Using redundant control to optimize control torque

Abstract

The object of research is the process of automatic control of the redundant structure of the vessel's executive devices for extreme rotation in the yaw channel. Traditionally, redundant structures have been used to improve the reliability of automated control systems and the maneuverability of vessels. At the same time, control redundancy can also be used to optimize control processes, thereby reducing fuel consumption, increasing control forces and moments, and reducing the time required to perform operations. This allows gaining advantages in movement over vessels not equipped with optimization modules. The paper considers the optimal management of the redundant structure of an offshore vessel, which ensures the rotational movement of the vessel around the center of rotation with the maximum angular velocity. As well as simultaneous maintenance of a given position or movement in the longitudinal and lateral channel, taking into account control restrictions. This problem is reduced to a nonlinear optimization problem with nonlinear and linear control constraints. The method, algorithmic and software of the module of extreme rotation of the vessel with a redundant structure of executive devices have been developed. The workability and efficiency of the developed method, algorithmic and software are verified by mathematical modeling in the closed circuit «Control Object – Control System». The results of the conducted experiment showed that the use of optimal control allows, in comparison with traditional methods of splitting controls, to increase the control moment and angular speed of rotation by 1.5–2 times. The obtained opportunities are explained by the use of a mathematical model of the redundant control structure and the optimization procedure for calculating optimal controls in the on-board computer of the automated system. The developed method can be used on vessels, provided it is integrated into the existing automated system of the on-board computer with an open architecture, to increase the capabilities of automatic traffic control. Об’єктом дослідження є процеси автоматичного керування надлишковою структурою виконавчих пристроїв судна для здійснення екстремального обертання у каналі рискання. Традиційно, надлишкові структури використовуються для підвищення надійності автоматизованих систем керування та маневрових можливостей суден. Разом з тим, надлишковість керування можна використовувати ще й для оптимізації процесів керування, зменшення, за рахунок цього, витрат палива, збільшення керуючих сил та моментів, зменшення часу на виконання операцій. Це дозволяє отримати переваги у русі над суднами, не оснащеними оптимізаційними модулями. У роботі розглянуті оптимальні керування надлишковою структурою офшорного судна, що забезпечують обертальний рух судна навколо центру обертання з максимальною кутовою швидкістю. А також одночасне підтримання заданого положення або руху у поздовжньому та боковому каналі, із врахуванням обмежень на керування. Дана задача зводиться до задачі нелінійної оптимізації з нелінійними та лінійними обмеженнями на керування. Розроблено метод, алгоритмічне та програмне забезпечення модуля екстремального обертання судна з надлишковою структурою виконавчих пристроїв. Працездатність та ефективність розробленого методу, алгоритмічного та програмного забезпечення перевірені математичним моделюванням у замкнутому контурі «Об’єкт керування – Система керування». Результати проведеного експерименту показали, що використання оптимального керування дозволяє, у порівнянні із традиційними методами розщеплення керувань, збільшити керуючий момент та кутову швидкість обертання у 1,5–2 рази. Отримані можливості пояснюються використанням математичної моделі надлишкової структури керування та оптимізаційної процедури обчислення оптимальних керувань у бортовому обчислювачі автоматизованої системи. Розроблений метод може використовуватися на суднах, за умови інтегрування в існуючу автоматизовану систему бортового обчислювача з відкритою архітектурою, для нарощування можливостей автоматичного керування рухом.