Система автоматичного керування просторовим рухом підводного апарата підвищеної точності

Реферат: Винахід належить до суднобудування. Система автоматичного керування просторовим рухом підводного апарата підвищеної точності містить задавач вхідного сигналу, датчик горизонтальної та датчик кутової швидкості руху, зв'язані з корпусом підводного апарата, датчики частоти обертання лівого і правого гребних гвинтів, зв'язані з відповідними гвинтами, два канали виконавчого механізму, кожний з яких утворені відповідними силовими перетворювачами, електродвигунами та правим або лівим гребними гвинтами. Передбачений апроксиматор, оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності приростів лінійної і кутової швидкостей руху підводного апарата від його поточного стану та керуючих сигналів по правому і лівому каналах. Введений третій канал виконавчого механізму для забезпечення окремого керування вертикальним рухом та додаткові обчислювачі, один з яких оснащений програмою на базі алгоритму оптимізації, інший програмою на базі штучних нейронних мереж, що відтворює модель динаміки руху об'єкта по вертикальній осі. Технічним результатом є одночасне керування горизонтальним, обертовим та вертикальним рухами, тобто траєкторним просторовим рухом підводного апарата при UA 110681 C2 (12) UA 110681 C2 забезпеченні високої точності завдяки формування сигналу керування, близького до оптимального. UA 110681 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі суднобудування і призначений для підводних апаратів (ПА), які використовують для переміщення трьох гребних гвинтів з електричним приводом: два для руху в горизонтальній площині (прямолінійний та повороти навколо вертикальної осі) і один для руху по вертикалі, завдяки яким може виконуватись просторовий траєкторний рух. Відомо про адаптивну систему зі 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 горизонтальною, обертовою та вертикальною складовими просторового руху в системі з трьома гвинтами. Найбільш близьким аналогом є система автоматичного керування лінійною та кутовою швидкостями підводного апарата (Блінцов С.В., патент UA 101200 С2, опубл. 11.03.2013). Така система містить задавач вхідного сигналу, датчик лінійної та датчик кутової швидкості руху підводного апарата, зв'язані з корпусом ПА, датчики частоти обертання лівого і правого гребних гвинтів, зв'язані з відповідними гвинтами, перший канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані перший силовий перетворювач, перший електродвигун та лівий гребний гвинт, другий канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані другий силовий перетворювач, другий електродвигун та правий гребний гвинт, підводний апарат як об'єкт керування, обчислювач керуючих сигналів для обох каналів, перший і другий входи якого зв'язані з відповідними виходами задавача вхідного сигналу, третій, четвертий, п'ятий і шостий входи - відповідно з датчиками лінійної і кутової швидкостей апарата й частоти обертання правого й лівого гвинтів, а перший і другий виходи - відповідно з першим та другим силовими перетворювачами каналів виконавчих механізмів лівого і правого гребних гвинтів, 1 UA 110681 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 апроксиматор, зв'язаний шістьма входами відповідно з третім-восьмим виходами обчислювача, першим і другим виходами - відповідно з сьомим і восьмим входами обчислювача, і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності приростів лінійної і кутової швидкостей руху підводного апарата від його поточного стану та керуючих сигналів по правому і лівому каналах на основі попередньо отриманих даних. Ставиться задача удосконалення системи автоматичного керування просторовим рухом ПА шляхом додаткового введення каналу вертикального руху, який складається з силового перетворювача, електродвигуна, вертикального гребного гвинта та елементів обчислення керуючого впливу на цей канал, що приводить до можливості одночасного керування горизонтальним, обертовим та вертикальним рухами ПА в просторі з підвищеною точністю й можливості синтезу системи керування в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА. Поставлена задача вирішується тим, що в системі автоматичного керування рухом ПА, яка містить задавач вхідного сигналу, датчик горизонтальної та датчик кутової швидкості руху, зв'язані з корпусом підводного апарата, датчики частоти обертання лівого і правого гребних гвинтів, зв'язані з відповідними гвинтами, перший канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані перший силовий перетворювач, перший електродвигун та лівий гребний гвинт, другий канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані другий силовий перетворювач, другий електродвигун та правий гребний гвинт, підводний апарат як об'єкт керування, перший обчислювач керуючих сигналів для правого і лівого каналів, перший і другий входи якого зв'язані з відповідними виходами задавача вхідного сигналу, третій, четвертий, п'ятий і шостий входи - відповідно з датчиками лінійної і кутової швидкостей апарата й частоти обертання правого й лівого гвинтів, а перший і другий виходи - відповідно з першим і другим силовими перетворювачами каналів виконавчих механізмів лівого і правого гребних гвинтів, апроксиматор, зв'язаний шістьма входами відповідно з третім-восьмим виходами першого обчислювача, першим і другим виходами - відповідно з сьомим і восьмим входами першого обчислювача, і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності приростів лінійної і кутової швидкостей руху підводного апарата від його поточного стану та керуючих сигналів по правому і лівому каналам на основі попередньо отриманих даних, відповідно до винаходу створено третій канал виконавчого механізму для забезпечення окремого керування вертикальним рухом, в який введено послідовно з'єднані третій силовий перетворювач, третій електродвигун, вертикальний гребний гвинт, також введені датчик вертикальної швидкості руху, зв'язаний з корпусом підводного апарата, перший блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з датчиком вертикальної швидкості, другий блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з першим блоком затримки, другий обчислювач, зв'язаний входами з третім виходом задавача вхідного сигналу, датчиком вертикальної швидкості, першим і другим блоками затримки вихідного сигналу та третім обчислювачем, виходами - з третім силовим перетворювачем і третім обчислювачем, та оснащений програмою на базі алгоритму оптимізації (пошуку мінімуму середньоквадратичної похибки), третій обчислювач, зв'язаний входами і виходом з другим обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, що відтворює модель динаміки руху об'єкта по вертикальній осі. Суть пропозиції полягає в наступному. Система керування оснащається моделлю руху об'єкта по вертикальній осі, виконаною на базі апарата штучних нейронних мереж (ШНМмодель), та блоком оптимізації. Задачею останнього є формування послідовності керуючих сигналів певної довжини, яка забезпечить протягом наступних декількох кроків дискретизації рух вихідної координати об'єкта за траєкторією, визначеною задавачем вхідного сигналу. Для цього блок оптимізації формує набір (послідовність) сигналів керування (на початку процедури випадковим чином), подає їх на ШНМ-модель і отримує прогноз зміни вихідної координати. Потім набір сигналів керування послідовно коректується і знов подається на ШНМ-модель. І в такий спосіб вирішується задача мінімізації критерію якості керування: Ny Nu i1 J i1  yr (t  i)  ym(t  i)2   u(t  i  1)  u(t  i  2)2 , де Ny , Nu - розмір горизонту передбачення, тобто довжина послідовності прогнозованих кроків, на яких відстежується похибка керування та приріст керуючого сигналу, відповідно; y r 55 бажані значення вихідної координати, які формуються задавачем вхідного сигналу; ym спрогнозовані ШНМ-моделлю значення; u - значення керуючого сигналу;  - коефіцієнт, який відповідає за внесок в критерій якості приросту керуючого сигналу. Другий доданок дає змогу запобігати різких змін керуючого сигналу. 2 UA 110681 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким чином, блок оптимізації за допомогою ШНМ-моделі визначає оптимальну послідовність керуючих сигналів, яка забезпечить максимальну близькість прогнозованої траєкторії до бажаної (заданої). Настроювання регулятора полягає лише в навчанні ШНМ, алгоритми її роботи 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]). При цьому для навчання не потрібно проводити складний експеримент по отриманні навчальної вибірки спеціального виду. Для даного типу регулятора в системі керування ПА достатньо протягом деякого часу (до 100-200 с) подавати на вхід об'єкта керуючий сигнал, який являє собою сходинки випадкової величини (з допустимого діапазону) та випадкової довжини (в діапазоні від 1 до 10 секунд). При цьому запам'ятовуються вхідна та вихідна координати з інтервалом часу 0,01 с. По цих даних на базі персонального комп'ютера за спеціальним алгоритмом навчається штучна нейронна мережа, які апроксимує зняті дані. Потім параметри цієї мережі прописуються в апаратну ШНМ у складі регулятора, після чого регулятор готовий до роботи. Обчислення в ньому проводяться паралельно з обчисленням в іншому регуляторі, який керує рухом в горизонтальній площині (генерує керуючий сигнал для лівого і правого гвинтів). Слід зазначити, що ПА є багатозв'язним об'єктом, тобто рух по одній осі координат неможна розглядати незалежно від руху по інших, оскільки вони пов'язані між собою і впливають один на одного. Але ці взаємні впливи від інших складових для руху по даній осі можна розглядати як зовнішні збурення. Оскільки обидва регулятори, як в горизонтальній площині, так і по вертикальній осі, компенсують зовнішні збурення, то система керування просторовим рухом в цілому, що розглядається, буде функціонувати вірно. Структурна схема пропонованої системи показана на рисунку. Система автоматичного керування просторовим рухом підводного апарата підвищеної точності містить: послідовно з'єднані перший силовий перетворювач 1, виходом якого є напруга живлення UI, перший електродвигун 2, який забезпечує кутову частоту обертання I лівого гвинта 3, що розвиває упор TI; послідовно з'єднані другий силовий перетворювач 4, виходом якого є напруга живлення Ur, другий електродвигун 5, який забезпечує кутову частоту обертання r правого гвинта 6, що розвиває упор Тr; послідовно з'єднані третій силовий перетворювач 7, виходом якого є напруга живлення Uz, третій електродвигун 8, який забезпечує кутову частоту обертання z вертикального гвинта 9, що розвиває упор Tz; підводний апарат 10 як об'єкт керування, оснащений датчиком 11 горизонтальної швидкості руху по осі х, датчиком 12 кутової швидкості обертання ПА навколо осі у, датчиком 13 вертикальної швидкості ПА по осі z, датчиком 14 частоти обертання лівого гребного гвинта, зв'язаним з гвинтом 3, датчиком 15 частоти обертання правого гребного гвинта, зв'язаним з гвинтом 6; задавач вхідного сигналу 16, який задає значення горизонтальної, кутової та вертикальної швидкостей згідно з програмою руху, двома виходами зв'язаний з першим обчислювачем 17, третім виходом - з другим обчислювачем 21; перший обчислювач керуючих сигналів 17 для правого і лівого каналів, першим і другим входами зв'язаний з відповідними виходами задавача 16, третім, четвертим, п'ятим та шостим входами відповідно з датчиками 11, 12, 15 і 14, а першим і другим виходами відповідно з першим і другим силовими перетворювачами 1 і 4; апроксиматор 18, зв'язаний шістьма входами відповідно з третім-восьмим виходами обчислювача 17, першим і другим виходами - відповідно з сьомим і восьмим входами обчислювача 17, і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, яка відтворює залежність приростів лінійної і кутової швидкостей руху підводного апарата через k інтервалів керування tc від поточних значень його лінійної і кутової швидкостей і частот обертання правого й лівого гребних гвинтів, а також керуючих сигналів по правому і лівому каналам на основі попередньо отриманих даних; перший блок затримки вихідного сигналу 19, зв'язаний з датчиком швидкості 13; другий блок затримки вихідного сигналу 20, зв'язаний з першим блоком затримки 19; другий обчислювач 21, зв'язаний входами з третім виходом задавача вхідного сигналу 16, датчиком вертикальної швидкості 13, першим 19 і другим 20 блоками затримки вихідного сигналу та третім обчислювачем 22, а виходами - з третім силовим перетворювачем 7 і третім обчислювачем 22 та оснащений програмою на базі алгоритму оптимізації (пошуку мінімуму середньоквадратичної похибки); третій обчислювач 22, зв'язаний входами і виходом з другим обчислювачем 21 і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, що відтворює модель динаміки руху ПА по вертикальній осі. Апроксиматор 18 реалізує залежність: Vx, y   f V0x, y0, I, r ,uI,ur  , 3 UA 110681 C2 де Vx  Vз  Vx0 - різниця між заданою швидкістю Vз , яка має бути через 0,1 с, та фактичною швидкістю Vx0 ; y  yз  y0 - різниця між заданою кутовою швидкістю yз та фактичною швидкістю y0 . 5 10 15 20 25 30 35 40 До складу системи керування просторовим рухом входять пристрої з 17 по 22, причому блоки 17, 18 реалізують генерацію сигналу керування для руху в горизонтальній площині (лінійного та обертового), а блоки з 19 по 22 - для вертикального руху. Апроксиматор 18 та обчислювачі 17, 21 і 22 можуть бути реалізовані програмно на базі ЕОМ або загальновідомих мікроконтролерів (Motorola, Intel, РІС-контролери). Пропонована система працює наступним чином. З інтервалом часу tc система керування опитує датчики 11-15 і задавач вхідного сигналу 16. Обчислювач 17 розраховує, якими мають бути прирости кутової і лінійної швидкостей руху ПА через час k  t c (згідно з законом керування, що надходить із задавача вхідного сигналу 16), де k - довжина горизонту прогнозу. Потім обчислювач 17 багаторазово звертається до апроксиматора 18, послідовно перебираючи всі допустимі комбінації значень керуючих сигналів ur і uI поки не визначить такі значення, які забезпечать потрібні прирости обох швидкостей (горизонтальної та кутової). Паралельно з цим проводиться розрахунок керуючого сигналу для вертикального руху. Сигнал з датчика вертикальної швидкості 13, а також сигнали з блоків затримки 19 і 20, які виконують затримку сигналу на інтервал часу tc для врахування динаміки об'єкту, надходять до обчислювача 21. В ньому формується (випадковим чином) набір керуючих сигналів. Перший з цих сигналів, разом із значеннями поточної і затриманої на 1 і 2 кроки вертикальної швидкості подаються на обчислювач 22, який розраховує прогнозоване значення вертикальної швидкості через 1 крок дискретизації. Подається другий сигнал керування з набору, а разом з ним прогнозоване значення швидкості через 1 крок (розраховане раніше), поточне значення і затримане на 1 крок. Отримується прогноз швидкості через 2 кроки і т.д. до отримання прогнозу на весь горизонт, що розглядається. Обчислювач 21 розраховує критерій якості та виконує корекцію набору сигналів керування згідно з алгоритмом оптимізації. Процедура розрахунку прогнозу вихідної траєкторії повторюється для нового набору. Весь процес повторюється до отримання мінімуму критерію якості керування J. Після закінчення процедури оптимізації перший керуючий сигнал з отриманої послідовності є тим результуючим значенням uz, яке буде подаватись на виконавчий механізм. Після закінчення всіх розрахунків на виконавчі механізми (силові перетворювачі 1, 4 і 7, з якими послідовно зв'язані електродвигуни 2, 5, 8 і гребні гвинти 3, 6 і 9, відповідно) подаються значення керуючої напруги uI , ur і uz, з блока 17 на блоки 1 і 4 (uI і ur), з блока 21 - на блок 7 (uz). Ці сигнали утримуються протягом проміжку часу tc. На наступному інтервалі дискретизації знов виконуються описані розрахунки, оптимізація значень сигналів керування і подача їх на виконавчі механізми. В результаті об'єкт отримує близький до оптимального керуючий сигнал, і зміна всіх трьох швидкостей руху ПА максимально відповідає траєкторіям, що формуються задавачем. Таким чином, вирішується задача одночасного керування горизонтальним, обертовим та вертикальним рухами, тобто траєкторним просторовим рухом ПА, а також забезпечується можливість синтезу системи керування в умовах невизначеності параметрів його математичної моделі. При цьому отримана система забезпечує високу точність, формуючи близький до оптимального сигнал керування. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Система автоматичного керування просторовим рухом підводного апарата, яка містить задавач вхідного сигналу, датчик горизонтальної лінійної швидкості руху та датчик кутової швидкості руху, зв'язані з корпусом підводного апарата, датчики частоти обертання лівого і правого гребних гвинтів, зв'язані з відповідними гвинтами, перший канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані перший силовий перетворювач, перший електродвигун та лівий гребний гвинт, другий канал виконавчого механізму, що об'єднує послідовно з'єднані другий силовий перетворювач, другий електродвигун та правий гребний гвинт, підводний апарат як об'єкт керування, перший обчислювач керуючих сигналів для правого і лівого каналів, перший і другий входи якого зв'язані з відповідними виходами задавача вхідного сигналу, третій, четвертий, п'ятий і шостий входи - відповідно з датчиками лінійної і кутової швидкостей апарата й частоти обертання правого й лівого гвинтів, а перший і другий виходи - відповідно з першим і другим силовими перетворювачами каналів виконавчих механізмів лівого і правого гребних 4 UA 110681 C2 5 10 15 гвинтів, апроксиматор, зв'язаний шістьма входами відповідно з третім-восьмим виходами першого обчислювача, першим і другим виходами - відповідно з сьомим і восьмим входами першого обчислювача, і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж для апроксимації залежності приростів лінійної і кутової швидкостей руху підводного апарата від його поточного стану та керуючих сигналів по правому і лівому каналах на основі попередньо отриманих даних, яка відрізняється тим, що створено третій канал виконавчого механізму для забезпечення окремого керування вертикальним рухом, в який введено послідовно з'єднані третій силовий перетворювач, третій електродвигун, вертикальний гребний гвинт, також введені датчик вертикальної швидкості руху, зв'язаний з корпусом підводного апарата, перший блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з датчиком вертикальної швидкості, другий блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з першим блоком затримки, другий обчислювач, зв'язаний входами з третім виходом задавача вхідного сигналу, датчиком вертикальної швидкості, першим і другим блоками затримки вихідного сигналу та третім обчислювачем, виходами - з третім силовим перетворювачем і третім обчислювачем, та оснащений програмою на базі алгоритму оптимізації, що полягає у пошуку мінімуму середньоквадратичної похибки, третій обчислювач, зв'язаний входами і виходом з другим обчислювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, що відтворює модель динаміки руху об'єкта по вертикальній осі. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5