5.2. Расчет и анализ переходных характеристик
Для получения более полной информации о динамике неуправляемого и стабилизированного судна используется построение графиков переходных процессов во времени, возникающих при переходе судна в положение равновесия из некоторых начальных состояний или действии на судно скачкообразных возмущений.
Особенностью динамики движения МПО является то, что переходный процесс (обычно по боковому отклонению и углу дрейфа) имеет время дополнительного запаздывания – период преодоления большой инерционности неминимально-фазовых звеньев, вследствие чего время регулирования системы стабилизации увеличивается.
Линеаризованная система уравнений рыскания имеет вид
x(t) = Ax(t)+ Bu(t), x(0) = 0, |
(5.2) |
где x(t) =
0 A = 00
−kδk1
ϕ(t)ω(t) ,β(t)δ(t)
1
a22
1
−kδk2
|
|
0 |
|
1 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
a |
|
a |
b |
|
для |
разомкнутой системы; |
||||
A = |
|
22 |
32 |
21 |
|
||||||||
|
|
0 |
|
1 |
a33 |
b31 |
|
|
|
|
|
||
|
|
0 |
|
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
||
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
b |
|
|
– для замкнутой; |
k , k |
|
, k |
– коэффициенты |
|||
32 |
|
21 |
|
2 |
|||||||||
a33 |
|
b31 |
|
|
|
|
|
1 |
3 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
−k |
k |
−k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ |
3 |
|
δ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
|
u |
δ |
(t) |
||
0 |
c |
c |
|
|||||
|
|
|
||||||
обратной связи, найденные в 4.2, B = |
21 |
22 |
|
, u(t) = vw (t) . |
||||
|
c31 |
c32 |
|
γ |
(t) |
|
||
0 |
|
|||||||
1 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
Моделирование системы стабилизации бокового отклонения выполняется методом интегрирования системы уравнений (5.2), в которой уравнение привода руля заменено системой уравнений, учитывающих нелинейность привода руля (см. 2.3).
6.СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
1.Постановка задачи.
1.1.Технические требования к системе стабилизациибокового отклонения.
1.2.Особенности СВП как объекта управления.
28
1.3. Обобщенная функциональная структура системы управления вертикальными аэрорулями.
2.Исследование нелинейной математической модели горизонтального движения СВП.
2.1.Постановка задачи.
2.2.Уравнения горизонтального движения СВП. Коэффициенты. Системы координат. Переменные состояния. Графики, таблицы и рисунки.
2.3.Определение установившихся режимов движения судна на воздушной подушке в условиях безветрия и при ветре (не менее двух разных значений ветра). Графическое представление изменения точек равновесия в зависимости от скорости ветра. Анализ устойчивости установившихся режимов движения СВП. Определение границы области устойчивых установившихся режимов движения СВП.
2.4.Определение области притяжения балансировочного режима движения СВП в условиях безветрия. Определение области притяжения балансировочного режима движения СВП при ветре (не менее двух разных значений ветра). Рисунки полученных областей притяжения с указанием всех особых точек, особых траекторий, направления движения на фазовых траекториях (фазовые «портреты»). Анализ полученных фазовых «портретов» включая анализ изменения области притяжения при действии ветра.
2.5.Постановка задачи определения эффективности руля. Определение эффективности руля при действии ветра. График зависимости угла перекладки руля, компенсирующего ветер, и угла дрейфа от скорости ветра. График зависимости скорости компенсируемого ветра и угла дрейфа от угла перекладки руля. Анализ эффективности руля.
3.Расчет и исследование оптимального закона стабилизации бокового отклонения СВП.
3.1.Постановка задачи.
3.2.Математическая модель рысканья СВП для синтеза закона стабилизации (редуцированная математическая модель рысканья судна).
3.3.Выбор и обоснование метода синтеза закона стабилизации.
3.4.Постановка задачи синтеза оптимального линейного закона стабилизации бокового отклонения судна (требования к матрицам состояния и управления линейного объекта управления, требования к весовым множителям и весовым матрицам).
29
3.5. Исследование корневого годографа оптимальной замкнутой системы. Графики корневых годографов при изменении весовых множителей (λϕ или λσ, λω, λβ и λδ). Все корневые годографы вычисляются из одной и той же начальной точки, соответствующей начальным значениям весовых множителей (λϕ или λσ, λω, λβ и λδ). Анализ полученных корневых годографов,
включая рекомендации по изменению весовых множителей для обеспечения заданных переходных процессов. Выводы.
3.6.Оптимальный линейный закон стабилизации бокового отклонения СВП с ограничением требований к переходному процессу в замкнутой системе (определяется индивидуально). Полученное решение уравнения Риккати и его анализ. Анализ оптимального линейного закона стабилизации бокового отклонения СВП (полученное время и колебательность переходного процесса). Выводы. Сравнение замкнутого и разомкнутого объектов.
3.7.Линейный закон стабилизации бокового отклонения СВП, обеспечивающий заданные собственные частоты (определяется индивидуально). Исследование зависимостей коэффициентов обратной связи (Kϕ, Kω, Kβ, Kz) от корней
замкнутой системы. Графики изменения коэффициентов обратной связи. Анализ полученных результатов (включая вывод о пределах изменения коэффициентов обратной связи) и возможного изменения положения корней замкнутой системы
сучетом реальных ограничений объекта управления. Выводы.
4.Исследование системы стабилизации бокового отклонения СВП.
4.1.Постановка задачи.
4.2.Математическая модель горизонтального движения СВП с учетом нелинейной динамики привода руля.
4.3.Переходные процессы в разомкнутой и замкнутой системе управления:
–при действии ветра (vw = 0.5…1.0) и нулевых начальных значениях пе-
ременных состояния;
– при начальном значении бокового отклонения 10…15 м (режим поправки к траектории), нулевых начальных значениях остальных переменных состояния и нулевой скорости ветра.
4.4. Графики переходных процессов (бокового отклонения, угла рысканья и угла дрейфа; график скорости рысканья; графики скорости и угла перекладки пера руля). Анализ полученных результатов, включая анализ влияния зоны нечувствительности, максимальной скорости перекладки пера руля, коэффициента усиления рулевого привода, коэффициентов закона стабилизации бокового отклонения. Выводы.
30
5. Исследование частотных характеристик системы стабилизации бокового отклонения СВП.
5.1.Постановка задачи.
5.2.Математическая модель движения с учетом линейной модели следящей системы управления рулем.
5.3.Передаточные функции (ПФ) Wzg 
w (s), Wzg 
δ(s), Wϕ
w (s), Wϕ
δ(s)
разомкнутой и Wzg w (s), Wϕ w (s) замкнутой системы. Анализ полученных
ПФ включая типовые звенья, составляющие ПФ, устойчивость и неминималь- но-фазовость ПФ, астатизм замкнутой системы управления. Выводы.
5.4. Частотные характеристики. Графики АЧХ, ЛАХ и ФЧХ в функции круговой частоты и логарифмов круговой частоты. Анализ частотных характеристик (коэффициент передачи, полоса пропускания и запаздывание в полосе пропускания), сравнительный анализ замкнутой и разомкнутой систем
по ЧХ по возмущению Wσ/w*, Wσ/γ, определение частотной полосы действия
морского волнения, сравнительный анализ реакции замкнутого и разомкнутого объекта управления на действие возмущения. Выводы.
Замечание. В качестве возмущения рассматривается развитое нерегулярное 2-балльное морское волнение (по шкале ГУГМС–53) для нечетных вариантов курсового расчета и 3-балльное для четных вариантов. Курсовой угол встречи с волной (КУВ) принимается 45, 90 и 135°). Необходимо рассчитать истинный и кажущиеся спектры морского волнения, рассчитать среднеквадратичные отклонения угла рысканья и переменных состояния, привести графики спектров и определить полосу действия истинного и кажущегося спектров морского волнения.
6. Структурная схема ССПУ.
6.1.Постановка задачи.
6.2.Структурная схема и описание:
–режимы управления ДУ, ДАУ и «Автомат»;
–датчики рулей (ДОС), датчик дрейфа, датчик скорости рысканья, датчик курса;
–задатчик градусной поправки (корректор) и датчик штурвала;
–усилители мощности и рулевые машины переменной производитель-
ности;
31
–особенности режимов управления, датчиков и исполнительных механизмов);
–особенности работы ССПУ.
6.3.Выводы.
7.Принципиальная схема ССПУ.
7.1.Постановка задачи.
7.2.Выбор элементной базы.
7.3.Принципиальная схема и описание ее работы, включая работу при обрыве обратной связи по рулю.
7.4.Выводы.
8.Заключение.
9.Список литературы.
32
Список литературы
1.Колызаев Б. А., Косоруков А. И., Литвиненко В. А. Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания. Л.: Судостроение, 1980. 472 с.
2.Справочник по теории корабля: в 3 т. Т. 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания / под ред. Я. И. Войткунского. Л.: Судостроение, 1985. 544 с.
3.Лукомский Ю. А., Корчанов В. М. Управление морскими подвижными объектами: учеб. СПб.: Элмор, 1996. 320 с.
4.Мирошник И. В. Нелинейные системы. Анализ и управление. СПб.: Изд-во СПбГИТМО (ТУ), 2002. 169 с.
5.Квакернаак Х., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления.
М.: Мир, 1977. 650 с.
33
|
Содержание |
|
Введение................................................................................................................... |
3 |
|
1. |
Особенности CВП как объекта управления ..................................................... |
3 |
2. |
Математическая модель движения судна на воздушной подушке................ |
8 |
|
2.1. Уравнения бокового движения СВП. Нелинейная модель..................... |
8 |
|
2.2. Упрощенные уравнения движения СВП................................................. |
10 |
|
2.3. Моделирование рулевого привода .......................................................... |
11 |
3. |
Анализ нелинейной модели движения СВП.................................................. |
12 |
|
3.1. Определение области устойчивых установившихся режимов............. |
12 |
|
3.2. Определение области притяжения балансировочного режима............ |
14 |
|
3.3. Оценка эффективности средств управления УО.................................... |
17 |
|
3.4. Анализ нелинейной модели движения СВП........................................... |
18 |
4. |
Исследование оптимального закона стабилизации |
|
|
бокового отклонения СВП ............................................................................... |
20 |
|
4.1. Основные положения теории синтеза..................................................... |
20 |
|
4.2. Синтез оптимального закона стабилизации |
|
|
бокового отклонения СВП ....................................................................... |
22 |
|
4.3. Синтез закона управления СВП по заданным |
|
|
собственным частотам.............................................................................. |
24 |
5. |
Исследование системы стабилизации бокового отклонения СВП.............. |
26 |
|
5.1. Расчет и анализ частотных характеристик ............................................. |
26 |
|
5.2. Расчет и анализ переходных характеристик........................................... |
28 |
6. |
Содержание пояснительной записки............................................................... |
28 |
Список литературы ............................................................................................... |
32 |
|
34
Амбросовский Виктор Михайлович Шпекторов Андрей Григорьевич
Исследовательское проектирование системы управления движением скоростного судна
Учебно-методическое пособие
Редактор Н. В. Лукина
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Подписано в печать 28.12.17. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 2,25.
Гарнитура «Times New Roman». Тираж 44 экз. Заказ 282.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
35