05.13.03 "Системи та процеси керування"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/17515
Переглянути
Документ Удосконалення системи стабілізації швидкості руху автономного ненаселеного підводного апарата(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Грудініна, Ганна СергіївнаДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 – системи та процеси керування (15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерство освіти і науки України, Харків, 2023. Об’єктом дослідження є процес стабілізації швидкості руху автономного ненаселеного підводного апарата в косому потоці води. Предметом дослідження є корекція швидкості руху автономного ненаселеного підводного апарата, коли рушійно-кермовий пристрій працює у косому потоці води. В результаті проведених досліджень в роботі представлено аналіз існуючих проектів автономних ненаселених підводних апаратів (АНПА), визначено конструктивні та функціональні особливості АНПА, типові режими руху підводних апаратів. Розроблено структуру регуляторів швидкістю руху підводного апарату у складі системи автоматичного керування. Застосовано математичну модель динаміки АНПА як складову частину системи автоматичного керування швидкістю руху апарату. Математичну модель АНПА доповнено рівняннями рушійно-кермових пристроїв (РКП) типу «гвинт – кермо», «гребний гвинт – поворотна насадка» та «поворотна гвинтова колонка» у якості об’єктів керування. Доведено працездатність синтезованої моделі АНПА з рушійно-кермовим пристроєм. Розроблено оптимальний за швидкодією регулятор швидкості руху підводного апарата. Синтезовано в системі Simulink Matlab розроблений регулятор на базі штучної нейронної мережі. Проведено дослідження залежності упору рушійно-кермового пристрою від кута набігання потоку, методом комп’ютерного моделювання. Розроблено структуру САК АНПА з регулятором швидкості руху апарату та регулятором стабілізації упору РКП при роботі в косому потоці. Представлено результати моделювання плоского криволінійного руху АНПА з розробленими моделями РКП. Представлено результати Computational Fluid Dynamics (CFD) моделювання роботи: гвинта в напрямній насадці (типу PN160-1) у косому потоці; гвинта в поворотній насадці (типу PN160-2) з заданими кутами перекладки насадки; поворотної гвинтової колонки. Представлено результати моделювання роботи системи автоматичного керування швидкістю руху АНПА з стабілізацією упору РКП при плоскому криволінійному русі підводного апарата. З представлених графіків видно, що розроблена САК ефективно компенсує відхилення упору рушійного пристрою. Результати моделювання зведені до таблиць, за якими можна оцінити ефективність роботи САК при різних режимах руху АНПА. Наведено порівняльну характеристику роботи оптимального за швидкодією регулятора швидкістю руху АНПА та класичного ПІД регулятора. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на підставі теоретичних та експериментальних досліджень здобувачем вперше: - вперше на основі математичної моделі динаміки автономного ненаселеного підводного апарату розроблено оптимальну за швидкодією систему автоматичного керування, яка дає змогу змінювати швидкість руху підводного апарата з будь-якої початкової на будь-яку кінцеву за мінімальний проміжок часу з компенсацією дії зовнішнього збурення; - удосконалено оптимальну за швидкодією систему автоматичного керування швидкістю руху АНПА шляхом застосування штучної нейронної мережі у якості регулятора ступінчатою зміною швидкості апарата, що дає змогу зменшити час на прийняття рішення; - вперше на основі розробленої математичної моделі АНПА отримано діаграми залежності упору гребного гвинта від швидкості та кута потоку води, які за характером впливу дії косого потоку на рушійно-кермовий пристрій повністю відповідають результатам, отриманим експериментальним шляхом у дослідних басейнах, що утворює теоретичну основу для синтезу високоточної системи автоматичного керування рухом АНПА при плоскому криволінійному русі; - вперше методом апроксимації експериментальних даних на базі штучної нейронної мережі синтезовано автоматичну систему стабілізації швидкості руху АНПА, підвищення точності роботи якої досягається за рахунок стабілізації упору рушійного пристрою під час функціонування рушія в косому потоці води. Практичне застосування отриманих у дисертації наукових результатів, зокрема, синтезованої системи автоматичного керування швидкістю руху підводного апарата, з уточненням значення упору рушія, що працює у косому потоці води, утворює теоретичну основу для побудови та серійного виробництва автономних ненаселених підводних апаратів. Математичну модель динаміки автономного ненаселеного підводного апарата, рушійно-кермовий пристрій якого функціонує у скошеному потоці води, використано у курсовому та дипломному проектуванні магістрів за освітньо-професійною програмою «Морська робототехніка» спеціальності 141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка». Наукові положення і результати, викладені в дисертаційній роботі та винесені на захист, отримані особисто здобувачкою. Серед них: визначення мети, постановки завдань досліджень; аналіз існуючих проектів автономних ненаселених підводних апаратів; розробка структури регуляторів, що входять до складу системи автоматичного керування; синтез в Simulink регулятору швидкості на базі математичної моделі динаміки АНПА, розробленої науковою школою «Підводна техніка» Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова; вибірка даних для навчання нейронної мережі у складі оптимального за швидкодією регулятора; модель динаміки АНПА з рівняннями рушійно-кермових пристроїв типу «гвинт – кермо», «гребний гвинт – поворотна насадка» та «поворотна гвинтова колонка». Особисто здобувачем розроблено імітаційну модель для моделювання плоского криволінійного руху АНПА. Шляхом математичного моделювання проведено дослідження гідродинамічних параметрів застосованих типів рушійно-кермових пристроїв при плоскому криволінійному русі. Виконано оцінку працездатності розроблених моделей за результатами CFD моделювання застосованих в роботі типів РКП. Розроблено та реалізовано в системі Simulink структуру САК АНПА з регулятором швидкості руху апарату та регулятором стабілізації упору РКП при роботі в косому потоці. Основні наукові та практичні результати роботи оприлюднені та обговорені на конференціях: Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів, молодих вчених з міжнародною участю «Електротехніка і електромеханіка» (2008 р., м. Миколаїв); Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів, молодих вчених «Інформаційно-керуючі системи і комплекси» (2009 р., 2010 р., м. Миколаїв); Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів» (2009 р., 2010 р., м. Миколаїв); Всеукраїнській науково-технічній конференції з міжнародною участю «Сучасні проблеми автоматики та електротехніки» (2015 р., 2018 р., м. Миколаїв); Всеукраїнській науково-технічній конференції з міжнародною участю «Підводна техніка та технології» (2015 р., 2016 р., 2021 р., м. Миколаїв); Міжнародній науково-технічній конференції «Інновації в суднобудуванні та океанотехніці» (2017 р., 2020 р., 2021 р., м. Миколаїв); Х Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні інформаційні та інноваційні технології» (2018 р., м. Херсон); Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Автоматика та електротехніка» (2021 р., м. Миколаїв). Основні результати дисертації опубліковано в 22 працях, у тому числі у 7 статтях наукових видань України, з них 4 статті у фахових виданнях, 1 стаття у журналі, який включено до наукометричної бази Scopus.