IMPROVING THE ACCURACY AND RELIABILITY OF AUTOMATIC VESSEL MOUTION CONTROL SYSTEM

Abstract

Context. There were considered the issues of improving the accuracy and reliability of automatic vessel motion control systems in conditions of large deviations in sensors measurements during maneuvering and failures of sensors and actuators. The object of research is the process of automatic vessel motion control in conditions of large deviations in sensors measurements during maneuvering and failures of sensors and actuators. The subject of research is a method and algorithms for improving the accuracy and reliability of auto-matic vessel motion control systems in conditions of large deviations in sensors measurements during maneuvering and failures of sen-sors and actuators. Objective. The aim of the research is development a method and algorithms for improving the accuracy and reliability of automatic vessel motion control systems in conditions of large deviations in sensors measurements during maneuvering and failures of sensors and actuators. Method. This goal is achieved by using in onboard controller of the automatic vessel motion control systems an observer to estima-tion the parameters of the state vector in the linear motion channel by measurements of linear speed and position sensors; estimation the parameters of the state vector in the angular motion channel by measurements of rotational speed and angular position sensors; continu-ous monitoring of the measured information by comparing it with the obtained estimations; correction estimations in the linear motion channel by measurements of linear speed and position sensors that have passed control; correction estimations in the angular motion channel by measurements of rotational speed and angular position sensors that have passed control; formation of a sensor failure in the linear motion channel ( linear speed sensor or position sensor ), if its measurements differ from the corresponding estimations for a greater than permissible value, to parry the failure in the linear motion channel by disconnecting the failed sensor from the observer and further estimation according to another sensor working in pairs; formation of a sensor failure in the angular motion channel ( rotation speed sensor or angular position sensor ), if its measurements differ from the corresponding estimations for a greater than permissible value, to parry the failure in the angular motion channel by disconnecting the failed sensor from the observer and further estimation ac-cording to another sensor working in pair; formation of an actuators failure in the linear motion channel ( engine, automation or other device) if a simultaneous or sequential failure of both sensors were detected - linear speed sensor and position sensor, actuator failure alarm in the linear motion channel; formation of an actuators failure in the angular motion channel ( rudders, drives, other devices ) if a simultaneous or sequential failure of both sensors were detected — rotation speed sensor and angular position sensor, actuator failure alarm in the angular motion channel. This method and algorithms make it possible to improve the accuracy and reliability of automatic vessel motion control processes in conditions of large deviations in sensors measurements during maneuvering and failures of sensors and actuators. Results. The proposed method and algorithms for improving the accuracy and reliability of automatic vessel motion control sys-tems in conditions of large deviations in sensors measurements during maneuvering and failures of sensors and actuators were verified by mathematical modeling in the MATLAB environment of the control object movement in a closed circuit with a control system for various types of vessels, navigation areas, weather conditions and cases of large deviations in sensors measurements during maneuver-ing and failures of sensors and actuators. Conclusions. The results of mathematical modeling confirmed the efficiency of the developed method and algorithms and allow to recommend them for practical use in the development of mathematical support for automatic vessel motion control systems in conditions of large deviations in sensors measurements during maneuvering and failures of sensors and actuators. Актуальність. Розглянуті питання підвищення точності і надійності систем автоматичного керування рухом судна при значних відхиленнях вимірюваної сенсорами інформації у процесі маневрування судна та при відмовах сенсорів і виконуючих пристроїв. Об’єктом дослідження є процес автоматичного керування рухом судна при значних відхиленнях вимірюваної сен-сорами інформації у процесі маневрування судна та при відмовах сенсорів і виконуючих пристроїв. Суб’єктом дослідження є метод і алгоритми підвищення точності і надійності систем автоматичного керування рухом судна при значних відхиленнях вимірюваної сенсорами інформації у процесі маневрування судна та при відмовах сенсорів і виконуючих пристроїв. Мета. Метою дослідження є розробка методу та алгоритмів підвищення точності і надійності систем автоматичного керу-вання рухом судна при значних відхиленнях вимірюваної сенсорами інформації у процесі маневрування судна та при відмовах сенсорів і виконуючих пристроїв. Метод. Ця мета досягається за рахунок використання у бортовому контролері системи автоматичного керування рухом судна оцінювача параметрів вектору стану у каналі лінійного руху по даним вимірювання лінійної швидкості і переміщення; оцінювання параметрів вектору стану у каналі кутового руху по даним вимірювання кутової швидкості і переміщення, постій-ного контролю за достовірністю вимірюваної інформації шляхом її порівняння з отриманими оцінками параметрів вектору стану; коригування оцінок у каналі лінійного руху по виміряним сенсорами даним лінійної швидкості і лінійного переміщення, що пройшли перевірку; коригування оцінок у каналі кутового руху по виміряним сенсорами даним кутової швидкості і куто-вого переміщення, що пройшли перевірку; формування відмови датчика у каналі лінійного руху ( датчика лінійної швидкості або датчика лінійного переміщення ), якщо його вимірювання відрізняються від оцінок на величину більшу допустимої, пари-рування відмови датчика у каналі лінійного руху шляхом його відключення від оцінювача та подальшого оцінювання по ін-формації іншого датчика, що працює з ним у парі; формування відмови датчика у каналі кутового руху ( датчика кутової шви-дкості або датчика кутового положення ), якщо його вимірювання відрізняються від оцінок на величину більшу допустимої, парирування відмови датчика у каналі кутового руху шляхом його відключення від оцінювача та подальшого оцінювання параметрів по інформації іншого датчика, що працює з ним у парі; формування відмови по управлінню у каналі лінійного руху ( силової установки, автоматики або іншого виконуючого пристрою ), якщо одночасно, або послідовно, через невеликий про-міжок часу, зафіксована відмова обох датчиків ( лінійної швидкості і лінійного переміщення ), формування алярму про відмо-ву управління у каналі лінійного руху; формування відмови по управлінню у каналі кутового руху ( керма, приводів, інших виконуючих пристроїв ), якщо одночасно або послідовно, через невеликий проміжок часу, зафіксовано відмову обох датчиків ( кутової швидкості і кутового переміщення ), формування алярму у каналі управління кутовим рухом. Даний метод та алго-ритми дозволяють підвищити точність та надійність автоматичної системи керування рухом судна при значних відхиленнях вимірюваної сенсорами інформації у процесі маневрування та при відмовах сенсорів і виконуючих пристроїв. Результати. Запропонований метод і алгоритми підвищення точності і надійності систем автоматичного керування рухом судна були перевірені математичним моделюванням у середовищі MATLAB процесів керування рухом судна у замкнутій схемі із системою керування для різних типів суден, районів плавання, погодних умов, випадків значних відхилень вимірюва-ної інформації при маневруваннях та відмов сенсорів і виконуючих пристроїв. Висновки. Результати проведеного математичного моделювання підтвердили працездатність та ефективність запропоно-ваного метода і алгоритмів та дозволяють рекомендувати їх для практичного використання при розробці математичного за-безпечення бортових контролерів систем автоматичного керування рухом суден, що працюють в умовах значних відхилень вимірюваної інформації у процесі маневрування та в умовах відмов сенсорів і виконуючих пристроїв. Актуальность. Рассмотрены вопросы повышения точности и надежности систем автоматического управления движением судна в условиях повышенных ошибок измерений при маневрировании и отказов сенсоров и исполнительных устройств. Объектом исследования является процесс автоматического управления движением судна в условиях повышенных ошибок измерений при маневрировании и отказов сенсоров и исполнительных устройств. Субъектом исследования является метод и алгоритмы повышения точности и надежности систем автоматического управления движением судна в условиях повышенных ошибок измерений при маневрировании и отказов сенсоров и исполнительных устройств. Цель. Целью исследования является разработка метода и алгоритмов повышения точности и надежности систем автома-тического управления движением судна в условиях повышенных ошибок измерений при маневрировании и отказов сенсоров и исполнительных устройств. Метод. Эта цель достигается за счет использования в бортовом контроллере системы автоматического управления движе-нием судна наблюдающего устройства для оценки параметров вектора состояния в канале линейного движения по данным измерений линейной скорости и перемещения; оценивания параметров вектора состояния в канале углового движения по дан-ным измерений угловой скорости и углового перемещения, постоянного контроля за достоверностью измеряемой информа-ции путем ее сравнения с полученными оценками параметров вектора состояния; корректировки оценок в канале линейного движения по измерениям линейной скорости и линейного перемещения, которые прошли контроль; корректировки оценок в канале углового движения по измеряниям угловой скорости и углового перемещения, которые прошли контроль; формирова-ние отказа датчика в канале линейного движения ( датчика линейной скорости или датчика линейного перемещения ), если его измерения отличаются от оценок на величину, большую допустимой, парирование отказа датчика в канале линейного движе-ния путем его отключения от наблюдателя и дальнейшего оценивания по информации другого датчика, что работает с ним в паре; формирование отказа датчика в канале углового движения ( датчика угловой скорости или датчика углового перемеще-ния ), если его измерения отличаются от оценок на величину, большую допустимой, парирование отказа датчика в канале углового движения путем его отключения от наблюдателя и дальнейшего оценивания по информации другого датчика, что работает с ним в паре; формирование отказа по управлению в канале линейного движения ( силовой установки, автоматики или другого исполнительного устройства ), если одновременно или последовательно, через небольшой промежуток времени, выявлены отказы обеих датчиков ( линейной скорости и линейного перемещения ), формирование аларма об отказе управле-ния в канале линейного движения; формирование отказа по управлению в канале углового движения ( руля, приводов, авто-матики или другого исполнительного устройства ), если одновременно или последовательно, через небольшой промежуток времени, выявлены отказы обеих датчиков ( угловой скорости и углового перемещения ), формирование аларма об отказе управления в канале углового движения. Данный метод и алгоритмы позволяют повысить точность и надежность систем ав-томатического управления движением судна в условиях повышенных ошибок измерений при маневрировании и отказов сен-соров и исполнительных устройств. Результати. Предложенный метод и алгоритмы повышения точности и надежности систем автоматического управления движением судна были проверены математическим моделированием в среде MATLAB процессов управления движением суд-на для различных типов судов, районов плавання, погодних условий, случаев повышенных ошибок измерений при маневриро-вании и отказов сенсоров и исполнительных устройств. Выводы. Результаты проведенного математического моделирования подтверждают работоспособность и эффективность предложенного метода и алгоритмов и позволяют рекомендовать их для практического использования при разработке мате-матического обеспечения бортовых контроллеров систем автоматического управления движением судов, которые работают в условиях повышенных ошибок измерений при маневрировании и отказов сенсоров и исполнительных устройств.