Воспроизведение поведения человека, перестройка системы управления на примере обхода препятствий при попутном движении

Анализ функционирования известных систем управления движением. Связь динамического программирования с вариационным исчислением и принципом максимума. Синтез алгоритма безопасного движения речного транспорта. Цена предложения. Экономическая эффективность.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

При управлении подвижными объектами различного класса, такими как наземный городской транспорт, летательные аппараты при маловысотном полете, речные и морские суда, возникает проблема обеспечения безопасности движения при встрече с различными препятствиями. Существующие методы автоматического управления позволяют синтезировать структуры линейных регуляторов в аналитической форме, однако они не дают оценки степени риска при опасном сближении с препятствием.

Между тем при ручном управлении человек испытывает реальные ощущения нарастания тревоги в случае недопустимого снижения безопасности движения, что вызывает последующую перестройку способа обхода препятствий. Поэтому целью настоящей работы являет воспроизведения поведения человека путем количественной оценки текущего риска в движении с помощью предложенной системы контроля и, главное, последующей перестройки системы управления на примере обхода препятствий при попутном движении.

1. Специальная часть

1.1 Анализ функционирования известных систем управления движением

Функционирование систем управления безопасным движением речным транспортом невозможно без автоматического контроля за безопасным движением и применения САУ в аварийных критических ситуациях. Поскольку в речном флоте в настоящее время используется ручное управление, то основные принципы автоматического управления можно заимствовать из достигнутого опыта в авиации.

Одно из похожих задач автоматического управления является управление воздушным движением при попадании самолетов на заданную линию пути во время захода на посадку.

В ряде важных практических случаев оживленного воздушного движения при подлете к аэродрому возникает необходимость принятия авиадиспетчерской службой ответственных решений по введению воздушных судов в каждый из разрешенных воздушных эшелонов, имеющих заданную линию пути, или в решении о временном отказе в обслуживании и команды об уходе на повторный круг. К таким случаем относится, в частности, ситуация внезапного изменения условий посадки на различные ВПП по метеорологическим или техническим причинам.

Другим случаем является приближение судов с аварийно низким запасом топлива или возможными техническими отказами борта, что требует внеочередного обслуживания при одновременном стремлении уступить им место судами с нормальным состоянием.

Это означает, что в состав координат текущего состояния судна, помимо оценки его положения в пространстве должно входить, по крайней мере, значение оставшейся части топлива, необходимого на дополнительное маневрирование.

Таким образом, естественно, указать в текущий момент времени очередность или приоритет в обслуживании каждого судна и последовательно вводить их в заданных эшелон, проверяя при этом возможность соблюдения гарантированной безопасности полета.

В данной работе этот подход предложен, реализовать путем вычисления динамических приоритетов в виде некоторых количественных оценок, учитывающих удаленность воздушного судна от заданной трассы, ожидаемую его близость к судам, движущимися уже в эшелоне, также от курсового угла и оставшегося запаса топлива. При этом, если очередной приоритет мал, то это означает существование такого риска несоблюдения безопасности совместного движения в эшелоне, при котором происходит отказ от попытки введения судна в эшелон и дается команда ухода на повторный круг.

Постановка задачи.

Рассмотрим решение задачи назначения динамических приоритетов при следующих допущениях:

1. Рассматривается задача введения воздушных судов на заданную линию пути, при их безопасном заходе на посадку, как это показано на рис.1. При этом анализируется только горизонтальный полет на заданной постоянной высоте.



Рис. 1. Картина выведения воздушных судов на заданную линию попутного движения при заданной дистанции безопасности x = 6 км

2. В данной работе решается задача управления полетом при одной заданной линии пути, поскольку полученные результаты легко рассматриваются на несколько линий пути при заданном множестве ВПП на различных соседних аэродромах.

3. Каждое судно (ЛА) характеризуется в текущий момент времени вектором состояния, характеризуемым координатами:

- кратчайшим расстоянием х₁ от ЛА до линии пути;

- минимальным расстоянием х₂ до ближайшего в эшелоне судна, уже находящегося на заданной линии пути;

- курсовым углом х₃ отсчитываемым по отношению к заданному курсу линии пути;

- потраченным запасом топлива х₄, предусмотренным для выполнения дополнительных маневров, для обеспечения безопасных дистанций от соседних ЛА в эшелоне.

Каждая из трех координат х₁,х₂,х₃ - знакопеременная, координата х₄ неотрицательная.

4. Положение ЛА к положению к точке принятия окончательного решения характеризуется пятой координатой D - расстояние между ними, но в данной работе ввиду удаленности ЛА от аэродромов в период входе в эшелон этот параметр пока не учитывается.

5. В качестве постоянных параметров принимаются, как известные скорость полета V, максимальное допустимое боковое ускорение а при разворотах, минимальная дистанция r безопасного движения судов в эшелоне и запас топлива , отведенной на маневрирование и определяющий оставшейся на последующие действия запас топлива как (-х₄). В частности, принято V=0.1 км/сек, а=1 м/сек*сек, r=6 км.

6. Принимаемое окончательное решении относится к одной из двух альтернатив (j=1,2)

- При j=1 принимается решение о введении ЛА в воздушный эшелон, если соответствующий ему риск невелик.

- При j=2 дается команда об уходе ЛА на повторный круг, если существует угроза возникновения аварийной ситуации в воздухе из-за опасного сближения судов.

7. Каждая из координат х_i текущего состояния ЛА меняется в соответствии с известными дифференциальными уравнениями движения, описывающими динамику полета. При этом для простоты каждой координате х_i соответствует одно дифференциальное уравнение. Эти дифференциальные уравнения имеют следующий вид.

Для координаты х₁ принято

(1)

В данной работе ориентировочно было принято Т₁=90 сек, Т₂=180 сек.

Формула (1) показывает, что при «втягивании» ЛА на линию пути воздушное судно апериодически постепенно стремится обеспечить безопасную дистанцию r, при этом постоянная времени (Т₁+Т₂) апериодического процесса есть время Т₂ попадания ЛА на саму линию пути плюс время Т₁ ускоренного движения по линии пути до точки (х₁+r), имеющей безопасное расстояние r до соседнего ЛА₀ (см. рис.1)

Для координаты х₂ принято

(2),

Где Т₀>T₂ - время движения ЛА на повторном круге.

В данной работе это время было принято равным Т₀=2ПV.

Координата х₃ курсового угла стремится к нулю (к курсу заданной линии пути) примерно с той же динамикой, что и в (2).

(3).

Расход топлива для обеспечения полета должен определяться с учетом того, что на самой линии пути изменение дистанции между летящими ЛА осуществится на форсированном режиме тяги двигателей, при этом расход увеличится в (l+) раз, а «скорость догона» одного ЛА по отношению к соседнему ЛА будет лишь V. Поэтому в первом приближении можно записать

(4),

где w₀ - заданная скорость расхода топлива в обычном режиме работы двигателя, в частности при уходе на повторный круг.

В данной работе принято , что соответствует также повышению скорости полета по линии пути на 20% для увеличения безопасной дистанции.

8. Одним из наиболее важных допущений является выбор интегрального критерия оптимальности управления воздушным движением, который должен в свертке оценивать одновременно безопасность и экономичность полета. В данной работе в качестве такого критерия принят минимум интегрального функционала, который учитывает как штрафные нежелательны...