Апроксиматор 14 реалізує залежність: (ΔVx, dVx/dt)=f(Vx0, Тx0, Tx1, Тх2), де ΔVx=Vз-Vx0 - різниця між заданою Vз швидкістю, яка має бути через tc, та фактичною швидкістю Vx0; Tx0 - сумарний упор гребних гвинтів в початковий момент часу. Апроксиматор 15 реалізує залежність: (Δωу, dωy/dt)=f(ωу0, ТM0, ТM2, ТM2), де Δωу=ωуз-ωу0 - різниця між заданою ωуз кутовою швидкістю, яка має бути через tc, та фактичною швидкістю ωу0; ТM0 - різниця упорів гребних гвинтів в початковий момент часу. Апроксиматор 16 реалізує залежність: T/=f(Vx0, ω/0, u/), де Т/ - упор, створюваний лівим гребним гвинтом; ω/0 - частота обертання лівого гребного гвинта в початковий момент часу; u/ - керуючий сигнал по лівому каналу. Апроксиматор 17 реалізує залежність: Tr=f(Vx0, ωr0, ur), де Тr - упор, створюваний правим гребним гвинтом; ω r0 - частота обертання правого гребного гвинта в початковий момент часу; ur - керуючий сигнал по правому каналу. Апроксиматори 16 і 17 будуть однаковими, якщо такими є лівий і правий канали (містять однакові силові перетворювачі, електродвигуни й гребні гвинти). До складу системи керування входять пристрої з 13 по 17. Апроксиматори 14-17 містять по одній або по декілька штучних нейронних мереж, алгоритми роботи яких описані в літературі (Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. - М.: «Горячая линия - Телеком», 2002. - С. 10-20, с. 89-134 [1]). Апроксиматори та обчислювач можуть бути реалізовані програмно на базі ЕОМ або загальновідомих мікроконтролерів (Motorola, Intel, РІСконтролери). Пропонована система працює наступним чином. З інтервалом часу tc система керування опитує датчики 8, 9, 10, 11 і задавач вхідного сигналу 12. Обчислювач 13 розраховує, якими мають бути прирости кутової і лінійної швидкостей руху ПА за час наступного інтервалу tc і якими мають бути миттєві значення прискорень наприкінці цього інтервалу (згідно з законом керування, що надходить із задавача вхідного сигналу 12). Потім обчислювач 13 багаторазово звертається до апроксиматора 14, послідовно перебираючи всі допустимі комбінації значень упорів T х1 і Tx2, поки не визначить такі значення, які забезпечать потрібні приріст швидкості й прискорення. Потім обчислювач 13 багаторазово звертається до апроксиматора 15, послідовно перебираючи всі допустимі комбінації значень різниць упорів Т М1 і ТM2, поки не визначить такі значення, які забезпечать потрібні приріст кутової швидкості й прискорення. Далі обчислювач розраховує T r1, Тr2, Т/1, Т/2. Потім обчислювач 13 багаторазово звертається до апроксиматора 16, підбираючи спочатку значення керуючої напруги u/1, яке забезпечить упор Т/1, потім значення u/2, яке забезпечить упор T/2. Потім обчислювач 13 багаторазово звертається до апроксиматора 17, підбираючи спочатку значення керуючої напруги ur1, яке забезпечить упор Тr1, потім значення ur2, яке 3 UA 101202 C2 5 10 забезпечить упор Тr2. Далі протягом проміжку часу tc на виконавчі механізми (силові перетворювачі 1 і 4, з якими послідовно зв'язані електродвигуни 2 і 5 і гребні гвинти 3 і 6, відповідно) подаються спочатку перші, потім другі значення керуючої напруги. В кінці інтервалу tc ПА 7 буде мати не тільки необхідні лінійну й кутову швидкості, але й прискорення, які забезпечать подальшу плавну динаміку його руху без різких ривків керуючої напруги і коливань швидкостей. На наступному кроці дискретизації знов опитуються датчики 8, 9, 10, 11, задавач вхідного сигналу 12, і процес генерації керуючого сигналу повторюється на наступний інтервал tc. Таким чином, вирішується задача одночасного керування прямолінійним і обертовим рухами ПА в горизонтальній площині, а також забезпечується можливість синтезу системи керування в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 Система автоматичного керування рухом підводного апарата в горизонтальній площині, яка містить задавач вхідного сигналу, датчик лінійної швидкості руху підводного апарата, датчик частоти обертання першого гребного гвинта, перший канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані перший силовий перетворювач, перший електродвигун, перший гребний гвинт, а також підводний апарат як об'єкт керування, яка відрізняється тим, що перший гребний гвинт є лівим гвинтом; система містить другий канал виконавчого механізму для забезпечення окремого керування другим гребним гвинтом; в другий канал введено послідовно з'єднані другийсиловий перетворювач, другий електродвигун, другий гребний гвинт, що є правим гвинтом; також система містить датчик кутової швидкості руху підводного апарата, датчик частоти обертання другого гребного гвинта, обчислювач керуючих сигналів для обох каналів, входи якого зв'язані із задавачем вхідного сигналу, датчиками лінійної і кутової швидкостей апарата й частоти обертання кожного з гвинтів, а виходи - з силовими перетворювачами каналів виконавчих механізмів правого і лівого гребних гвинтів, перший апроксиматор, зв'язаний входами і виходами з обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності приросту лінійної швидкості і прискорення руху підводного апарата від його поточного стану та суми упорів гвинтів на основі попередньо отриманих даних, другий апроксиматор, зв'язаний входами і виходами з обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності приросту кутової швидкості і прискорення руху підводного апарата від його поточного стану та різниці упорів гвинтів на основі попередньо отриманих даних, третій апроксиматор, зв'язаний входами і виходами з обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності упора другого гребного гвинта від його поточного стану та керуючого сигналу на основі попередньо отриманих даних, четвертий апроксиматор, зв'язаний входами і виходами з обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності упора першого гребного гвинта від його поточного стану та керуючого сигналу на основі попередньо отриманих даних. 4 UA 101202 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5