Описание модели Для создания управляющеи тяги используется импеллер с бесколлекторным электрическим мотором и регулятором оборотов, подключенным к отдельному 11.1В аккумулятору. Для обеспечения управления поворотом судна тяговыи импеллер установлен на сервоприводе и может вращаться.
В качестве системы управления используется контроллер ТРИК [
Несмотря на то, что контроллер ТРИК имеет встроенные гироскоп и акселерометр, на борту
судна установлен внешнии модуль MPU-9250 [
Кроме этого, на модели судна установлена веб-камера для обеспечения трансляции видеопотока в ручном режиме управления. Автоматизация проведения экспериментов
Для автоматизации процесса исследования динамики модели СВП реализована удаленная программная система управления в виде клиент-сервернои архитектуры, в которои контроллер ТРИК выполняет управляющие команды от клиентского программного обеспечения удаленного компьютера и передает обратно данные, считанные с бортовых датчиков, а также транслирует видео-поток с веб-камеры. Коммуникация происходит по беспроводнои связи (WiFi-сеть) через протокол TCP.
Программное обеспечение контроллера ТРИК представляет собои консольное приложение,
реализованное на языке C++ с использованием инструментария Qt [
В режиме управления с заданием постоянных значении можно ввести точные желаемые
величины для тяги и угла поворота тягового импеллера и анализировать графики выбранных
переменных состояния системы в установившемся режиме (рис. 4).
Наконец, управление в автоматическом режиме осуществляется путем задания
коэффициентов пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД [
Общими параметрами для любого режима служат уровень мощности электромоторов нагнетающих импеллеров, а также время эксперимента. Задание нулевого значения для времени эквивалентно бесконечности, т.е. эксперимент будет длиться до тех пор, пока не будет нажата кнопка «STOP!». Между режимами можно переключаться без остановки эксперимента. Для всех режимов существует возможность записать данные использованных параметров для дальнеишего использования. Также в системе предусмотрены функции для сохранения графиков в виде картинок (в частности, графики для следующего раздела были сформированы при помощи этои функции), а также полученных данных с датчиков в текстовои форме для анализа. Стабилизация курсового угла
Продемонстрируем применение системы на примере задачи стабилизации курсового угла СВП. Для начала исследуем динамику курсового угла при заданнои постояннои скорости вращения тягового импеллера и нулевом угле поворота сервопривода. Такое движение можно задать в системе при помощи режима управления с заданием постоянных значении. Ввиду того, что импеллер расположен не строго на оси центра масс, а также из-за влияния аэродинамического сопротивления, СВП совершает поворотное движение, как показано на рис.6.
Рис.6. Динамика курсового угла при постоянной скорости вращения тягового импеллера и нулевом угле поворота сервопривода Очевидно, требуется применение автоматического управления с обратнои связью. В простеишем варианте при отсутствии математическои модели объекта управления задачу можно решить при помощи ПИД-регулятора, имеющего вид t u( t ) K pe( t ) K i e( )d Kd e( t ), 0 где u( t ) – управляющии сигнал, e( t ) – расхождение между текущим и заданным значениями регулируемои переменнои (в рассматриваемои задаче регулируемои переменнои является курсовои угол, а заданным значением будем считать значение курсового угла в начальныи момент времени), K p ,K i ,Kd – постоянные коэффициенты усиления пропорциональнои, интегральнои и
u( t ) K pe( t ).
Попробуем в качестве коэффициента пропорциональности принять K p 2 . Как видно из рис.7, такое управление не приводит к желаемому результату, курсовои угол расходится. Увеличение коэффициента пропорциональности в два раза только ухудшает ситуацию, увеличивая количество колебании системы (рис.8). Рис.7. Динамика курсового угла при автоматическом управлении с П-регулятором при K p 2 Рис.8. Динамика курсового угла при автоматическом управлении с П-регулятором при K p 4 Так как процесс неустоичив при применении пропорционального регулятора по курсовому углу, добавление интегральнои или дифференциальнои составляющих так же не сможет улучшить ситуацию. Попробуем исходить из следующеи предпосылки. Момент вращения, появляющиися на корпусе СВП при повороте тягового импеллера, влияет на курсовои угол косвенно через угловую скорость. С учетом этого добавим в уравнение выходного сигнала слагаемое, пропорциональное значению угловои скорости судна. Тогда управляющии сигнал примет вид
u* ( t ) K pe( t ) K p y .
В качестве коэффициента пропорциональности примем K p 1 . Как можно заметить из рис.9, такая добавка позволяет стабилизировать курсовои угол. Некоторые отклонения от заданного значения можно объяснить неточностью отработки командного сигнала, неравномерностью поверхности пола, а также влиянием боковых потоков воздуха, образующихся из-за крена судна при изменении угла поворота тягового импеллера. Рис.9. Динамика курсового угла при автоматическом управлении с П-регулятором с добавлением значения угловой скорости судна Таким образом, в процессе проведения нескольких экспериментов, параметры которых легко настраиваются при помощи описаннои выше системы, было получено удовлетворительное решение поставленнои задачи. Заключение
Представленныи в статье программныи комплекс является удобным средством для автоматизации работы с моделью СВП, что было продемонстрировано на примере задачи подбора коэффициентов ПИД-регулятора для задачи стабилизации курсового угла. Он может быть полезен не только для проведения научных исследовании, но и как инструмент для обучения студентов различным аспектам теории автоматического управления. Как показывает практика, работа с реальными динамическими объектами увеличивает мотивацию и интерес обучающихся, обеспечивая более глубокое понимание учебного материала. Наличие удобного инструмента для проведения экспериментов еще больше упрощает процесс обучения.
В качестве доработок системы можно выделить следующие. В первую очередь
представляется необходимым добавление модуля для проведения идентификации
математическои модели СВП. Это позволит обеспечить применение более сложных законов
управления с учетом ограничении и требовании оптимальности, таких как линеино-квадратичные
[
Еще одним важным дополнением может стать модуль для автоматизированного проведения серии экспериментов с заранее заданными параметрами. Такои модуль позволит избежать потери времени на ожидание конца текущего эксперимента для запуска следующего, если параметры не зависят от результатов текущего.
Кроме этого, необходимо расширить функциональность системы для работы с различными видами СВП, отличающимися количеством тяговых импеллеров, поворотными механизмами, а также использующими разделение воздушнои подушки на секции для создания восстанавливающих моментов по крену и дифференту. Такое обобщение позволит, в том числе, сравнивать эффективность работы различных систем актуаторов СВП и исследовать их преимущества и недостатки.
References