Choosing parameters of vessel’s course automatic control system under the influence of water-wave disturbances

Аннотация – Актуальность. Современные системы автоматического управления курсом судна позволяют уменьшить потери ходового времени и снизить расход топлива за рейс по сравнению с ручным управлением. Эффективность их применения зависит от своевременной настройки параметров регулятора вслед за изменениями динамики судна, что требует использования адекватных моделей и определенной квалификации обслуживающего персонала.

Цель. Привести примеры анализа и синтеза систем стабилизации курса судна, а именно:

- провести оптимальный параметрический синтез регулятора с известной и предложенной моделями судна и сравнить грубость систем управления с полученными параметрами регулятора к изменениям параметров судна;

- продемонстрировать влияние неконтролируемых водно-волновых возмущений на интенсивность и частоту изменений управляющего воздействия регулятора, рассмотреть технические решения, которые позволяют уменьшить это влияние.

Метод. В качестве метода исследования выбрано моделирование системы автоматического управления курсом судна в среде Simulink.

Результаты. Приведены результаты оптимального параметрического синтеза регулятора и проведена проверка систем на грубость к изменениям параметров судна.

Приведенные примеры функционирования систем при воздействии неконтролируемых водно-волновых возмущений случайного характера и возможность уменьшения их влияния на интенсивность и частоту смены управляющего действия регулятора за счет включения в структуру системы фильтра низкой частоты и звена с зоной нечувствительности.

Выводы. Поиск оптимальных параметров регулятора системы стабилизации курса следует проводить с последующей проверкой на грубость системы к изменениям параметров модели судна.

Уменьшить частоту переключений рулевого механизма до приемлемого на практике уровня возможно за счет увеличения зоны нечувствительности регулятора и включения в состав системы фильтра низкой частоты. Его частоту среза следует выбирать больше, чем максимальная частота собственного движения системы и меньше, чем минимальная частота случайной составляющей регулируемой переменной, которая вызвана действием неконтролируемых водно-волновых возмущений.

Анотація – Актуальність. Сучасні системи автоматичного керування курсом судна дозволяють зменшити втрати ходового часу та знизити витрату палива за рейс у порівнянні із ручним керуванням. Ефективність їх застосування залежить від своєчасного налаштування параметрів регулятора слідом за змінами динаміки судна, що потребує використання адекватних моделей та певної кваліфікації обслуговуючого персоналу.

Мета. Навести приклади аналізу і синтезу систем стабілізації курсу судна, а саме: провести оптимальний параметричний синтез регулятора з відомою і запропонованою моделями судна та порівняти грубість систем керування з отриманими параметрами регулятора до змін параметрів судна; продемонструвати вплив неконтрольованих водно-хвильових збурень на інтенсивність та частоту змін керуючої дії регулятора, розглянути технічні рішення, які дозволяють зменшити цей вплив.

В якості методу дослідження обрано моделювання системи автоматичного керування курсом судна в середовищі Simulink.

Результати. Наведені результати оптимального параметричного синтезу регулятора та проведена перевірка систем на грубість до змін параметрів судна.

Приведені приклади функціонування систем при дії неконтрольованих водно-хвильових збурень випадкового характеру та можливість зменшення їх впливів на інтенсивність та частоту зміни керуючої дії регулятора за рахунок включення в структуру системи фільтра низької частоти та ланки з зоною нечутливості.

Висновки. Пошук оптимальних параметрів регулятора системи стабілізації курсу слід проводити з наступною перевіркою на грубість системи.

Зменшити частоту перемикань кермового механізму до прийнятного на практиці рівня можливо за рахунок включення до складу системи ланки з зоною нечутливості та фільтра низької частоти. Його частоту зрізу слід обирати більшою, ніж максимальна частота власного руху системи і меншою, ніж мінімальна частота випадкової складової регульованої змінної, яка викликана дією неконтрольованих водно-хвильових збурень.

Annotation – Topicality. Modern vessel’s course automatic control systems allow to reduce ship’s running time and fuel consumption during voyage compared to manual operation. Effectiveness of their implementation depends on the timely adjustment of the controller parameters following the changes in the vessel’s dynamics, which requires usage of adequate models and qualification of the maintenance stuff.

Goal. To present examples of synthesis and analysis of vessel’s course automatic control system, namely:

 – to carry out optimal parametric synthesis of the controller with known and proposed models of the vessel and compare robustness of the control systems with obtained controller parameters towards to changing vessel’s parameters;

 – to demonstrate the influence of non-controllable water-wave disturbances on the intensity and frequency of the controller control action changes, to examine technical approaches, which allow to reduce this influence.

Method. Vessel’s course automatic control system modelling in Simulink was chosen as a research method.

Results. Results of the optimal parametric synthesis of the controller are presented, checking the systems’ robustness towards changing vessel’s parameters was carried out.

Examples of: system functioning under the influence of non-controllable water-wave disturbances of the stochastic character and the possibility of reducing this influence on the intensity and frequency of the controller control action change by the inclusion low pass filter and link with dead-band zone in the system were presented.

Conclusions. Searching for optimal parameters of the vessel’s course stabilization control system controller parameters must be done with the following checking of the system for robustness to changing parameters of the vessel model.

Reducing the frequency of steering gear switching to acceptable in practice level is possible by increasing the value of the dead band zone and inclusion the low-pass filter in the system structure. Its cut-off frequency should be chosen higher than the maximum frequency of the system own motion and lower than the minimum frequency of the stochastic part of the controlled variable which is caused by the action of the non-controllable water-wave disturbances.