Удосконалення керування квазістаціонарним просторовим рухом самохідної прив’язної підводної системи в умовах невизначеності

Abstract

The dissertation is devoted to improvement of control of quasisteady spatial movement of a self-propelled tethered underwater system in conditions of uncertainty of its characteristics and parameters of external environment. The neural network based models of a remotely operated vehicle electro-propulsive device and the inverse spatial tether-cable model were obtained as elements of an automatic control system. The automatic control system of a self-propelled tethered underwater system based on direct and inverse models of its elements and the automatic control system of a remotely operated vehicle based on linear correction of control signals were obtained. The feedback channel of an automatic control system was improved by means of synthesis of the base coordinate neural network tether-cable model and usage of yaw and trim angles of its fast line and root end as inputs.В диссертационной работе решена актуальная научная задача автоматизации управления квазистационарным пространственным движением самоходной привязной подводной системы в условиях неопределенности путем создания и исследования системы управления на базе моделей элементов объекта управления и системы управления с линейной коррекцией сигналов управления, которые обеспечивают управляемое пространственное движение привязной системы в условиях неопределенности. Выполнен анализ режимов работы самоходной привязной подводной системы и влияния неопределенности собственных параметров и характеристик внешней среды на управляемость системы, определены управляемые и управляющие величины привязной системы. Разработан специализированный моделирующий комплекс для исследования динамики и квазистационарных режимов пространственного движения привязной системы, который включает известные прямые математические модели ее элементов и разработанные автором прямую нейросетевую модель электродвижущего комплекса, пространственные инверсные нейросетевую и аналитическую модели кабель-троса. Проведена экспериментальная проверка достоверности моделей основных элементов комплекса путем проведения бассейновых и натурных испытаний и сравнения полученных результатов с результатами компьютерного моделирования. Разработан и исследован нечеткий стабилизатор подводного аппарата на курсе. Сделан вывод о возможности устойчивой ориентации корпуса аппарата против течения и, таким образом, обосновано представление движения кабеля-троса как квазистационарного, когда к его ходовому концу приложен неизменный вектор силы электродвижущего комплекса аппарата, а присоединенными массами воды на элементах системы можно пренебречь. На основе нейронных сетей с прямым распространением сигнала и обратным распространением ошибки обучения получены прямая и инверсная нейросетевые модели электродвижущего устройства подводного аппарата для квазистационарного режима работы, что образует теоретическую основу для исследования и автоматического управления его движением. В работе получена инверсная модель пространственного кабеля-троса как элемента системы автоматического управления на основе уравнений связи плоского кабеля-троса с пространственной системой координат, уравнений подобия для характеристик кабель-троса и для параметров внешней среды, базовой инверсной нейросетевой, аналитической или табличной модели кабель-троса. Получена система автоматического управления самоходной привязной подводной системой на базе прямых и инверсных моделей ее элементов, которая обеспечивает согласованное управление подводным аппаратом и лебедкой кабель-троса и минимальное гидродинамическое влияние кабель-троса на аппарат. Максимальная расчетная погрешность не превышает 2,5% от радиуса рабочей зоны. Впервые получена система автоматического управления пространственным квазистационарным движением привязного подводного аппарата, выполняющая линейную коррекцию сигналов управления на основе предположения о линейности объекта управления в окрестности точки его текущего местонахождения и обеспечивающая управление в условиях неопределенности и отсутствия достоверных моделей элементов привязной системы. Усовершенствован канал обратной связи системы автоматического управления привязной подводной системой путем введения сенсоров углов рыскания и дифферента коренного и ходового концов кабель-троса и синтеза базовой нейросетевой координатной модели кабель-троса, что дает возможность определять пространственные координаты подводного аппарата относительно судна-носителя пассивными сенсорами. Методом компьютерного моделирования выполнен сравнительный анализ работы системы управления на базе моделей элементов самоходной привязной подводной системы с применением в ее составе табличной, нейросетевой и аналитической моделей кабель-троса. Показано, что систему с линейной коррекцией сигналов управления целесообразно использовать в составе системы управления на основе моделей элементов объекта управления для нахождения коэффициента поправки на неопределенность, или самостоятельно для управления подводным аппаратом при отсутствии достоверных моделей элементов привязной системы.У дисертації розв’язана актуальна наукова задача автоматизації керування квазістаціонарним просторовим рухом самохідної прив’язної підводної системи в умовах невизначеності характеристик її елементів і параметрів зовнішнього середовища. Одержано нейромережні моделі електрорушійного пристрою підводного апарата, інверсну модель просторового кабель-троса як елементів системи автоматичного керування. Одержано систему автоматичного керування на базі прямих та інверсних моделей елементів прив’язної системи та систему керування просторовим квазістаціонарним рухом підводного апарата, яка виконує лінійну корекцію сигналів керування. Удосконалено канал зворотного зв’язку системи автоматичного керування шляхом синтезу базової нейромережної координатної моделі кабель-троса та використання у ролі вхідних змінних кутів рискання і диференту його кінців.