Гранты

Грант РФФИ по проекту №14-48-01598

Название Проекта:

"Автоматизация профильных термохалинных измерений морской среды на основе использования управляемых ныряющих дрифтеров".

Участники проекта:

Альчаков В.В. - руководитель проекта

Балабанов А.Н. - исполнитель проекта

Лисогурский А.С. - исполнитель проекта

Цели и задачи Проекта:

Цель исследования - повышение точности и репрезентативности профильных измерений морской среды путем разработки алгоритмического и программного обеспечений, позволяющих изменять скоростные режимы движения ныряющего дрифтера, выполняющего роль платформы сбора данных, в зависимости от значений градиентов измеряемых параметров (соленость, температура, давление). По существу, речь идет о разработке новой IT-технологии и концепции ее применения для создания перспективных адаптивных измерительных систем, предназначенных для мониторинга морской среды.

Фактически проделанная работа и полученные результаты за весь период работы над проектом

Разработаны математическая и компьютерная модели, описывающие динамику вертикального движения морского автономного дрифтера с регулируемой плавучестью. Получены структуры регуляторов для создания автоматической системы управления, позволяющей с высокой точностью выводить дрифтер на заданную глубину с нулевой вертикальной скоростью за требуемое время, а также осуществлять движение с постоянной скоростью в условиях неоднородности морской среды, как одиночными устройствами, так и устройствами, объединенными в группировку для выполнения синхронных маневров погружения и всплытия. Полученные модели и эффективность работы системы управления с предложенными структурами регуляторов проверены с помощью компьютерной модели, выполненной в системе Matlab/Simulink для задачи комбинированного управления дрифтером при проведении комплексной программы измерений.

В задаче оптимизации движения дрифтера, описываемого моделью линейных дифференциальных уравнений третьего порядка при решении задачи линейно-квадратической оптимизации, удалось получить аналитическое решение. Данный результат получен при применении метода Басса в задаче поиска стабилизирующего решения алгебраического уравнения Риккати. В результате исследования было получено необходимое и достаточное условие существования решения задачи линейно-квадратической оптимизации движения дрифтера, а также найдено оптимальное управление в форме ПИД-закона.

Выполнено развитие метода Басса и резольвенты, которые, позволяют провести синтез законов управления для более сложных и точных моделей дрифтеров, и в тоже время пригодны для реализации оптимальных законов управления в бортовом компьютере дрифтера. В связи с этим были рассмотрены обобщенные задачи линейно-квадратического оптимального регулирования и слежения с обратной связью по наблюдаемой переменной. При применении метода резольвенты и уравнения Басса при поиске стабилизирующего решения алгебраического уравнения Риккати удалось выявить такие особенности задач оптимизации как высокая разрежённость известных матриц и неполная управляемость систем, описываемых линейными уравнениями состояния. В результате чего при применении указанных подходов удалось осуществить построение неполного уравнения линейной редукции, что существенно снизило количество вычислительных операций. Далее, было выведено представление для матриц линейной редукции, которое позволяет реализовать подход параллельного вычисления.

Выполнено исследование частотных критериев абсолютной устойчивости и применение аналитических методов в задаче построения быстрых методов анализа условий абсолютной устойчивости многомерных нелинейных систем. В предлагаемых методах континуальный анализ частотных условий абсолютной устойчивости с априорно задаваемыми параметрами заменяется эквивалентными условиями, подразумевающими анализ точно определенного числа значений вещественных многочленов и рациональных функций без необходимости априорного указания значений неопределенных параметров. Программная реализация соответствующих методов характеризуется значительным снижением вычислительных затрат и возможностью выполнения многопараметрического анализа устойчивости многомерных нелинейных систем.

Важнейшие результаты работы

Предложена концепция применения управляемых дрифтеров, способных реализовывать функционально сложные законы управления (адаптивные и терминальные) с целью повышения качества и расширения видов профильных измерений (автономные, групповые, с управляемым конечным состоянием, групповые синхронные, с регулируемой скоростью). Разработаны нелинейные и линейные модели управляемого движения буя-профилемера с регулируемой за счет выталкивающей силы плавучестью, при этом применялись во внимание нелинейные характеристики отдельных элементов и возможные параметрические и непараметрические возмущения. Решена задача конструирования закона адаптивного управления движением дрифтера в вертикальной плоскости, выполнен синтез структур и параметров соответствующих регуляторов, а также исследованы процессы управляемого движения в ходе измерений параметров морской среды.

Для одной из моделей дрифтера получено условие существования и аналитическое решение задачи линейно-квадратической оптимизации. На основе метода Басса удалось реализовать подход непосредственного вычисления матрицы оптимальных обратных связей, минуя предварительное вычисление стабилизирующего решения алгебраического уравнения Риккати. Предложены представления матриц линейной редукции методов резольвенты и Басса позволяющие разработать алгоритмы параллельного вычисления оптимальных законов управления.

В результате исследований сформулированы альтернативные однозначные алгебраические методы анализа условий абсолютной устойчивости систем с одной и двумя нелинейностями. Существенным преимуществом предлагаемых методов является именно однозначность анализа, т.е. отсутствие в условиях устойчивости неопределенных параметров, которые характерны для частотных и алгебраических критериев абсолютной устойчивости. В результате появляется возможность разрабатывать программное обеспечение полностью автоматизированного анализа условий абсолютной устойчивости многомерных систем управления, в том числе и с несколькими нелинейностями. Это гарантирует существенный выигрыш во времени анализа указанных нелинейных систем. Программная реализация предложенных методов характеризуется значительным снижением вычислительных затрат по сравнению с частотным подходом в применении критериев абсолютной устойчивости и позволяет выполнять многопараметрический анализ многомерных нелинейных систем, содержащий построение областей устойчивости в плоскости параметров нелинейностей, затрачивая на это сотые доли секунды.

Перечень публикаций по проекту

1. Альчаков В.В. Применение управляемых ныряющих дрифтеров как средство повышения реперзентативности профильных измерений морской среды / В.В. Альчаков // Вестник СевНТУ. Сер. Механика, энергетика, экология: сб. науч. тр. - Севастополь, 2014. - Вып. 153. - С. 133-138

2. Альчаков В.В. Система управления глубиной и скоростью погружения ныряющего автономного дрифтера / В.В. Альчаков // Вестник СевНТУ. Сер. Механика, энергетика, экология: сб. науч. тр. - Севастополь, 2014. - Вып. 153. - С. 58-60

3. Балабанов А.Н. Применение метода резольвенты и уравнения Басса в задачах линейно-квадратического оптимального регулирования и слежения с обратной связью по наблюдаемой переменной / А.Н. Балабанов // Вестник СевНТУ. Сер. Автоматизация процессов и управление: сб. науч. тр. - Севастополь, 2014. - Вып. 154. - С. 35-44

4. Балабанов А.Н. Линейно-квадратическое оптимальное управление поплавковым устройством на основе уравнения Басса / А.Н. Балабанов // Вестник СевНТУ. Сер. Механика, энергетика, экология: сб. науч. тр. - Севастополь, 2014. - Вып. 153. - С. 114-120

5. Барабанов А.Т., Лисогурский А.С. Алгебраический подход к формированию быстрых алгоритмов исследования абсолютной устойчивости // Динамические системы, 2014, том 4(32), №1-2, С.121-134

6. Альчаков В.В. Применение управляемых ныряющих дрифтеров в задачах профильных измерений морской среды / В.В. Альчаков // Труды межвузовской научно-технической конференции «Морские технологии 2014». г. Севастополь, 24-26 сентября 2014 г. - Севастополь, 2014. - С. 79

Наш выпускник -

• разработчик робототехнических систем и комплексов

• руководитель соответствующих подразделений

• разработчик систем управления и автоматики

• разработчик моделей обработки данных

• архитектор информационных систем

• специалист по проектированию

и эксплуатации локальных

вычислительных сетей

• специалист по эксплуатации

информационных систем

• системный администратор

• инженер-системотехник

• инженер-программист

Мы в контакте