仿人智能PID數學特性及在應用中的仿真

海軍工程大學 張 楊

船控手操盒是一種嵌入式終端設備，體積小、功耗低，更能滿足特種船舶的作業(yè)要求。針對船舶動力定位控制的需求，采用仿人智能PID算法設計控制器實現(xiàn)該手操盒對船舶艏向的控制。

1 引言

本文主要討論了智能PID的模糊控制規(guī)則進行函數轉化，并在手操盒中模擬仿真，對動力定位技術的開發(fā)具有深遠的意義。

2 仿人智能PID數學設計與特性

在一般PID控制器中，我們設定常參數為kp、ki、kd。設定e為誤差、為誤差變化率，則kp、ki、kd與它們的關系式為公式1：

偏差其權重的變化與偏差的變化正相關，兩者要么同增大，要么同減小。而偏差變化率其權重的變化與偏差負相關，偏差增大時，偏差變化率的權重減小，反之則反之。誤差e和誤差變化率與權重的關系如下（公式2）：

以上函數變化曲線形狀如圖1所示：

圖1 誤差和誤差變化率權重函數曲線

上面的關系式中k11、k12、k21、k22、k31、k32為比例因子，它們決定了曲線幅度；b11、b12、b21、b22、b31、b32為權重因子，它們決定了曲線的寬度，它們越大，曲線就越向左右延伸，可以通過改變b11、b12、b21、b22、b31、b32值來小幅度的調整e和在關系式中權重。

3 PID在船控手操盒中的仿真

先把船控手操盒及PID硬件電路準備好，寫入程序，為了能更準確地對船體動力定位實施有效控制，我們在以上基礎上加入動力定位控制功能。利用電腦軟件設計出一個船體模型，將手操盒與電腦利用以太網進行連接，實現(xiàn)硬件間的數據傳輸；最后運行手操盒中基于Linux操作系統(tǒng)下在ARM處理器上預先寫入的PID控制程序。

我們利用Matlab軟件分別對此船控手操盒在有環(huán)境干擾和無環(huán)境干擾下進行仿真試驗。利用寫入PID控制算法的手操盒將船舶艏向控制到10°時的控制曲線分別如圖2和圖3。

圖2 無環(huán)境干擾時仿人智能PID控制艏向圖

圖3 有環(huán)境干擾時仿人智能PID控制艏向圖

從無干擾環(huán)境下的仿真曲線圖可以看出，電腦中船舶模型的艏向值在智能PID控制器的操控下很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，超調量很小，誤差也滿足實際使用要求。在加入海洋環(huán)境干擾這一條件后，艏向值會 出現(xiàn)波動，因為使用了智能PID控制器進行控制，船舶模型的艏向值在10°左右波動，即使出現(xiàn)較大艏向值波動，也能很快恢復到設定值，也滿足設計要求，這與所設計的仿人智能PID控制器在線調節(jié)功能是分不開的。

通過這兩組實驗，可以看出所設計的手操盒具有較強的穩(wěn)定性，仿人智能PID控制器也具有優(yōu)良的在線調節(jié)功能，二者完美的結合可以讓動力定位手操盒具有良好的控制性能。

4 結語

本文主要針對船體定位系統(tǒng)的需要，結合所設計的仿人智能PID數學模型，驗證了在手操盒中的仿真效果。