MIROSŁAW TOMERA WIELOOPERACYJNE STEROWANIE RUCHEM STATKU W UKŁADZIE O STRUKTURZE PRZEŁĄCZALNEJ

Podobne dokumenty
Automatyzacja i sterowanie statkiem

1. Ocena osiągnięcia naukowego

Podstawy Automatyzacji Okrętu

Politechnika Gdańska Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa St. inż. I stopnia, sem. IV, Transport. Luty Automatyzacja statku 1.

Marzec Politechnika Gdańska Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa St. inż. I stopnia, sem. IV, Oceanotechnika, ZiMwGM

Tematy prac dyplomowych w Katedrze Awioniki i Sterowania Studia I stopnia (inżynierskie)

Automatyka i sterowania

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

1. POJĘCIA PODSTAWOWE I RODZAJE UKŁADÓW AUTOMATYKI

KOMPUTEROWY MODEL UKŁADU STEROWANIA MIKROKLIMATEM W PRZECHOWALNI JABŁEK

RECENZJA. 1. Podstawy prawne i formalne recenzji

Tematy magisterskie: Lp. Sugerowany stopień, kierunek studiów oraz specjalność Elektrotechnika Magisterska Dr hab. inż.

Tematy prac dyplomowych w Katedrze Awioniki i Sterowania. Studia: I stopnia (inżynierskie)

AiR_TR2_5/9 Teoria Regulacji II Control Theory II. Automatyka i Robotyka I stopień ogólno akademicki studia niestacjonarne

Tematy prac dyplomowych w Katedrze Awioniki i Sterowania Studia II stopnia (magisterskie)

Laboratoria badawcze

MECHANIKA 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Podstawy mechaniki. Maciej Pawłowski

Mechanika Robotów. Wojciech Lisowski. 5 Planowanie trajektorii ruchu efektora w przestrzeni roboczej

Modelowanie, sterowanie i symulacja manipulatora o odkształcalnych ramionach. Krzysztof Żurek Gdańsk,

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Modelowanie systemów mechatronicznych Platformy przetwarzania danych

Podstawy automatyki. Energetyka Sem. V Wykład 1. Sem /17 Hossein Ghaemi

Analiza mechanizmu korbowo-suwakowego

Symulacja działania sterownika dla robota dwuosiowego typu SCARA w środowisku Matlab/Simulink.

lp tematy pracy promotor dyplomant data otrzymania tematu uwagi ZAKŁAD URZĄDZEŃ NAWIGACYJNYCH

AiR_TR2_5/9 Teoria Regulacji II Control Theory II. Automatyka i Robotyka I stopień ogólno akademicki studia stacjonarne

Obiekt. Obiekt sterowania obiekt, który realizuje proces (zaplanowany).

Temat pracy dyplomowej Promotor Dyplomant CENTRUM INŻYNIERII RUCHU MORSKIEGO. prof. dr hab. inż. kpt.ż.w. Stanisław Gucma.

Automatyka i Regulacja Automatyczna Laboratorium Zagadnienia Seria II

Temat 1. Wprowadzenie do nawigacji robotów mobilnych. Dariusz Pazderski Opracowanie w ramach programu ERA Inżyniera

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

Układ regulacji ze sprzężeniem zwrotnym: - układ regulacji kaskadowej - układ regulacji stosunku

MODEL STANOWISKA DO BADANIA OPTYCZNEJ GŁOWICY ŚLEDZĄCEJ

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA AUTOMATYKI. Robot do pokrycia powierzchni terenu

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Podstawy automatyki Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

Opinia o pracy doktorskiej pt. On active disturbance rejection in robotic motion control autorstwa mgr inż. Rafała Madońskiego

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Studia pierwszego stopnia

WYMAGANIA EDUKACYJNE PRZEDMIOT : FIZYKA ROZSZERZONA

Dynamika samochodu II Vehicle Dynamics II

1. Podstawowe pojęcia

Wpływ tarcia na serwomechanizmy

Wysokowydajne falowniki wektorowe Micno KE300.

Instrukcja do ćwiczenia 6 REGULACJA TRÓJPOŁOŻENIOWA

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Załącznik 2 Tabela odniesień efektów kierunkowych do efektów obszarowych

Tomasz Żabiński,

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

UKŁAD AUTOMATYCZNEJ REGULACJI SILNIKA SZEREGOWEGO PRĄDU STAŁEGO KONFIGUROWANY GRAFICZNIE

UKŁADY WIELOCZŁONOWE Z WIĘZAMI JEDNOSTRONNYMI W ZASTOSOWANIU DO MODELOWANIA ZŁOŻONYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

dynamiki mobilnego robota transportowego.

STEROWANIE ROZMYTE KURSEM I ZANURZENIEM POJAZDU PODWODNEGO BADANIA SYMULACYJNE I EKSPERYMENTALNE

Podstawy Automatyki. Wykład 6 - Miejsce i rola regulatora w układzie regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Układy sterowania robotów przemysłowych. Warstwa programowania trajektorii ruchu. Warstwa wyznaczania trajektorii ruchu.

BADANIE METOD I PROJEKTOWANIE USŁUG LOKALIZACYJNYCH W SIECIACH RADIOKOMUNIKACYJNYCH

PROGRAM KSZTAŁCENIA dla kierunku automatyka i robotyka studiów pierwszego stopnia o profilu ogólnoakademickim

Prowadzący(a) Grupa Zespół data ćwiczenia Lp. Nazwisko i imię Ocena LABORATORIUM 4. PODSTAW 5. AUTOMATYKI

Symulacyjne badanie wpływu systemu PNDS na bezpieczeństwo i efektywność manewrów

Dynamika procesu zmienna stała. programowalne zmiany parametrów r.

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

MECHANIKA 2 Wykład 7 Dynamiczne równania ruchu

Wprowadzenie do technik regulacji automatycznej. prof nzw. dr hab. inż. Krzysztof Patan

Automatyka i Regulacja Automatyczna SEIwE- sem.4

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

Sterowanie napędów maszyn i robotów

MECHANIKA 2 KINEMATYKA. Wykład Nr 5 RUCH KULISTY I RUCH OGÓLNY BRYŁY. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Automatyka i Robotyka II stopień ogólno akademicki studia niestacjonarne. wszystkie Katedra Automatyki i Robotyki Dr inż.

ODKSZTAŁCENIA I ZMIANY POŁOŻENIA PIONOWEGO RUROCIĄGU PODCZAS WYDOBYWANIA POLIMETALICZNYCH KONKRECJI Z DNA OCEANU

Manipulatory i roboty mobilne AR S1 semestr 5

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Teoria Maszyn i Mechanizmów

OBSZARY BADAŃ NAUKOWYCH

Symulacje komputerowe

SPOSOBY POMIARU KĄTÓW W PROGRAMIE AutoCAD

Laboratorium Podstaw Robotyki ĆWICZENIE 4

Problemy optymalizacji układów napędowych w automatyce i robotyce

Zintegrowany system wizualizacji parametrów nawigacyjnych w PNDS

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 1

Podstawy Automatyki. Wykład 7 - obiekty regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Lista zagadnień kierunkowych pomocniczych w przygotowaniu do egzaminu dyplomowego magisterskiego Kierunek: Mechatronika

Literatura: Maciej Gucma, Jakub Montewka, Antoni Zieziula Urządzenia nawigacji technicznej Krajczyński Edward Urządzenia elektronawigacyjne

Układy sterowania: a) otwarty, b) zamknięty w układzie zamkniętym, czyli w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (układzie regulacji automatycznej)

Badanie kaskadowego układu regulacji na przykładzie serwomechanizmu

Sposób sterowania ruchem głowic laserowego urządzenia do cięcia i znakowania/grawerowania materiałów oraz urządzenie do stosowania tego sposobu

PROGRAMOWANIE DYNAMICZNE W ROZMYTYM OTOCZENIU DO STEROWANIA STATKIEM

Automatyzacja. Ćwiczenie 9. Transformata Laplace a sygnałów w układach automatycznej regulacji

PL B1. Sposób sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego i układ sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego

Automatyka i robotyka ETP2005L. Laboratorium semestr zimowy

Sterowniki Programowalne (SP)

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

UCHWAŁA NR 26/2016. SENATU AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ im. Bohaterów Westerplatte z dnia 02 czerwca 2016 roku

Recenzenci Stefan Mynarski, Waldemar Tarczyński. Redaktor Wydawnictwa Anna Grzybowska. Redaktor techniczny Barbara Łopusiewicz. Korektor Barbara Cibis

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

Manipulator OOO z systemem wizyjnym

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

3.0 FALOWNIKI ASTRAADA DRV

Kierunkowy efekt kształcenia opis

S Y L A B U S P R Z E D M I O T U. Urządzenia wykonawcze Actuators, design and function

Laboratorium z Napęd Robotów

OPRACOWANIE ZAŁOŻEŃ I REALIZACJA LABORATORYJNEGO SYMULATORA DO BADANIA MODUŁU PODPOWIEDZI

Metodyka projektowania systemów sterowania Uwagi wstępne

Serwomechanizmy sterowanie

Transkrypt:

MIROSŁAW TOMERA WIELOOPERACYJNE STEROWANIE RUCHEM STATKU W UKŁADZIE O STRUKTURZE PRZEŁĄCZALNEJ Gdynia 2018

RECENZENCI: prof. dr hab. inż. Roman Śmierzchalski dr hab. inż. Witold Gierusz, prof. nadzw. AMG REDAKCJA I KOREKTA: Ewa Giedziun SKŁAD I OPRACOWANIE GRAFICZNE: Jolanta Białous Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni WYDAWCA: AKADEMIA MORSKA W GDYNI ul. Morska 81-87 81-225 Gdynia www.am.gdynia.pl Wszelkie prawa autorskie i wydawnicze zastrzeżone ISBN 978-83-7421-285-4

SPIS TREŚCI Strona SPIS WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ... 7 WSTĘP... 9 1. MODELOWANIE MATEMATYCZNE STATKU... 17 1.1. Wprowadzenie... 17 1.2. Kinematyka... 19 1.2.1. Układy współrzędnych kartezjańskich... 19 1.2.2. Kinematyka w układzie o trzech stopniach swobody... 21 1.3. Dynamika statku... 23 1.3.1. Dynamika bryły sztywnej... 23 1.3.2. Siły i momenty hydrodynamiczne... 24 1.4. Modele uproszczone dynamiki statku... 27 1.4.1. Model Davidsona i Schiffa... 27 1.4.2. Modele Nomoto... 28 2. ZAGADNIENIA ZWIĄZANE Z AUTOMATYCZNYM STEROWANIEM RUCHEM STATKU... 30 2.1. Wprowadzenie... 30 2.2. Planowanie trajektorii zadanej... 32 2.2.1. Trajektoria zadana w postaci linii łamanej... 32 2.2.2. Trajektoria zadana w postaci linii gładkiej... 33 2.3. Kierowanie... 34 2.4. Nawigacja... 39 2.4.1. Wybrane urządzenia pomiarowe... 40 2.4.2. Filtracja i estymacja zmiennych stanu... 41 2.5. Sterowanie... 43 2.5.1. Sterowanie na kursie... 44 2.5.2. Sterowanie układami dynamicznego pozycjonowania... 45 2.5.3. Sterowanie wzdłuż zadanej trajektorii będącej linią łamaną... 46 2.5.4. Sterowanie wzdłuż zadanej trajektorii będącej linią gładką... 48 3. UKŁAD STEROWANIA RUCHEM STATKU O STRUKTURZE PRZEŁĄCZALNEJ... 50 3.1. Zadanie sterowania ruchem statku... 51 3.2. Układy przełączalne stosowane w sterowaniu... 52 3.3. Struktura układu sterowania ruchem statku... 57

4 M. Tomera, Wielooperacyjne sterowanie ruchem statku w układzie o strukturze przełączalnej Strona 3.4. Planowanie trajektorii zadanej... 61 3.5. Nadrzędny układ przełączający... 66 3.5.1. Manewrowanie statkiem przy małych prędkościach (Tryb 1)... 66 3.5.2. Podążanie wzdłuż odcinka zadanego (Tryb 2)... 68 3.5.3. Śledzenie kursu zadanego (Tryb 3)... 69 3.5.4. Zatrzymywanie ruchu statku (Tryb 4)... 71 3.5.5. Struktura układu decyzyjnego... 72 3.5.6. Zasada działania nadrzędnego układu przełączającego... 74 3.6. Estymacja prędkości ruchu statku... 77 3.7. Zbiór regulatorów bezpośredniego działania... 78 3.7.1. Wielowymiarowy regulator precyzyjny (Regulator 1)... 78 3.7.2. Bezpośredni regulator trajektorii (Regulator 2)... 82 3.7.3. Regulator prędkości wzdłużnej statku (Regulator 3)... 84 3.7.4. Regulator kursu statku (Regulator 4)... 86 3.7.5. Wielowymiarowy regulator małych prędkości (Regulator 5)... 87 3.8. Podsumowanie... 89 4. BADANIE UKŁADU STEROWANIA O STRUKTURZE PRZEŁĄCZALNEJ... 91 4.1. Wyznaczenie wartości parametrów dla układów sterowania i nawigacji... 92 4.1.1. Obserwator prędkości ruchu statku... 92 4.1.2. Regulatory bezpośredniego działania... 93 4.1.3. Układ nadrzędny... 101 4.2. Scenariusze nawigacyjne... 101 4.2.1. Scenariusz nawigacyjny nr 1... 102 4.2.2. Scenariusz nawigacyjny nr 2... 111 4.2.3. Scenariusz nawigacyjny nr 3... 118 4.3. Podsumowanie... 128 WNIOSKI... 129 ZAŁĄCZNIKI... 133 Załącznik A. MODEL MATEMATYCZNY STATKU TRENINGOWEGO BLUE LADY... 135 A.1. Równania opisujące zawartość macierzy modelu... 139 A.1.1. Macierz bezwładności... 139 A.1.2. Macierz Coriolisa i dośrodkowa... 140 A.1.3. Macierz tłumienia... 140

5 M. Tomera. Wielooperacyjne sterowanie ruchem statku w układzie o strukturze przełączalnej Strona A.2. Siły i momenty wytwarzane przez układy wykonawcze zamontowane na statku treningowym Blue Lady... 141 A.2.1. Dziobowy obrotowy ster strumieniowy... 143 A.2.2. Dziobowy tunelowy ster strumieniowy... 144 A.2.3. Rufowy tunelowy ster strumieniowy... 145 A.2.4. Rufowy obrotowy ster strumieniowy... 147 A.2.5. Napęd główny... 148 A.2.6. Ster płetwowy... 150 A.2.7. Model zakłóceń zewnętrznych... 153 Załącznik B. DYSKRETNY FILTR KALMANA... 155 Załącznik C. BADANE TRAJEKTORIE ZADANE RUCHU STATKU... 162 C.1. Scenariusz nawigacyjny nr 1... 163 C.2. Scenariusz nawigacyjny nr 2... 165 C.3. Scenariusz nawigacyjny nr 3... 167 C.4. Algorytm do wyznaczania parametrów trajektorii zadanej... 170 Załącznik D. BADAWCZA PLATFORMA SPRZĘTOWA I PROGRAMOWA... 172 BIBLIOGRAFIA... 177 STRESZCZENIE W JĘZYKU POLSKIM... 197 STRESZCZENIE W JĘZYKU ANGIELSKIM... 199

STRESZCZENIE Niniejsza monografia wpisuje się w nurt tematyczny związany z automatycznym sterowaniem ruchem statku nawodnego, a w szczególności z rozwojem algorytmów sterowania przeznaczonych dla statków bezzałogowych, których pojawienie się spodziewane jest w niedalekiej przyszłości. W pracy rozpatrzony został jeden z aspektów takiego sterowania ruchem statku, polegający na realizacji trasy rejsu z miejsca cumowania, znajdującego się w porcie wyjściowym, do nowego miejsca cumowania, znajdującego się w porcie docelowym. Przemieszczenie statku na tak zdefiniowanej trasie przejścia wymagało zaprojektowania układu sterowania, umożliwiającego wykonanie różnych zadań obejmujących: odbijanie i przybijanie statku do brzegu, manewrowanie w porcie, ruch statku wzdłuż zadanej trasy rejsu z prędkościami marszowymi i zatrzymywanie ruchu statku. Zaplanowana trasa przejścia dla poruszającego się statku opisana została za pomocą trajektorii zadanej, składającej się ze zbioru punktów zwrotu, obejmujących zadane prędkości ruchu statku i połączonych odcinkami prostoliniowymi. Realizację zadań, zaplanowanych do wykonania i zapisanych w trajektorii zadanej, można było podzielić na pewne etapy, obejmujące: manewrowanie w porcie lub w bardzo wąskich kanałach nawigacyjnych, podążanie wzdłuż liniowego odcinka trajektorii zadanej, zatrzymywanie na trasie, pozwalające na wytracenie prędkości przez statek, realizowane przy przechodzeniu do operacji związanych z manewrowaniem. Spowodowało to konieczność zastosowania odrębnych algorytmów sterowania do realizacji tych zadań, a także odpowiedni układ przełączania pomiędzy nimi, przy jednoczesnym zachowaniu stabilności podczas tych przełączeń. W rozdziale pierwszym wprowadzono oznaczenia, stosowane do opisu ruchu statku, który w najogólniejszej postaci rozważany jest w sześciu stopniach swobody, oraz zaprezentowano modele matematyczne dynamiki statku, które posłużyły do syntezy regulatorów przełączalnych, wykorzystywanych w różnych trybach operacyjnych ruchu statku. W związku z tym, że w niniejszej pracy rozważane jest sterowanie ruchem statku po powierzchni wody, opis ruchu statku został ograniczony do trzech stopni swobody: w kierunkach wzdłużnym x, poprzecznym y i obrotu kątowego. Zakładając ruch jedynie w płaszczyźnie horyzontalnej (poziomej), wartości amplitudy ruchu związane z nurzaniem z, kołysaniami bocznymi i kiwania są pomijalne. Struktura opracowanego i zastosowanego w pracy układu sterowania ruchem statku, opiera się na koncepcji zaproponowanej przez Fossena (2002), składającej się z czterech zasadniczych modułów: planowania trajektorii zadanej, kierowania, sterowania oraz nawigacji. Przedstawiono ją w rozdziale 2. W tym samym rozdziale dokonano również przegląd światowego dorobku naukowego dla każdego z modułow składowych, z którego wynika, że rozwój algorytmów sterowania jest ściśle powiązany z rozwojem technologii, zastosowanej do automatyzacji jednostek pływających. W rozdziale 3 zaprezentowano szczegółowy opis zaproponowanej i zrealizowanej struktury układu sterowania, pozwalającej na realizację kilku zadań

198 M. Tomera. Wielooperacyjne sterowanie ruchem statku w układzie o strukturze przełączalnej operacyjnych, ułatwiających przebycie przez statek całej trasy rejsu, rozpoczynającej się w porcie wyjściowym w miejscu jego zacumowania, a kończącej się w porcie docelowym w nowym miejscu cumowania. W porównananiu z układem, opisanym w rozdziale 2, znacznej rozbudowie uległ moduł sterowania, w którym zastosowano strukturę hierarchiczną składająca się z układu nadrzędnego, zawierającego układ decyzyjny oraz z układu podrzędnego, zawierającego zbiór przełączalnych regulatorów, włączanych bezpośrednio w pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego i sterujących wybranymi, zamontowanymi na statku urządzeniami wykonawczymi. Zaproponowana koncepcja sterowania opiera się na trajektorii zadanej, będącej linią łamaną, uzyskaną z połączenia odcinkami prostoliniowymi kolejnych punktów zwrotu. W nadrzędnym układzie sterowania wyodrębnione zostały cztery operacyjne tryby pracy zaprojektowanego układu sterowania o strukturze przełączalnej. Z każdym z tych operacyjnych trybów pracy powiązany został inny zestaw regulatorów przełączalnych. W zbiorze regulatorów przełączalnych zastosowano algorytmy jednowymiarowych i wielowymiarowych regulatorów typu PID, które mają tą zaletę, że ich zasada działania jest łatwa do intuicyjnego zrozumienia. Syntezy algorytmów regulatorów przełączalnych dokonano na podstawie uproszczonych modeli matematycznych dynamiki statku, odpowiednich dla danego trybu operacyjnego ruchu statku, opisanych w rozdziale 1. W rozdziale 4 przedstawiono wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych opracowanego układu sterowania o strukturze przełączalnej, zastosowanego do sterowania ruchem statku treningowego Blue Lady. Badania symulacyjne przeprowadzono na bardzo złożonym, nieliniowym modelu matematycznym dynamiki statku, szczegółowo opisanym w załączniku A. Trajektorie zadane, wykorzystane w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych, znajdują się w załączniku C. W układzie sterowania ruchem statku zastosowano oryginalny układ sterowania o strukturze przełączalnej, wykonujący zadania zapisane w trajektorii zadanej. Wyniki badań eksperymentalnych stanowią praktyczną weryfikację opracowanego układu sterownia ruchem statku oraz algorytmów zastosowanych w regulatorach przełączalnych. Istotnym uzupełnieniem treści monografii jest załączona, licznie cytowana bibliografia, przedstawiająca wyniki prac badawczych, dotyczących zagadnień związanych ze sterowaniem ruchem nawodnych jednostek pływających i układów przełączalnych. Uzyskane wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych potwierdziły poprawność opracowanej metody sterowania ruchem statku, umożliwiającej zrealizowanie całej zaplanowanej trasy rejsu, rozpoczynającej się w miejscu cumowania w porcie wyjścia, a kończącej się w nowym miejscu cumowania w porcie docelowym. Jednak konieczne jest rozszerzenie opracowanej i przebadanej struktury automatycznego sterowania ruchem statku o możliwości unikania kolizji. Aby bezzałogowe jednostki morskie mogły działać w przyszłości w sposób autonomiczny, to bezwzględnym wymogiem jest wyposażenie ich w system unikania kolizji. Nikt nie pozwoli takim jednostkom poruszać się po morzu obok ruchu załogowego, jeśli prawdopodobieństwo zderzeń nie zostanie zredukowane do minimum.