Metoda backstepping w zastosowaniach morskich

Zagadnienia niniejszej monografii obejmują tematykę opracowania zaawansowanego układu regulacji kursem statku, opartego na metodzie projektowania backstepping. W książce przedstawiono technikę umożliwiającą automatyczny dobór parametrów regulatora backstepping do zmieniających się warunków pracy układu, z użyciem metod adaptacyjnych oraz algorytmów genetycznych. Potrzeba tworzenia i analizy algorytmów sterowania kursem statku jest związana w szczególności z koniecznością poszukiwania nowych rozwiązań wykorzystywanych na statkach, gdzie nadal stosuje się algorytmy sterowania oparte na zasadzie działania regulatora PID. Kolejnym powodem jest fakt, że klasyczne metody sterowania nie zawsze mogą zapewnić stabilność układu regulacji oraz wymaganą dokładność sterowania. Należy również podkreślić, że w ostatnich latach nastąpił wzrost zainteresowania metodą backstepping w różnych dziedzinach nauki, m.in. lotnictwie, robotyce. Dostrzegane są możliwości i potrzeby jej stosowania, zwłaszcza w odniesieniu do adaptacji oraz identyfikacji parametrycznej układów z niepewnościami. Zmodyfikowane wersje metody backstepping pozwalają również uzyskać stabilne sterowanie dla układów z mniejszą liczbą napędów niż liczba stopni swobody ruchu, w wypadku których klasyczne metody projektowania prowadzą do ich niesterowalności lub niestabilności. Przy zastosowaniu procedury backstepping zaprojektowano dwie konfiguracje regulatorów nieliniowych do sterowania kursem statku. Jedna z nich zakłada dokładną znajomość modelu dynamiki statku. Wersja druga regulatora zawiera blok adaptacji parametrów modelu statku. Adaptacja parametrów modelu statku z prawem adaptacji wyprowadzonym w oparciu o teorię II funkcji Lapunowa pozwala uzyskać odpowiednie własności przystosowujące układu w obecności tzw. niepewności parametrycznych, np. związanych z oddziaływaniem zakłóceń środowiskowych, jak wiatr czy fala morska. Obie wersje regulatorów uwzględniają na etapie projektowania własności dynamiczne urządzenia wykonawczo-sterującego maszyny sterowej. Parametry nastawne uzyskanych struktur sterowania nieliniowego zostały dostrojone w celu optymalizacji pracy układu. Do optymalizacji zastosowano algorytmy genetyczne. Jakość pracy uzyskanych struktur sterowania analizowano poprzez przeprowadzenie badań symulacyjnych na uproszczonym i złożonym modelu symulacyjnym statku typu B-481. W celu uzyskania wyników pozwalających na analizę porównawczą regulatorów zaprojektowanych przy użyciu metody backstepping przebadano proponowane układy sterowania z regulatorami PID i ślizgowym. Wyniki badań symulacji komputerowych wykazały przewagę proponowanego sterowania wykorzystującego metodę backstepping nad metodami dotychczas stosowanymi, polegającą na zachowaniu wysokiej jakości regulacji przy jednoczesnym zachowaniu stabilności układu. Rozpatrywane układy realizują podstawowe zadania, takie jak stabilność układu, strojenie wzmocnień regulatora, adaptacja układu do zmiennych warunków środowiskowych.