The main goal here is to design a proper and efficient controller for a ship autopilot based on the sliding mode control method. A hydrodynamic numerical model of CyberShip II including wave effects is applied to simulate the ship autopilot system by using time domain analysis. To compare the results similar research was conducted with the PD controller, which was adapted to the autopilot system. The differences in simulation results between two controllers are analyzed by a cost function composed of a heading angle error and rudder deflection either in calm water or in waves. Simulation results show the effectiveness of the method in the presence of nonlinearities and disturbances, and high performance of the proposed controller.
This paper presents the designs of two observers, which are: the extended Kalman filter and the nonlinear passive observer. Based on the measured values of ship position and heading, the observers estimate the surge, sway and yaw velocities of the ship motion. The observers make use of the simplified nonlinear mathematical model of ship motion in which the neglected ship dynamics and disturbances are modelled using bias. The designed observers firstly have been simulated on a computer model where their parameters were calibrated, and then were implemented on the physical model of the training ship “Blue Lady” in the ship handling centre in Ilawa-Kamionka. The comparative analysis was done with respect to the estimated variables describing the ship motion in three directions: surge, sway and yaw
3
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy opisane i przebadane zostały trzy regulatory wykorzystujące strukturę klasycznego regulatora PID: liniowy, rozmyty i neuronowy. Ocena jakości pracy układów sterowania z tymi regulatorami przeprowadzona została na stanowisku laboratoryjnym w układzie sterowania poziomem wody w kaskadzie dwóch zbiorników.
EN
The article describes the three algorithms which are based on the structure of the classical PID controller: the linear controller, the fuzzy controller and the neural network controller. The operation quality of control systems with those controllers was evaluated at the laboratory station during the tests involving a two-tank cascade.
4
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Regulator PID jest obecnie najczęściej stosowaną strategią sterowania spotykaną w układach regulacji automatycznej. We wszystkich realizowanych obecnie procesach sterowania, w ponad 90% pętli sterowania stosowane są regulatory typu PID, dość często ze wzmocnieniem różniczkowania ustawionym na zero (sterowanie PI). Regulatory te włączane są w układy sterowania na rożne sposoby. Mogą pracować samodzielnie w tradycyjnych pętlach sterowania stosowanych od stuleci. Regulatory typu PID stanowią również ważny składnik rozłożonych systemów sterowania. W bardzo złożonych strategiach sterowania, które zorganizowane są w struktury hierarchiczne, regulatory PID pracują na najniższym szczeblu. O sukcesie tego typu regulatora przede wszystkim decyduje prostota algorytmu i łatwość intuicyjnego zrozumienia zasady jego pracy.
The dynamical positioning system is a complex control consisting of a number of components, including: filters, observers, controllers, and propeller allocation systems. The design and preliminary analysis of operational quality of system operation are usually done based on numerical simulations performed with the aid of the mathematical model of the ship. The article presents a concept of the dynamic positioning system applied to steering the training ship Blue Lady used for training captains in the ship handling research and training centre owned by the Foundation for Safety of Navigation and Environment Protection in Ilawa/Kamionka. The simulation tests performed in the numerical environment of Matlab/Simulink have proved the usability of the designed system for steering a ship at low speed.
This paper presents the designs of two observers, which are: the extended Kalman filter and the nonlinear passive observer. Based on the measured values of ship position and heading, the observers estimate the surge, sway and yaw velocities of the ship motion. The observers make use of the simplified nonlinear mathematical model of ship motion in which the neglected ship dynamics and disturbances are modelled using bias. The designed observers firstly have been simulated on a computer model where their parameters were calibrated, and then were implemented on the physical model of the training ship “Blue Lady” in the ship handling centre in Ilawa-Kamionka. The comparative analysis was done with respect to the estimated variables describing the ship motion in three directions: surge, sway and yaw.
The paper presents the design of a hybrid controller used to control the movement of a ship in different operating modes, thereby improving the performance of basic maneuvers. This task requires integrating several operating modes, such as maneuvering the ship at low speeds, steering the ship at different speeds in the course or along the trajectory, and stopping the ship on the route. These modes are executed by five component controllers switched on and off by the supervisor depending on the type of operation performed. The desired route, containing the coordinates of waypoints and tasks performed along consecutive segments of the reference trajectory, is obtained by the supervisory system from the system operator. The former supports switching between component controllers and provides them with new set-points after each change in the reference trajectory segment, thereby ensuring stable operation of the entire hybrid switching controller. The study also presents designs of all controller components, which are done using a complex mathematical model of the selected ship, after its simplification depending on the type of controller. The developed control system was tested on the training ship Blue Lady and used to train captains at the Ship Handling Research and Training Center near Iława in Poland. The conducted research involved an automatic movement of the ship from one port to another. The performed transit route required the ship to leave the port, pass the water area, and berth at the port of destination. The study revealed good quality of the designed hybrid controller.
W pracy przedstawione zostały badania i analiza zastosowania wybranych algorytmów rojowych do optymalizacji parametrów regulatora PID w układzie sterowania statkiem na kursie. Optymalizacja ta polegała na minimalizacji czasowego wskaźnika jakości wyznaczanego na podstawie odpowiedzi skokowej. Do optymalizacji parametrów regulatora kursu statku wykorzystane zostały algorytmy rojowe, takie jak: algorytm mrówkowy, zmodyfikowany algorytm mrówkowy, algorytm sztucznej kolonii pszczół oraz algorytm optymalizacji rojem cząstek. Przeprowadzone zostały badania szybkości znajdowania optymalnego rozwiązania i wykonana została analiza porównawcza uzyskanych wyników. Zaprezentowane wyniki badań pozwalają stwierdzić, że algorytm optymalizacji rojem cząstek charakteryzuje się najlepszą jakością optymalizacji parametrów regulatora kursu statku.
EN
The paper presents the research and analysis of the use of certain swarm intelligence algorithms to optimize the parameters of PID control in a ship on the course. This optimization was to minimize the performance quality index based on step response of the mathematical model of control system. To optimize the parameters of the ship course controller have been used swarm intelligence algorithms, such as: ant colony algorithm (ACO), the modified ant colony algorithm (MACO), the artificial bee colony algorithm (ABC) and the particle swarm optimization algorithm (PSO). Rate tests were conducted to find the optimal solution and a comparative analysis of the results was made. The presented results of research allow us to conclude that the particle swarm optimization (PSO) algorithm has the best quality of optimizing the control parameters of the course controller.
W pracy przebadane zostały dwa regulatory zastosowane do sterowania ruchem statku wzdłuż zadanej trasy przejścia. Obiektem sterowania jest model fizyczny statku o nazwie Blue Lady wykorzystywany do szkolenia kapitanów w Ośrodku Manewrowania Statkami na jeziorze Silm w Iławie/Kamionce. Trasa ruchu statku określana jest zazwyczaj przy użyciu tzw. punktów drogi. Poprzez łączenie odcinkami kolejnych punktów drogi tworzona jest trajektoria zadana ruchu statku. Wokół każdego punktu drogi definiowany jest okrąg akceptacji, który statek musi osiągnąć. Kiedy statek wpływa w obszar objęty okręgiem akceptacji to wówczas trajektoria zadana przełączana jest na odcinek łączący dwa kolejne punkty drogi. Z każdym odcinkiem drogi jest powiązania prędkość poruszania się statku. Zadanie sterowania polega na jak najdokładniejszym prowadzeniu statku wzdłuż zadanej trajektorii. W tym celu przebadane zostały dwa regulatory. Pierwszy z nich jest regulatorem stanu (LQG), wykorzystującym dyskretny filtr Kalmana do wyznaczania niemierzonych zmiennych stanu statku, drugi natomiast opiera się na klasycznym regulatorze typu PID.
EN
The study tested two controllers, which were used to control the movement of a ship along a specified route. The control plant is a physical model of a ship called the Blue Lady used for training captains in the Ship Handling Research and Training Center on the lake Silm in Iława/Kamionka, in Poland. The route of the vessel is usually determined using so-called waypoints. The reference trajectory of ship movement is created by combining sections of the successive waypoints. A circle of acceptance, that the ship must achieve is defined around each waypoint. When the ship enters the area of a circle of acceptance then the reference trajectory is switched on the segment connecting two consecutive waypoints. A specified speed of the ship is linked with each section of the road. The task of controlling consists on the most accurate sailing along the ship's trajectory. The first one is a state controller (LQG), which uses discrete-time Kalman filter to determine the unmeasured variables of the ship’s state and the other is based on a classical PID controller.
10
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono hybrydowy układ sterowania ruchem statku w różnych trybach operacyjnych. Opracowany układ integruje takie tryby operacyjne jak: precyzyjne manewrowanie statkiem przy małych prędkościach, sterowanie statkiem przy różnych prędkościach na kursie lub wzdłuż zadanej trajektorii oraz zatrzymywanie statku na trasie. Zrealizowanie tych rodzajów pracy wymagało zastosowania pięciu regulatorów, które zebrano w zbiorze alternatywnych regulatorów ciągłych. W zależności od rodzaju operacji wykonywanej przez statek dokonuje się wyboru odpowiednich regulatorów. Do sterowania statkiem wzdłuż zadanej trasy przejścia w różnych trybach pracy zastosowano metodę nadzorującego sterowania przełączającego. Trajektoria zadana ruchu statku składa się z odcinków prostych łączących kolejne punkty trasy przejścia oraz z prędkości zadanych i trybów pracy układu hybrydowego na tych odcinkach. Opracowany układ sterowania testowany był na statku treningowym „Blue Lady”, wykorzystywanym do szkolenia kapitanów w Ośrodku Manewrowania Statkami, znajdującym się na jeziorze Silm w Iławie/Kamionce. Przeprowadzone badania pokazały dobrą jakość zaprojektowanego regulatora hybrydowego.
EN
The paper presents a hybrid control system for the movement of a ship in various operating modes. The developed system integrates a number of operational modes, such as: precise maneuvering the ship at low speeds, steering the ship at different speeds on the course or along the trajectory, and stopping the ship on the route. The implementation of these modes requires the use of five controls, which have been collected in the set of alternative continuous controllers. The choice of the appropriate control is made depending on the type of the operation performed by the ship. The ship motion along a specified route of crossing in different operating modes is controlled using a method of supervisory switching control. The set ship trajectory consists of straight sections connecting consecutive points of the passage route, complemented by speed setpoints and operating modes of the controller on these sections. The developed control system was tested on the training ship Blue Lady, used to train captains in the Ship Handling Research and Training Center located on the lake Silm in Ilawa-Kamionka, Poland. The conducted tests have proved good quality of the designed hybrid control system.
W pracy przedstawiony został układ regulacji poziomu wody wykorzystujący sterowanie ślizgowe. Zaprezentowany algorytm sterowania ślizgowego opiera się na nieliniowej powierzchni ślizgania pierwszego rzędu. Niedogodnością sterowania ślizgowego są efekty częstych przełączeń sygnału sterowania, co niekorzystnie wpływa na trwałość i pracę urządzenia wykonawczego, w tym przypadku pompy. W celu usunięcia tej niedogodności w regulatorze ślizgowym, zamiast funkcji przekaźnikowej została zastosowana funkcja ograniczająca, wprowadzająca warstwę graniczną na powierzchni ślizgowej, co powoduje zlikwidowanie oscylacji (chatteringu). Na działanie algorytmu sterowania ślizgowego bardzo niekorzystnie wpływają również szumy pomiarowe, które usunięte zostały poprzez zastosowanie rozszerzonego filtru Kalmana. Ocena jakości pracy zaprojektowanego regulatora ślizgowego przeprowadzona została w oparciu o badania symulacyjne. Uzyskaną jakość pracy zaprojektowanego regulatora ślizgowego porównano z układem równoważnym zawierającym regulator liniowy PID.
EN
The paper presents a system to control water level using sliding mode. The presented sliding mode control algorithm is based on a non-linear sliding surface of the first order. The drawback of sliding mode control are effects of frequent switching of control signal, what adversely affects the stability and the operation of the actuator, in this case the pump. In order to remove this drawback in the slide control instead of the relay function, the limiting function was applied, introducing a constraining layer on the slide surface, thereby causing chattering. The behavior of the sliding mode control algorithm is very adversely affected by the measurement noises, which were removed using the extended Kalman filter. Evaluation of the work quality of designed sliding mode control was carried out based on the simulation test. Obtained work quality of the designed sliding mode control was compared with the equivalent system containing linear PID controller.
12
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
In cases when the navigational space of the manoeuvre performed by the ship is severely limited, the procedures making use of the rudder blade, propeller screw, and thrusters are very complicated. Such situations take place when the ship manoeuvres inside the harbour area and in those cases the structure of the control system is very complex. The article describes the algorithm of multivariable control of ship motion over the water surface, which makes use of the state vector consisting of 6 variables. Three of them, which are the position coordinates (x, y) measured by the DGPS system and the ship heading y measured by gyro-compass, were obtained experimentally. The three remaining variables, which are the velocities in surge u, sway v, and yaw r directions, were estimated by Kalman filter, KalmanBucy filter and extended Kalman filter, respectively. The control algorithms making use of these observers were examined using the training ship „Blue Lady” which was navigated on the lake Silm in Ilawa/Kamionka in the Ship Handling Research and Training Centre owned by the Foundation for Safety of Navigation and Environment Protection. The experimental results obtained using control systems with three observers were finally compared between each other
W referacie przedstawione zostało sterowanie ślizgowe zastosowane do zmiany położenia wózka w układzie odwróconego wahadła. Obiekt sterowania jest nieliniowy, o dwóch stopniach swobody (kąt ustawienia wahadła i pozycja wózka) i jednym wejściu (siła przyłożona do wózka). Zadanie sterowania polega na takim przemieszczaniu położenia wózka, aby wraz z jego zmianami, pręt wahadła balansował w położeniu pionowym i nie przewrócił się. Model matematyczny obiektu składa się z czterech nieliniowych równań stanu. Sterowanie ślizgowe zazwyczaj stosowane jest do obiektów drugiego rzędu, zapisywanych w postaci zmiennych fazowych. Dlatego też w przypadku układu odwróconego wahadła konieczna była dekompozycja problemu i zastosowane zostało dwuwarstwowe sterowanie ślizgowe. W części równoważnej sterowania rozważone zostały regulatory: liniowo-kwadratowy (LQR) i proporcjonalno-całkującoróżniczkujący (PID), które są powszechnie stosowane do sterowania procesami dynamicznymi. Uzyskane układy sterowania ślizgowego są odporne na wpływ działających zakłóceń. Wyniki badań symulacyjnych pokazują efektywność pracy zaproponowanych struktur układów sterowania.
EN
The paper presents sliding mode control, which was used to change the position of the cart in the inverted pendulum system. The plant of control is non-linear, with two degrees of freedom (the angle of the pendulum and the position of the cart) and one input (force applied to the cart). The task is to control the movement of the cart position to get along with his changes, balancing the pendulum rod in the upright position. The mathematical model of the object consists of four nonlinear equations of state. Sliding mode control is normally applied to the second-order systems, presented in the canonical form. Therefore, in the case of an inverted pendulum system, the decomposition of the problem was necessary and two-layer sliding mode control was applied. In the equivalent part of the control, two controllers were considered: linear quadratic regulator (LQR) and Proportional-Integral-Derivative (PID), which are commonly used to control dynamic processes. The resulting sliding mode control systems are robust to the influence of disturbance input. The results of simulation studies show the effectiveness of the work of the proposed structures of control systems.
15
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiona została implementacja sieci neuronowej RBF w regulatorze kursu statku. Przeprowadzone zostały badania symulacyjne. Uzyskane wyniki sterowania porównano z wynikami uzyskanymi z użyciem rozmytego regulatora kursu.
EN
The paper describes the application of Radial Basis Function Neural Network to ship heading controller. Simulation results are used to comparison with heading controller implemented on the Mamdani fuzzy inference system.
W pracy przedstawione zostały algorytmy rojowe, takie jak: algorytm mrówkowy, zmodyfikowany algorytm mrówkowy, algorytm sztucznej kolonii pszczół oraz algorytm optymalizacji rojem cząstek. Dla tych algorytmów przygotowane zostało oprogramowanie w Matlabie, pozwalające na optymalizację parametrów poszukiwanych modeli matematycznych, wyznaczanych na podstawie przeprowadzonych testów identyfikacyjnych lub na optymalizację parametrów regulatorów zastosowanych w modelach matematycznych układów sterowania.
EN
The paper presents the swarm intelligence algorithms, such as: ant colony algorithm (ACO), the modified ant colony algorithm (MACO), the artificial bee colony algorithm (ABC) and the particle swarm optimization algorithm (PSO). Ant colony optimization (ACO) based upon the observation of the behavior of ant colonies looking for food in the surrounding anthill. Feeding ants it is based on finding the shortest path transitions between a food source and the anthill. In the process of foraging ants on their paths crossing from the nest to a food source and back, they leave a pheromone trail. The work presents also the modified ant colony algorithm (MACO). This algorithm is based on searching the solution space surrounded by the best solution obtained in the previous iteration. If you find a local minimum, the proposed algorithm uses pheromone to find a new solution space, while retaining the position information current local minimum. The artificial bee colony algorithm is one of the well-known swarm intelligence algorithms. In the past decade there has been created several different algorithms based on the observation of the behavior of cooperative bees. Among them, the most frequently analyzed and used is bee algorithm proposed in 2005 by Dervis Karaboga and was be used in the proposed paper. The particle swarm optimization algorithm (PSO) is based on adjusting the change speed of the moving particles to a speed of particles movement in the neighborhood. Particle optimization algorithm is one of the computational techniques derived on the basis of swarm behavior such as flocks of birds and schools of fish, which is the basis for the functioning of the exchange of information to enable them to cooperate. It was noticed that the animals in the herd tend to maintain the optimum distance from their neighbors, by appropriate adjustment of their speed. This method allows the synchronous and collision-free motion, often accompanied by sudden changes of direction and due to the rearrangement of the optimal formation. For these algorithms has been prepared the software in Matlab, allowing to optimization of the mathematical models designated on the basis of the carried out identification tests and control parameters used in the mathematical model of the control system.
17
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The paper presents a concept of Kalman-Bucy filter which can be used in the multivariable ship motion control system. The navigational system usually measures ship position coordinates and the ship head-ing, while the velocities are to be estimated using an available mathematical model of the ship. The designed Kalman-Bucy filter has been simulated on a computer model and implemented on the training ship to demon-strate the filtering properties.
18
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W literaturze trudno jest znaleźć dobre nieliniowe modele matematyczne dynamiki statku zawierające wartości numeryczne, które można byłoby wykorzystać zarówno do sterowania manewrowego, jak i po zadanych trajektoriach. W niniejszej pracy przedstawiono kompletny model matematyczny dynamiki statku o nazwie CyberShip II. Statek ten jest wykonanym w skali modelem fizycznym statku zaopatrzeniowego dla platform wiertniczych. CyberShip II jest jednostką testową, rozwijaną w Katedrze Cybernetyki Inżynieryjnej na Norweskim Uniwersytecie Nauki i Technologii w Trondheim w Norwegii.
EN
Good nonlinear mathematical models of the ship dynamic, including numerical values, to use for maneouvering control and along desired path are hard to find. This paper presents a complete mathematical model of the ship, called CyberShip II. This ship is a scale model of an oil platform supply ship. CyberShip II is the test vehicle developed at the Department of Engineering Cybernetics, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway.
19
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Projektowanie autopilota statku nie jest zadaniem łatwym z powodu dużej nieliniowości dynamik statku i różnych działających zakłóceń. Głównym celem autora niniejszego artykułu jest zaprojektowanie regulatora dla autopilota statku na podstawie metody sterowania ślizgowego. Wyniki badań symulacyjnych, uzyskane w warunkach działających zakłóceń falowych, pokazują, że zaproponowany regulator jest lepszej jakości w porównaniu z regulatorem klasycznym.
EN
Designing of ship autopilot is not easy subject because of high nonlinearity of ship dynamics and various acting disturbances. The main goal of the work is to design a proper and efficient controller for ship autopilot based on sliding mode control method. Simulation results in the rough wave condition show the better performance of the proposed controller in comparison with the classical controller.
20
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono regulator kursu statku, który wypracowuje sygnał sterujący na podstawie algorytmu sterowania predykcyjnego bez ograniczeń. Przeprowadzono badania symulacyjne na modelu matematycznym statku zawierającym dynamikę maszyny sterowej. Uzyskane wyniki sterowania porównano z wynikami uzyskanymi przy użyciu klasycznego regulatora kursu statku.
EN
This paper presents the application of non-constrained model predictive control to ship heading controller. Simulation tests were done on a model of ship dynamic containing the model of steering machine. The obtained results of using the predictive control were compared with the results obtained with using the classical PD controller in heading control system.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.