Двухконтурная система с эталонной моделью для управления пространственным движением грузового необитаемого подводного аппарата

В настоящее время автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) все активнее используются для решения задач, связанных с обслуживанием подводных коммуникаций и различных подводных производственных комплексов, а также при выполнении подводных технологических операций. Для эффективного выполнения указанных операций АНПА должны иметь высококачественные системы управления, которые обеспечат их точное движение как по протяженным пространственным траекториям, формируемым в процессе их передвижения к объектам работ, так и при выполнении сложных маневров вблизи объектов подводной инфраструктуры. При этом основной сложностью, возникающей в процессе синтеза систем управления АНПА, является существенная нелинейность указанных объектов управления, наличие перекрестных связей между их степенями свободы, а также неопределенность и переменность их параметров. В работе предложен метод синтеза системы управления пространственным движением АНПА, позволяющей учесть указанные негативные эффекты. Эта система имеет два контура. Первый включает в себя комбинированную систему, содержащую нелинейный регулятор для достижения желаемых динамических характеристик АНПА, когда его параметры равны номинальным значениям, и регулятор с самонастройкой по эталонной модели, обеспечивающей компенсацию неопределенной или переменной части параметров. При этом параметры регулятора с эталонной моделью выбираются так, чтобы уменьшить возможную амплитуду разрывного сигнала управления скоростью движения АНПА. Второй контур представляет собой нелинейный регулятор положения, позволяющий учесть динамические свойства контура управления скоростью и кинематические свойства АНПА. Преимуществом предложенной системы управления по сравнению с традиционными, построенными на основе ПИД регуляторов, является более высокая точность управления при движении по сложным пространственным траекториям независимо от изменения параметров АНПА. Результаты моделирования подтвердили высокую эффективность синтезированной двухконтурной системы управления.

1. Yuh J., Marani G., Blidberg R. Applications of marine robotic vehicles // Intellegent Service Robotics. 2011. N. 2. P. 221—231.

2. Yu L. et al. Inspection Robots in Oil and Gas Industry: a Review of Current Solutions and Future Trends // Proc. of the 2019 25th International Conference on Automation and Computing (ICAC), Lancaster, United Kingdom. 2019. P. 1—6.

3. Lei M. Nonlinear diving stability and control for an AUV via singular perturbation // Ocean Engineering. 2020. Vol. 197, N. 1. doi:10.1016/j.oceaneng.2019.106824

4. Juul D. L., McDermott M., Nelson E. L., Barnett D. M., Williams G. N. Submersible control using the linear quadratic Gaussian with loop transfer recovery method // Proc. of IEEE Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology (AUV’94), Cambridge, MA, USA. 1994. P. 417—425.

5. Lakhwani D. A., Adhyaru D. M. Performance comparison of PD, PI and LQR controller of autonomous under water vehicle // Proc of the 2013 Nirma University International Conference on Engineering (NUiCONE), Ahmedabad. 2013. P. 1—6.

6. Gonzalez J., Benezra A., Gomariz S., Sarriá D. Limitations of linear control for Cormoran-AUV // Proc. of the 2012 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, Graz, 2012. P. 1726—1729.

7. Wu H., Song S., You K., Wu C. Depth control of model-free AUVs via reinforcement learning // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. 2019. Vol. 49, N. 12. P. 2499—2510.

8. Liu X., Zhang M., Rogers E. Trajectory tracking control for autonomous underwater vehicles based on fuzzy re-planning of a local desired trajectory // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2019. Vol. 68, N. 12. P. 11657—11667.

9. Narasimhan M., Singh S. N. Adaptive optimal control of an autonomous underwater vehicle in the dive plane using dorsal fins // Ocean Engineering. 2006. Vol. 33. P. 404—416.

10. Koofigar H. R. Adaptive control of underwater vehicles with unknown model parameters and unstructured uncertainties // Proc. of the 2012 Proceedings of SICE Annual Conference (SICE), Akita, 2012. P. 192—196.

11. Lebedev A. V., Filaretov V. F. The synthesis of multichannel adaptive variable structure system for the control of AUV // Proc. of the 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS, 2008. P. 2834—2839.

12. Xu J., Wang M., Qiao L. Dynamical sliding mode control for the trajectory tracking of underactuated unmanned underwater vehicles // Ocean Engineering. 2015. Vol. 105. P. 54—63.

13. Lebedev A. V., Filaretov V. F. Self-adjusting system with a reference model for control of underwater vehicle motion // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2015. Vol. 51, N. 5. P. 462—470.

14. Филаретов В. Ф., Лебедев А. В., Юхимец Д. А. Системы и устройства управления подводных роботов, М.: Наука, 2005, 270 с.

15. Filaretov V., Yukhimets D. Synthesis Method of Control System for Spatial Motion of Autonomous Underwater Vehicle // International Journal of Industrial Engineering and Management (IJIEM). 2012. Vol. 3, N. 3. P. 133—141.

16. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А. Особенности синтеза высокоточных систем управления скоростным движением и стабилизацией подводных аппаратов в пространстве / Под. ред. В. Ф. Филаретова, Владивосток: Дальнаука, 2016, 400 с.

17. Филаретов В. Ф. Самонастраивающиеся системы управления приводами манипуляторов, Владивосток: ДВГТУ, 2000, 304 с.

18. Slotine J. Applied nonlinear control. Prentice-Hall, 1991, 461 p.

19. Fossen T. Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control. Jonh Willey & Sons, Chichester, UK, 2011, 582 p.

20. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Щербатюк А. Ф., Мурсалимов Э. Ш., Туфанов И. Е. Новый метод контурного управления АНПА // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 8. С. 46—56.

21. Filaretov V. F., Yukhimets D. A. The new strategy of designing tracking control systems for dynamical objects with variable parameters // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19, № 7. С. 435—442.