Структура системы управления морским судном в режиме динамического позиционирования и ее программная реализация

Темой исследования являются все более востребованные в настоящее время для безопасной морской деятельности системы динамического позиционирования и низкоскоростного маневрирования. Отмечается, что широкое применение системы динамического позиционирования находят не только в нефтегазовой промышленности, но также и на судах снабжения, баржах и буровых установках, океанских лайнерах и грузовых судах. Разработка и анализ систем управления для эффективной работы системы управления судном с динамическим позиционированием требует использования его математической модели, на основе которой производится исследование синтезированных систем управления. В статье предлагается для моделирования общая структура системы управления судна с динамическим позиционированием. Система управления представлена совокупностью объекта управления (в данном случае морского судна), задающего устройства, устройства управления (контроллера), а также информационно-измерительной системы.
В статье рассмотрена математическая модель плоскопараллельного движения судна, описывающая движение судна в трех обобщенных координатах: поступательное продольное движение, боковой снос и рыскание. В качестве примера рассмотрены два типа судов с различными движительными системами: суда, оснащенные двумя кормовыми азимутальными винторулевыми колонками и носовым туннельным подруливающим устройством, и аналогичные суда, оборудованные носовой винторулевой колонкой. Упоры, формируемые движительными устройствами судов, определяются посредством связи с обобщенными силами и моментами через матрицу тяги для соответствующей кинематической схемы. Приведенные движительные схемы обеспечивают возможность удержания судна в режиме динамического позиционирования. Описание математических моделей представлено в виде векторно-матричных нелинейных дифференциальных уравнений. Используемый для представления математических моделей судов математический аппарат позволяет использовать модели для синтеза и моделирования систем управления. Приведены структура программной реализации системы управления, выполненная в среде Matlab, описание разработанных модулей и результаты моделирования.

1. Барахта А. В. Структура и принципы работы систем динамического позиционирования // Вестник МГТУ: Труды Мурманского государственного технического университета. — 2009. — Т. 12. — № 2. — С. 255‒258. — EDN KPYRBR.

2. Никитин Е. Д. Анализ и структура систем динамического позиционирования судов // Информационные технологии и системы: управление, экономика, транспорт, право. — 2017. — № 3(21). — С. 85‒90. — EDN YPMWQO.

3. Оськин Д. А. Математические модели динамики судов, оснащенных винторулевыми колонками // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. — 2023. — № 3. — С. 124‒132. DOI: 10.24143/2072-9502-2023-3-126-132. — EDN ZDREJJ.

4. Fossen T. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control / T. Frossen — John Wiley & Sons Ltd, 2011 DOI: 10.1002/9781119994138.

5. Liu Z. Unmanned surface vehicles: An overview of developments and challenges / Z. Liu, Y. Zhang, X. Yu, C. Yuan // Annual Reviews in Control. — 2016. — Vol. 41. — Pp. 71‒93. DOI: 10.1016/j.arcontrol.2016.04.018.

6. Alfheim H. L. Development of a dynamic positioning system for the revolt model ship / H. L. Alfheim, K. Muggerud, M. Breivik, E. F. Brekke, E. Eide, Ø. Engelhardtsen // IFAC-PapersOnLine. — 2018. — Vol. 51. — Is. 29. — Pp. 116‒121. DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.09.479.

7. Øien S. I. T. Dynamic Positioning for Small Autonomouse Surface Vessels: MS diss / S. I. T. Øien. — NTNU, 2016. — 139 p.

8. Donnarumma S. Numerical models for ship dynamic positioning / S. Donnarumma, M. Martelli, S. Vignolo // MARINE VI: proceedings of the VI International Conference on Computational Methods in Marine Engineering. — CIMNE, 2015. — Pp. 1078–1088.

9. Таушева У. А. Математическая модель судна для отладки системы управления динамическим позиционированием судна средствами SIMINTECH // Системы управления и обработки информации. — 2018. — № 1(40). — С. 44‒49. — EDN YUDZGO.

10. Калинин И. М. Компьютерная модель системы динамического позиционирования судна // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2020. — № 4(394). — С. 109‒120. DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-109-120. — EDN YHEZCX.

11. Оськин Д. А. Информационно-управляющая система сбора и передачи информации для безэкипажного судна // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2021. — № 2. — С. 24‒31. DOI: 10.24143/2073-1574-2021-2-24-31. — EDN MUSCNQ.