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 automatic vessel motion control systems in conditions of large deviations in sensors measurements during maneuvering and failures of sensors 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 estimation 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; continuous 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 according 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 systems 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 maneuvering 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 сенсорами 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 керування 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, постійного 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 кутового 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, парирування відмови датчика у каналі лінійного руху шляхом його відключення від оцінювача та подальшого оцінювання по інформації іншого датчика, що працює з ним у парі; формування відмови датчика у каналі кутового руху (датчика кутової швидкості 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 проміжок часу, зафіксована відмова обох датчиків (лінійної швидкості і лінійного переміщення), формування алярму про відмову 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 алгоритми 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 вимірюваної інформації при маневруваннях та відмов сенсорів і виконуючих пристроїв. Висновки. Результати проведеного математичного моделювання підтвердили працездатність та ефективність запропонованого метода і алгоритмів та дозволяють рекомендувати їх для практичного використання при розробці математичного забезпечення 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.