船舶轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

吳琦

摘 要：本文在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制方法進(jìn)行的進(jìn)一步探討與研究，利用PID控制方法對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的航向進(jìn)行反饋控制，使其在受風(fēng)浪等外界環(huán)境干擾的情況下，具有良好好的控制效果。

關(guān)鍵詞：船舶運(yùn)動(dòng)；PID控制；轉(zhuǎn)向模型

中圖分類號(hào)：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）04-0042-02

1 課題研究的背景及意義

船舶航向控制系統(tǒng)的可靠性及性能特點(diǎn)直接關(guān)系著航行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。從20世紀(jì)20年代PID控制應(yīng)用于船舶航向控制以來，經(jīng)過實(shí)踐的不斷積累和無數(shù)高科技人才的不斷探索與完善，其已經(jīng)成為船舶航向控制領(lǐng)域最基本、最經(jīng)典的方法。

船舶航向控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性的、外界環(huán)境干擾復(fù)雜的系統(tǒng)，從理論上很難用一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型來對(duì)其進(jìn)行描述。在一些特殊的場(chǎng)合、航道復(fù)雜或者進(jìn)行避碰操作的時(shí)候甚至需要極富經(jīng)驗(yàn)的舵手進(jìn)行人工操作。而較為精確的PID控制經(jīng)過多年的摸索和完善可以極大程度的從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面滿足現(xiàn)代船舶航行控制的要求。

2 船舶轉(zhuǎn)向模型推導(dǎo)

在確定船舶模型的時(shí)候采用野本模型的原因主要是因?yàn)閰?shù)容易換算出深和航速的關(guān)系，但是由于二階模型在轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型時(shí)不便于加上非線性力以及風(fēng)浪的干擾，于是我們采用野本的三階模型：

3 船舶PID運(yùn)動(dòng)控制仿真

在進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖搭建之前，我們先要確定系統(tǒng)的原理。在整個(gè)系統(tǒng)中輸入量r（t）采用的是給定的階躍信號(hào)，而中間的比例、積分、微分環(huán)節(jié)，我們采取的是Matlab自帶的PID控制器。而圖中的過程對(duì)象，在本次設(shè)計(jì)的實(shí)例之中采用的是在前文中已經(jīng)經(jīng)過計(jì)算得出的船舶模型傳遞函數(shù)，其輸出值則和給定一起連接在一個(gè)示波器上，通過對(duì)示波器的觀察就可以得到整個(gè)系統(tǒng)的控制效果。

在Matlab中創(chuàng)建一個(gè)新的m文件，再打開Simulink控件庫，把需要的控件逐個(gè)拖拽到m文件內(nèi)，再進(jìn)行控件間的連接。連接好了以后，我們可以得到如圖1所示的程序流程圖：

對(duì)于整個(gè)PID的控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵的是對(duì)PID控制器內(nèi)部三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。而對(duì)于參數(shù)的設(shè)定是有一定技巧和規(guī)則的。

PID的參數(shù)是更具被控制的對(duì)象的慣量來確定的。當(dāng)被控制的量為大慣量時(shí)，一般P可以再10以上，I為3-10之間，D為1左右。而當(dāng)被控制的對(duì)象為小慣量時(shí)，一般只是使用PI控制，P為1-10之間，I為0.1-1之間，而D等于零。這些參數(shù)的具體指責(zé)需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)才能修正到較好的數(shù)值從而得到最佳的控制效果。

而參數(shù)的具體操作過程可以有以下幾種具體的操作流程。我們可以先讓調(diào)節(jié)器的參數(shù)積分系數(shù)為0，同時(shí)實(shí)際的微分系數(shù)為0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)的運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)I，讓擾動(dòng)的信號(hào)作階躍的變化，即給定值為階躍信號(hào)。再觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。再取比例系數(shù)為當(dāng)前的數(shù)值乘以0.8左右，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動(dòng)的信號(hào)作階躍的辯護(hù)啊，直至求得滿意的控制過程。積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程中控制的效果有無改善，如果有改善則繼續(xù)按照原有的節(jié)奏調(diào)整，直到調(diào)試的結(jié)果滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再行調(diào)整積分系數(shù)，力求改善控制過程。如此反復(fù)的嘗試多次，直到找到令人滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時(shí)間，此時(shí)可以適當(dāng)?shù)脑龃蟊壤禂?shù)和積分系數(shù)。和前述的各個(gè)步驟相同，微分時(shí)間的整定也是需要反復(fù)調(diào)整的，知道控制過程滿意為止。在參數(shù)的調(diào)整過程中仿真系統(tǒng)所采用的PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè)PID調(diào)節(jié)是有所不同的，各個(gè)參數(shù)之間相互隔離，互不影響，因而用其觀察調(diào)節(jié)規(guī)律十分方便。

在進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)是可以使用一種更加簡(jiǎn)潔的方法，即把積分值調(diào)節(jié)的非常大，比較在幾千以上，使得積分基本不起什么作用，而把微分值設(shè)定為0。調(diào)節(jié)比例參數(shù)，使得出現(xiàn)的超調(diào)量比較小，如果沒有超調(diào)量，則適當(dāng)?shù)募哟蟊壤齾?shù)。再慢慢的減少積分值，使得系統(tǒng)靜差能比較快的減小，并且不會(huì)出現(xiàn)周期性震蕩，如果出現(xiàn)周期性的震蕩，則增大積分值。使用比例參數(shù)自適應(yīng)功能有增加系統(tǒng)的快速響應(yīng)及減少系統(tǒng)震蕩。微分值約為積分值的0.1-0.2之間，如果系統(tǒng)擾動(dòng)比較大則應(yīng)該吧微分的參數(shù)設(shè)定的小一些。

按照以上所述的PID參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，經(jīng)過多次的嘗試之后可以確定此次設(shè)計(jì)仿真所設(shè)定的PID控制器的內(nèi)部參數(shù)比例參數(shù)為0.13，積分系數(shù)為0，微分系數(shù)為13.3。完成PID控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)后即完成了整個(gè)程序流程圖的搭建。

完成程序流程圖的搭建之后，把仿真的時(shí)間設(shè)定在1000s，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕后觀察到示波器上給定值和控制值的對(duì)比。

4 結(jié)語

由仿真結(jié)果我們可以看到，在具有代表性的傳統(tǒng)控制方法，即PID的方法控制之下，整個(gè)系統(tǒng)再通過一個(gè)較長時(shí)間的調(diào)整之后也可以達(dá)到平衡的狀態(tài)。但是這個(gè)調(diào)整的時(shí)間過于的漫長，可得為700s左右，即整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間過長。為了減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，我們可以對(duì)PID調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是事實(shí)證明，在調(diào)節(jié)比例參數(shù)的過程中又會(huì)造成系統(tǒng)的超調(diào)量過大，系統(tǒng)很難再第一時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)在對(duì)PID控制器內(nèi)部的三個(gè)參數(shù)的設(shè)定也是一個(gè)極為復(fù)雜且繁瑣的過程，在整個(gè)調(diào)試的過程中要通過多次的嘗試。其只有一個(gè)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性的確定方法，無法得到一個(gè)合理的數(shù)學(xué)化的公式以便于用戶的設(shè)計(jì)。這些都是傳統(tǒng)的控制方法在船舶航向控制方面所有的天然的劣勢(shì)。

所以我們?cè)诮酉聛淼墓ぷ髦邢Ｍ軌蚋嗟夭杉瘜?shí)船動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善計(jì)算模型和參數(shù)，以期希望得到更加良好的控制效果和更加簡(jiǎn)單的控制、調(diào)試方法。

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