gumrfВестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. МакароваVestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova2309-51802500-0551ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»10.21821/2309-5180-2023-15-5-903-914gumrf-374Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИAUTOMATION AND CONTROL OF TECHNOLOGICAL PROCESSES AND PRODUCTIONSМодальный синтез наблюдателей переменных состояния судовых динамических системModal synthesis of observers of state variables of ship dynamical systemsЧертковА. А.ChertkovA. A.

Чертков Александр Александрович - доктор технических наук, доцент

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Chertkov, Alexandr A. - Dr. of Technical Sciences, associate professor

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035

chertkov51@mail.ruКаскЯ. Н.KaskYa. N.

Каск Ярослав Николаевич - кандидат технических наук

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Kask, Yaroslav N. - PhD

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035

rgam2010@yandex.ruИванюкВ. Ю.IvanyukV. Yu.

Иванюк Владимир Юрьевич - соискатель

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская 5/7

Ivanyuk, Vladimir Yu. - Applicant

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035

kaf_electricautomatic@gumrf.ruФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»РоссияAdmiral Makarov State University of Maritime and Inland ShippingRussian Federation202310112023155903914Copyright © Чертков А.А., Каск Я.Н., Иванюк В.Ю., 20232023Чертков А.А., Каск Я.Н., Иванюк В.Ю.Chertkov A.A., Kask Y.N., Ivanyuk V.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.gumrf.ru/jour/article/view/374

Целью работы является повышение информативности систем управления судном путем применения динамических наблюдателей, являющихся, по существу, математическими датчиками информации и позволяющих с высокой точностью полностью восстанавливать вектор переменных состояния модели объекта по измерениям вектора выхода меньшей размерности. Предлагается алгоритм синтеза наблюдателей, базирующийся на модальном методе параметрической оценки их модели, который обеспечивает получение параметров регулятора по заданным спектрам матриц состояния наблюдаемой системы и объекта средствами Control Toolbox вычислительной среды MATLAB. Применение данного метода (при соблюдении условий наблюдаемости и управляемости) гарантирует обеспечение устойчивости наблюдателей, что позволяет использовать их для устойчивых и неустойчивых наблюдаемых объектов и систем. Алгоритм модального синтеза наблюдателей пригоден для повышения информативности широкого спектра судовых динамических систем и прежде всего систем управления судовыми энергетическими комплексами и их компонентами, к которым относятся авторулевые, системы управления судовыми энергетическими установками и их элементами, динамические комплексы систем спутниковой и инерциальной навигации и позиционирования подвижных объектов в условиях дистанционного управления, средства мониторинга и обеспечения безопасности, идентификаторы и др. Показано, что в условиях цифровой трансформации применение наблюдателей кардинально повышает качество и сокращает время моделирования динамики судовых систем и энергетических комплексов, эксплуатируемых в условиях внешних возмущений, что позволяет совершенствовать алгоритмы оценки переменных состояния класса автономных объектов, описываемых нелинейными уравнениями, допускающими переход в рабочей области к квазилинейным моделям с инвариантными во времени параметрами. Предложенный алгоритм продемонстрирован на примере синтеза трехмерного наблюдателя системы управления супертанкером дедвейтом 150 тыс. т. Моделирование объекта управления выполнено при входном сигнале треугольной формы, наиболее полно отвечающей реальному сигналу управления, и реализовано в виде программы, составленной в кодах MATLAB. Полученные значения переменных состояния и ошибок их восстановления соответствуют заданному быстродействию и требуемой устойчивости системы управления.

The purpose of the work is to increase the information content of ship control systems through the use of dynamic observers, which are, in essence, mathematical information sensors and allow you to fully restore the vector of state variables of the object model with high accuracy by measuring the output vector of a smaller dimension. An algorithm for the synthesis of observers based on the modal method of parametric evaluation of their model is proposed. It provides obtaining the parameters of the regulator according to the given spectra of the matrices of the state of the observed system and the object by means of the Control Toolbox of the MATLAB computing environment. The use of the modal method (subject to the conditions of observability and controllability) guarantees the stability of observers, which allows them to be used for stable and unstable observed objects and systems. The algorithm of modal synthesis of observers is suitable for increasing the information content of a wide range of ship dynamic systems and, above all, control systems for ship energy complexes and their components. These include autopilots, control systems for ship power plants and their elements, dynamic complexes of satellite and inertial navigation systems and positioning of moving objects in remote control conditions, monitoring and safety tools, identifiers, etc. It has been shown that in the conditions of digital transformation, the use of observers dramatically improves the quality and reduces the time for modeling the dynamics of ship systems and energy complexes operated under conditions of external disturbances, which makes it possible to improve the algorithms for estimating state variables of a class of autonomous objects modeled by nonlinear equations that allow the transition in the working area to quasi linear models with time-invariant parameters. The proposed algorithm is demonstrated by the example of the synthesis of a three-dimensional observer for the control system of a supertanker with deadweight of 150 thousand tons. The simulation of the control object is performed with an input signal of triangular shape, which most fully corresponds to the real control signal, and it is implemented in the form of a program compiled in MATLAB codes. The obtained values of state variables and errors of their recovery correspond to the specified speed and the required stability of the control system.

алгоритммодальный методсинтезсудномодельуправлениенаблюдатель переменных состояниявекторы выхода и управленияматрицаalgorithmmodal methodsynthesisvesselmodelcontrolobserver of state variablesoutput and control vectorsmatrixReferencesPerez T. Ship motion control: Course keeping and roll stabilization using rudder and fins / T. Perez. — Springer-Verlag London Limited, 2005. — 321 p.Perez, Tristan. Ship motion control: Course keeping and roll stabilization using rudder and fins. Springer-Verlag London Limited, 2005.Сахаров В. В. Модальный синтез оценивателя неизмеряемых переменных состояния для системы стабилизации курса судна / В. В. Сахаров, А. А. Чертков, Я. Н. Каск // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. — 2022. — № 4. — С. 7–17. DOI: 10.24143/2072-9502-2022-4-7-17.Saharov, V. V., A. A. Chertkov, and Ya. N. Kask. “Modal synthesis of estimator of unmeasured state variables for ship course stabilization system.” Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Management, Computer Science and Informatics 4 (2022): 7–17. DOI: 10.24143/2072-9502-2022-4-7-17/Чертков А. А. Модальный синтез наблюдателя переменных состояния системы автоматики речного землесоса / А. А. Чертков, В. Ю. Иванюк, Я. Н. Каск // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2022. — Т. 14. — № 5. — С. 787–797. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-5-787-797.Chertkov, Alexandr A., Vladimir Yu. Ivanyuk, and Yaroslav N. Kask. “Modal synthesis of the observer of the state variables of the river dredger automation system.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 14.5 (2022): 787–797. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-5-787-797.Сазонов А. Е. Модальный метод синтеза наблюдателя для системы управления курсом судна / А. Е. Сазонов, В. В. Сахаров, А. А. Чертков // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2016. — № 4 (38). — С. 211–223. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-4-211-223.Sazonov, А. Е., V. V. Saharov, and A. A. Chertkov. “A modal method for the synthesis of an observer for heading control.” Vestnik gоsudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. О. Мakarova 4(38) (2016): 211–223. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-4-211-223.Lewis F. L. Optimal Control. / F. L. Lewis, D. Vrabie, V. L. Syrmos. — 3rd Edition. — John Wiley and Sons, Inc., 2012. — 552 p.Lewis, Frank L., Draguna Vrabie, and Vassilis L. Syrmos. Optimal Control. 3rd Edition. John Wiley and Sons, Inc., 2012.Witkowska A. Designing a ship course controller by applying the adaptive backstepping method / A. Witkowska, R. Smierzchalski // International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. — 2012. — Vol. 22. — No. 4. — Pp. 985–997. DOI: 10.2478/v10006-012-0073-y.Witkowska, Anna, and Roman Śmierzchalski. “Designing a ship course controller by applying the adaptive backstepping method.” International Journal of Applied Mathematics and Computer Science 22.4 (2012): 985–997. DOI: 10.2478/v10006-012-0073-y.Pang C. K. Modal parametric identification of flexible mechanical structures in mechatronic systems / C. K. Pang, F. L. Lewis, T. H. Lee // Transactions of the Institute of Measurement and Control. — 2010. — Vol. 32. — Is. 2. — Pp. 137–154. DOI: 10.1177/0142331209339868.Pang, Chee Khiang, Frank L. Lewis, and Tong Heng Lee. “Modal parametric identification of flexible mechanical structures in mechatronic systems.” Transactions of the Institute of Measurement and Control 32.2 (2010): 137–154. DOI: 10.1177/0142331209339868.Dhaliwal S. S. State Estimation and Parameter Identification of Continuous-time Nonlinear Systems: Master thesis / S. S. Dhaliwal. — Ontario, Canada: Queen’s University Kingston, 2011. — 83 p.Dhaliwal, S. S. State Estimation and Parameter Identification of Continuous-time Nonlinear Systems. Master thesis. Ontario, Canada: Queen’s University Kingston, 2011.Гринкевич Я. М. Наблюдатели и оцениватели состояния в судовых системах управления / Я. М. Гринкевич, В. В. Сахаров. — СПб.: СПГУВК, 2001. — 193 с.Grinkevich, Ya.M., and V. V. Sakharov. Nablyudateli i otsenivateli sostoyaniya v sudovykh sistemakh upravleniya. SPb.: SPGUVK, 2001.Tomera M. Nonlinear controller design of a ship autopilot / M. Tomera // International Journal of Applied Mathematics and Computer Science. — 2010. — Vol. 20. — Is. 2. — Pp. 271–280. DOI: 10.2478/v10006-010-0020-8.Tomera, Mirosław. “Nonlinear controller design of a ship autopilot.” International Journal of Applied Mathematics and Computer Science 20.2 (2010): 271–280. DOI: 10.2478/v10006-010-0020-8.Агарков С. А. Параметрическая идентификация обобщенной модели Номото с помощью аппарата вариационного исчисления / С. А. Агарков, С. В. Пашенцев // Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного технического университета. — 2015. — Т. 18. — № 1. — С. 7–11.Agarkov, S.А., and S. V. Pashentsev. “Parametric identification of the Nomoto generalized model using the apparatus of variational calculus.” Vestnik of MSTU 18.1 (2015): 7–11.Веремей Е. И. Компьютерное моделирование систем управления движением морских подвижных объектов / Е. И. Веремей, В. М. Корчанов, М. В. Коровкин, C. В. Погожев. — СПб.: Изд-во НИИ Химии СПбГУ, 2002. — 370 с.Veremey, Е.I., V. М. Korchanov, М. V. Korovkin, and S. V. Pogojev. Kompjuternoe modelirovanie sistem upravlenija dvijeniem morskih podvijnyh ob’ektov. SPb.: NII Himii SPbGU, 2002.Гофман А. Д. Динамика корабля / А. Д. Гофман. — СПб.: СПГУВК, 2003. — 150 с.Gofman, А. D. Dinamika korablja. SPb.: Izd-vo SPGUWK, 2003.Садков А. В. Моделирование динамики водоизмещающего речного судна, неустойчивого на курсе / А. В. Садков // Морской Вестник. — 2012. — № 3 (43). — С. 94–96.Sadkov, А.V. “Modelirovanie dinamiki vodoizmeŝajuŝego rechnogo sudna, neustoychivogo na kurse.” Morskoy Vestnik 3(43) (2012): 94–96.Reid R. E. Design of the steering controller of a supertanker using linear quadratic control theory: A feasibility study / R. E. Reid, B. C. Mears // 1981 20th IEEE Conference on Decision and Control including the Symposium on Adaptive Processes. — IEEE, 1981. — Pp. 181–187. DOI: 10.1109/CDC.1981.269493.Reid, Robert E., and Barry C. Mears. “Design of the steering controller of a supertanker using linear quadratic control theory: A feasibility study.” 1981 20th IEEE Conference on Decision and Control including the Symposium on Adaptive Processes. IEEE, 1981. DOI: 10.1109/CDC.1981.269493.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.