novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.21.566-574novtexmech-887Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSYSTEM ANALYSIS, CONTROL AND INFORMATION PROCESSINGПоследовательный компенсатор в задаче удержания положения надводного суднаConsecutive Compensator in Station-Keeping of a Surface VesselБорисовО. И.BorisovO. I.

Кандидат технических наук, доцент

г. Санкт-Петербург

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

St. Petersburg, 197101

borisov@itmo.ruДальА. Р.DahlA. R.

Аспирант

г. Тронхейм

andreas.r.dahl@ntnu.noПыркинА. А.PyrkinA. A.

Доктор технических наук, профессор

г. Санкт-Петербург

pyrkin@itmo.ruГромоваФ. Б.GromovaF. B.

Аспирант, младший научный сотрудник

г. Санкт-Петербург

fbkarashaeva@itmo.ruЩетнеР.SkjetneR.

PhD, профессор

г. Тронхейм

roger.skjetne@ntnu.noФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО"РоссияITMO UniversityRussian FederationНорвежский университет естественных и технических наукНорвегияNorwegian University of Science and TechnologyNorway2020071020202110566574Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20202020Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/887

Настоящая работа посвящена решению задачи удержания положения надводного судна с использованием метода последовательного компенсатора. Для описания движения надводного судна в плоскости рассматривается динамическая модель в параллельных координатах с тремя степенями свободы, соответствующими продольному, поперечному и вращательному движениям. Принимается, что для обеспечения полноценного маневрирования надводное судно оборудовано несколькими исполнительными приводами, конкретная конфигурация которых учитывается соответствующим распределителем упоров. Таким образом, без потери общности в рамках синтеза регулятора принимается, что многомерная структура системы характеризуется тремя входными и тремя выходными сигналами, которые, кроме того, содержат перекрестные связи между поперечным и вращательным движениями. Предполагается, что модель надводного судна содержит параметрические и сигнальные неопределенности, представленные неизвестными физическими параметрами масс и демпфирования и неизмеримыми производными регулируемых сигналов. Решаемая задача предполагает функционирование надводного судна в нестационарной среде, оказывающей влияние на объект в виде внешних возмущающих воздействий. Приведено решение задачи удержания заданного положения надводного судна с использованием метода последовательного компенсатора, который представляет собой робастный регулятор по выходу, построенный на основе принципа сильной обратной связи. Проведен анализ устойчивости системы частного характера применительно к рассматриваемому приложению. В рамках анализа перекрестные связи рассматриваются как ограниченные возмущения, что позволяет показать в системе свойства экспоненциальной устойчивости. Особое внимание в статье уделено проведению экспериментальных исследований системы динамического позиционирования влаборатории морской кибернетики (Marine Cybernetics laboratory, MC lab) Центра автономных морских операций и систем (Centre for autonomous marine operations and systems, A MOS) Норвежского университета технических и естественных наук (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU ). В рамках экспериментальных исследований отработаны два сценария: удержание положения при воздействии внешних возмущений и удержание положения в "тесте четырех углов". Проведенные эксперименты иллюстрируют работоспособность разработанной системы динамического позиционирования при практическом применении к физической модели надводного судна.

This paper addresses the problem of station-keeping of a surface vessel by means of the consecutive compensator approach. The horizontal motion of the vessel is described by a dynamic model. The model is set up in vessel parallel coordinates, with three degrees of freedom: longitudinal, transverse and rotational motion. It is assumed that the vessel is fully actuated, i.e. there is a sufficient number and type of actuators and a thrust allocation system to ensure full manoeuvrability. Thus, the control can be designed with the assumption of three independent inputs and three output signals. The longitudinal motion can be considered separately, but a cross-coupling exists between the transverse and rotational kinetics. There is uncertainty both in parameters and signals, due to the vessel mass, inertia, and damping, as well as the unmeasured derivatives. The proposed control ensures station-keeping when the vessel is subjected to external disturbances. The consecutive compensator, which is based on high-gain feedback, provides robustness. Stability analysis is presented considering the cross-terms as limited disturbances. This allows proof of exponential stability. Experimental results are included from the Marine Cybernetics Laboratory (MC lab) at the Centre for Autonomous Marine Operations and Systems (A MOS) at the Norwegian University of Science and Technology (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU ). Two scenarios are investigated: the scaled vessel is subjected to external disturbance, and the vessel executes the " four corner test". The experiments illustrate the applicability of the method.

робастное управлениепоследовательный компенсаторнадводное судноудержание заданного положениядинамическое позиционированиеrobust controlconsecutive compensatorsurface vesselstation-keepingdynamic positioningРаздел "Синтез закона управления" настоящей работы выполнен при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-19-00403). Разделы "Анализ устойчивости замкнутой системы" и "Экспериментальные исследования" настоящей работы выполнены при финансовой поддержке Исследовательского совета Норвегии (RCN) в рамках программы "Морские и береговые операции" (MAROFF), проект 210670 (D2V). Экспериментальные исследования выполнены в Центре AMOS NTNU, поддерживаемом RCN в рамках финансирования Центров передового опыта, проект 223254 (AMOS).Section "Control Law Design" of this work was supported by the Russian Science Foundation (project No. 19-19-00403). Sections "Stability A nalysis of Closed-Loop System" and "Experimental Study" of this work were supported by the Research Council of Norway (RCN) under the Maritime and Coastal Operations (MAROFF) program, project 210670 (D2V). Experiments were carried out at the Centre for Autonomous Marine Operations and Systems, supported by RCN as part of the funding of the Centers of Excellence, project 223254 (AMOS).ReferencesBalchen J. G., Jenssen N. A., Mathisen E., Sælid S. A Dynamic Positioning System Based on Kalman Filtering and Optimal Control // Modeling, Identification and Control. 1980. Vol. 1, N. 3. P. 135—163. URL: https://doi.org/10.4173/mic.1980.3.1Balchen J. G., Jenssen N. A., Mathisen E., Sælid S. A Dynamic Positioning System Based on Kalman Filtering and Optimal Control, Modeling, Identification and Control, 1980, 1(3), pp. 135—163, available at: https://doi.org/10.4173/mic.1980.3.1.Breivik M., Kvaal S., Østby P. From Eureka to K-Pos:Dynamic Positioning as a Highly Successful and Important Marine Control Technology // IFAC 10th IFAC Conference on Manoeuvring and Control of Marine Craft (MCMC). 2015. Vol. 48, N. 16. URL: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.01.001.Breivik M., Kvaal S., Østby P. From Eureka to K-Pos: Dynamic Positioning as a Highly Successful and Important Marine Control Technology, IFAC 10th IFAC Conference on Manoeuvring and Control of Marine Craft (MCMC), 2015, vol. 48 (16), available at: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.01.001.Skjetne R., Imsland L., Løset S. The A rctic DP research project: Effective station keeping in ice // Modeling, Identification and Control. 2014. Vol. 35, N. 4. P. 191—210. URL: https://doi.org/10.4173/mic.2014.4.1.Skjetne R., Imsland L., Løset S. The A rctic DP research project: Effective stationkeeping in ice, Modeling, Identification and Control, 2014, 35(4), pp. 191—210, available at: https://doi.org/10.4173/mic.2014.4.1.Романенко Н. Г., Головко С. В., Сундетов Р. И. Система динамического позиционирования для оптимального управления буксиром-толкачем с буксируемым грузом // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2016. Т. 62, № 2. С. 24—29.Romamenko N. G., Golovko S. V., Stuydentov R. I. Dynamic positioning system for optimal control of a pusher with a towed load, Vestnik Astrakhanskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta, 2016, vol. 62, no. 2, pp. 24—29 (in Russian).Бобцов А. А. Робастное управление по выходу линейной системой с неопределенными коэффициентами // Автоматика и телемеханика. 2002. № 11. С. 108—117.Bobtsov A. A. Robust Output-Control for a Linear System with Uncertain Coefficients, Avtomatika i Telemehanika, 2002, no. 11, pp. 108—117 (in Russian).Фрадков А.л. Синтез адаптивной системы стабилизации линейного динамического объекта // Автоматика и телемеханика. 1974. № 12. С. 96—103.Fradkov A. L. Synthesis of adaptive system of stabilization of linear dynamic plants, Avtomatika i Telemehanika, 1974, no. 12, pp. 96—103 (in Russian).Фрадков А.л. Квадратичные функции Ляпунова в задаче адаптивной стабилизации линейного динамического объекта // Сиб. мат. журн. 1976. № 2. С. 436—446.Fradkov A. L. Quadratic Lyapunov functions in the problem of adaptive stabilization of a linear dynamic object, Sib. mat. zhurn, 1976, no. 2, pp. 436—446 (in Russian).Власов С. М., Борисов О. И., Громов В. С., Пыркин А. А., Бобцов А. А. Алгоритмы адаптивного и робастного управления по выходу роботизированным макетом надводного судна // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17, № 1. С. 18—25. URL: https://doi.org/10.17587/mau.17.18-25.Vlasov S. M., Borisov O. I., Gromov V. S., Pyrkin A. A., Bobtsov A. A. A lgorithms of Adaptive and Robust Output Control for a Robotic Prototype of a Surface Vessel, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2016, 17(1), pp. 18—25 (in Russian), doi: 10.17587/mau.17.18-25.Johansen T. A., Hovd M. The Department of Engineering Cybernetics at NTNU: From 1994 Into the Future // Modeling, Identification and Control. 2009. Vol. 30, N. 3. P. 127—132. URL: https://doi.org/10.4173/mic.2009.3.3.Johansen T. A., Hovd M. The Department of Engineering Cybernetics at NTNU: From 1994 Into the Future, Modeling, Identification and Control, 2009, 30(3), pp. 127—132, available at: https://doi.org/10.4173/mic.2009.3.3.Frederich P. Constrained Optimal Thrust A llocation for C/S Inocean Cat I Drillship (Master thesis). Norwegian University of Science and Technology. 2016.Frederich P. Constrained Optimal Thrust A llocation for C/S Inocean Cat I Drillship (Master thesis), Norwegian University of Science and Technology, 2016.Lyngstadaas O. N., Sæterdal T. E., Sørensen M. E. N., Breivik M. Improvement of Ship Motion Control Using a Magnitude-Rate Saturation Model // IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA). 2018. URL: https://doi.org/10.1109/CCTA.2018.8511451.Lyngstadaas O. N., Sæterdal T. E., Sørensen M. E.N., Breivik M. Improvement of Ship Motion Control Using a Magnitude-Rate Saturation Model, IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA), 2018, available at: https://doi.org/10.1109/CCTA.2018.8511451.Fossen T. I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control. John Wiley & Sons, 2011. URL: https://doi.org/10.1002/9781119994138.Fossen T. I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control, John Wiley & Sons, 2011, available at: https://doi.org/10.1002/9781119994138.Bobtsov A. A., Faronov M. V., Furtat I. B., Pyrkin A. A., Arustamov S. A. Adaptive Control of Linear MIMO Systems // Proceedings of the 6th International Congress on Ultra Modern elecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT). 2014. P. 584—589. URL: https://doi.org/10.1109/ICUMT.2014.7002166.Bobtsov A. A., Faronov M. V., Furtat I. B., Pyrkin A. A., Arustamov S. A. Adaptive Control of Linear MIMO Systems, Proceedings of the 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), 2014, pp. 584—589, available at: https://doi.org/10.1109/ICUMT.2014.7002166.Khalil H. K. Nonlinear Systems. 3rd ed. Pearson, 2002.Khalil H. K. Nonlinear Systems. 3rd ed., Pearson, 2002.Slotine J.-J. E., Li W. Applied Nonlinear Control. New Jersey: Prentice Hall, 1991.Slotine J.-J. E., Li W. Applied Nonlinear Control, Prentice Hall, New Jersey, 1991.Sastry S. Nonlinear Systems: Analysis, Stability, and Control. New York:. Springer-Verlag, 1999. URL: https://doi.org/10.1007/978-1-4757-3108-8.Sastry S. Nonlinear Systems: A nalysis, Stability, and Control, Springer-Verlag, New York, 1999, available at: https://doi.org/10.1007/978-1-4757-3108-8.Young W. H. On Classes of Summable Functions and their Fourier Series // Proceedings of the Royal Society, Part A. 1912. Vol. 87. P. 225—229. URL: https://doi.org/10.1098/rspa.1912.0076.Young W. H. On Classes of Summable Functions and their Fourier Series, Proceedings of the Royal Society, Part A, 1912, vol. 87, pp. 225—229, available at: https://doi.org/10.1098/rspa.1912.0076.Bjørnø J., Heyn H.-M., Skjetne R., Dahl A. R., Frederich P. Modeling, parameter identification and thruster-assisted position mooring of C/S Inocean CAT I Drillship // ASME 2017 36th International Conference on Ocean, Offshore and A rctic Engineering. 2017. Vol. 7B: Ocean Engineering. 2017. URL: https://doi.org/10.1115/OMAE2017-61896.Bjørnø J., Heyn H.-M., Skjetne R., Dahl A. R., Frederich P. Modeling, parameter identification and thruster-assisted position mooring of C/S Inocean CAT I Drillship, ASME 2017 36th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2017, vol. 7B: Ocean Engineering, 2017, available at: https://doi.org/10.1115/OMAE2017-61896.Station-Keeping by the Consecutive Compensator. (2019) YouTube video, added by itmo4robots [Online]. URL: https://youtu.be/HlBanvOUEJk [Accessed 2019-04-17].Station-Keeping by the Consecutive Compensator (2019) YouTube video, added by itmo4robots [Online], available at: https://youtu.be/HlBanvOUEJk [Accessed 2019-04-17].Skjetne R., Sørensen M. E. N., Breivik M., Værnø S. A. T., Brodtkorb A. H., Sørensen A. J., Kjerstad Ø. K., Calabrò V., Vinje B. O. AMOS DP research cruise 2016: Academic full-scale testing of experimental dynamic positioning control algorithms onboard R/ V Gunnerus // ASME 2017 36th International Conference on Ocean, Offshore and A rctic Engineering. 2017. URL: https://doi.org/10.1115/OMAE2017-62045.Skjetne R., Sørensen M. E. N., Breivik M., Værnø S. A.T.,Brodtkorb A. H., Sørensen A. J., Kjerstad Ø. K., Calabrò V., Vinje B. O. AMOS DP research cruise 2016: Academic full-scale testing of experimental dynamic positioning control algorithms onboard R/ V Gunnerus, ASME 2017 36th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2017, available at: https://doi.org/10.1115/OMAE2017-62045.

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