基于PLC 的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)高精度控制研究

苗百春，于吉鯤

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300)

0 引 言

艦船導(dǎo)航系統(tǒng)為艦船提供航行方向、位置、速度、水平以及方位等基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)艦船目的地確定、路徑計(jì)算和引導(dǎo)等，對(duì)艦船的航行進(jìn)行監(jiān)控和引導(dǎo)，以此保證艦船的航行安全。艦船在長(zhǎng)時(shí)間的航行狀態(tài)下，受到海面多種環(huán)境的影響以及不同磁場(chǎng)的干擾，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航顯示方向和其實(shí)際航行方向之間發(fā)生明顯的偏差角，影響導(dǎo)航精度，偏離目的地。因此，如何提升艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的控制精度，成為艦船管理中的重要內(nèi)容。PLC 控制器具有可編輯功能其主要是依據(jù)其內(nèi)部含有的微處理器為核心，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制等操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制。

為保證艦船的安全運(yùn)行，陳志超等對(duì)此分析后，基于改進(jìn)LOS 導(dǎo)航算法提出相關(guān)控制方法。?？旱葎t研究艦船的航行特點(diǎn)后，提出基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的相關(guān)控制方法。上述方法均可有效控制艦船航跡，但是在應(yīng)用過(guò)程中，仍舊存在一定超調(diào)量，因此，本文提出基于PLC 的艦船導(dǎo)航系統(tǒng)高精度控制方法。該方法利用PLC 的優(yōu)勢(shì)和功能，對(duì)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行高精度控制。

1 艦船導(dǎo)航系統(tǒng)高精度控制

1.1 基于PLC 導(dǎo)航系統(tǒng)高精度控制方法框架

艦船在航行過(guò)程中，導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精準(zhǔn)性對(duì)于航行安全具有重要意義，因此，本文提出基于PLC的艦船導(dǎo)航系統(tǒng)高精度控制方法，其整體框架用圖1描述。該方法以嵌入式PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主，其整體劃分為2 個(gè)部分，分別是控制層和應(yīng)用層，控制層是由多種硬件設(shè)備組成，包含下位機(jī)、航行控制器、PLC控制器；應(yīng)用層則是對(duì)控制層中的硬件進(jìn)行初始化操作，同時(shí)向控制層下達(dá)控制指令以及呈現(xiàn)控制結(jié)果。

圖1 基于PLC 導(dǎo)航系統(tǒng)高精度控制方法框架Fig.1 High precision control method framework of PLC based navigation system

1.2 基于PLC 的艦船導(dǎo)航控制實(shí)現(xiàn)

1.2.1 基于PLC 的艦船導(dǎo)航控制原理

控制層中主要是采用PLC 控制器為核心，對(duì)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要控制原理用圖2 描述。該控制器的芯片為SEMENS S7-200，設(shè)有3 個(gè)擴(kuò)展模塊分別是EM223，EM232，EM2345。此外，為提升對(duì)艦船導(dǎo)航的控制精度，在其芯片設(shè)置粒子群優(yōu)化的PID 控制方法，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)控制參數(shù)實(shí)行控制，實(shí)現(xiàn)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度控制。

依據(jù)圖2 可知：通過(guò)PLC 控制器對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行控制后，可對(duì)艦船的舵輪、航向、舵角進(jìn)行全面調(diào)整和控制，及時(shí)掌握艦船航行的整體情況。當(dāng)導(dǎo)航顯示方向和艦船實(shí)際航行方向之間發(fā)生偏差角時(shí)，控制器可向應(yīng)用層發(fā)送偏航預(yù)警，應(yīng)用層可通過(guò)上位機(jī)下達(dá)調(diào)整指令，進(jìn)行偏差調(diào)整，保證導(dǎo)航精準(zhǔn)度。

圖2 基于PLC 的艦船導(dǎo)航控制原理Fig.2 Principle structure of ship navigation control based on PLC

1.2.2 基于粒子群優(yōu)化的PID 導(dǎo)航系統(tǒng)控制方法

PLC 控制器在對(duì)導(dǎo)航進(jìn)行控制過(guò)程中，為提升控制的穩(wěn)定性，引入基于粒子群優(yōu)化的PID 控制方法對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制。該優(yōu)化方法主要對(duì)微分環(huán)節(jié)實(shí)行優(yōu)化，掌握導(dǎo)航系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化規(guī)律，以此保證控制的穩(wěn)定性。本文控制方法，是以PID 控制器為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)粒子群算法對(duì)控制器的加權(quán)因子 α 和 β實(shí)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)PID 控制方法的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以此保證控制效果?；诹Ｗ尤簝?yōu)化的PID 控制方法結(jié)構(gòu)用圖3 描述。

圖3 基于粒子群優(yōu)化的PID 控制結(jié)構(gòu)Fig.3 PID control structure based on particle swarm optimization

圖中，ε和φ表示經(jīng)過(guò)量處理后，艦船導(dǎo)航在橫向和航向2 種偏差結(jié)果。該算法主要是對(duì)PID 控制方法的積分環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，其計(jì)算公式為：

式中：k，k和k分別為比例、積分和微分系數(shù)；在時(shí)刻下，艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的偏差用表示，且該偏差包含橫向 ε和航向 φ 兩部分偏差結(jié)果，即=ε+φ ；表示優(yōu)化控制后的輸出精度值。

該方法在控制過(guò)程中，其控制指標(biāo)函數(shù)采用橫向ε和航向 φ兩部分偏差總和進(jìn)行描述，計(jì)算公式為：

1.3 基于免疫算法的PID 參數(shù)優(yōu)化

式中：表示絕對(duì)誤差積分。

粒子概率H的選擇是通過(guò)A完成，其計(jì)算公式為：

式中：A表示經(jīng)過(guò)迭代獲取的親和度；表示種群數(shù)量。

粒子濃度C的計(jì)算公式為：

依據(jù)C選擇粒子的概率計(jì)算公式為：

基于此粒子被選擇的總體概率計(jì)算公式為：

式中：=1,2,...,；η=[0,1]表示權(quán)重系數(shù)。

獲取公式(8)的計(jì)算結(jié)果，并按照降序進(jìn)行排列，獲取計(jì)算結(jié)果中的缺失粒子以及結(jié)果較小粒子，將兩者采用上一代記憶微粒進(jìn)行替代。

通過(guò)循環(huán)迭代對(duì)粒子的適應(yīng)度值進(jìn)行重新計(jì)算，獲取最優(yōu)粒子對(duì)替換進(jìn)來(lái)的記憶微粒進(jìn)行更新，以此實(shí)現(xiàn)X的優(yōu)化。

該優(yōu)化步驟如下：

通過(guò)初始化對(duì)免疫微粒種群實(shí)行處理，并設(shè)定初始化參數(shù)。

計(jì)算各個(gè)粒子的適應(yīng)度，獲取其中最優(yōu)粒子。

依據(jù)最新迭代獲取粒子適應(yīng)度更新記憶粒子信息庫(kù)。

當(dāng)滿(mǎn)足設(shè)定的最大迭代次數(shù)時(shí)，進(jìn)入步驟6；反之則回轉(zhuǎn)至步驟3 進(jìn)行重新迭代。

獲取的最優(yōu)微粒位置的粒子結(jié)果即為優(yōu)化后X的結(jié)果，以此完成控制優(yōu)化。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文方法在艦船導(dǎo)航系統(tǒng)高精度控制中的應(yīng)用效果，將本文方法用于某艦船導(dǎo)航系統(tǒng)控制中，該艦船主要用于遠(yuǎn)程進(jìn)出口運(yùn)輸，且為滿(mǎn)載狀態(tài)，其詳細(xì)情況用表1 描述。

表1 船舶詳細(xì)參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of ship

為驗(yàn)證本文方法對(duì)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的控制性能，采用絕對(duì)誤差積分 γ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中：表示最大迭代次數(shù)。

依據(jù)該公式計(jì)算艦船在不同速度下，指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，如圖4 所示。由圖4 可知：艦船在不同的航行速度下，隨著航行時(shí)間的逐漸增加，本文方法對(duì)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)控制后 γ的指標(biāo)結(jié)果均在0.25 以下，滿(mǎn)足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。其中最大結(jié)果為0.22 左右，最小值為0.07 左右。因此，本文方法具有良好的艦船導(dǎo)航控制性能。

圖4 絕對(duì)誤差積分指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of absolute integration error integration index

為測(cè)試本文方法對(duì)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度控制效果，采用橫向和航向2 個(gè)偏差作為衡量指標(biāo)，獲取本文方法在不同的航行距離下，2 個(gè)偏差的結(jié)果，如表2所示。2 個(gè)偏差的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)分別在(-2～2) cm 和(-3.5°～3°)之間。由表2 可知，應(yīng)用本文方法后，有效完成艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度控制，使其橫向和航向2 個(gè)偏差結(jié)果均在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其中橫向最大誤差為1.55 cm，航向最大誤差為-2.2°。本文在進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)控制過(guò)程中，將橫向和航向2 個(gè)偏差值作為粒子群優(yōu)化的PID的導(dǎo)航系統(tǒng)控制方法對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的控制指標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航控制，因此可保證高精度的控制效果。

表2 橫向和航向2 個(gè)偏差指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of lateral and heading deviation indexes

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法對(duì)艦船導(dǎo)航的高精度控制效果，在不同的艦船期望航向下，采用本文方法在有風(fēng)干擾和無(wú)風(fēng)干擾情況下，進(jìn)行導(dǎo)航控制，獲取控制過(guò)程中的超調(diào)量結(jié)果(應(yīng)用要求超調(diào)量低于0.1%)，如圖5 所示?？芍?，采用本文方法對(duì)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行高精度控制后，艦船期望航向角的不斷變化，導(dǎo)航系統(tǒng)控制的超調(diào)量均在0.1% 以?xún)?nèi)，其最大超調(diào)量為0.05%，最小超調(diào)量為0%。因此本文方法具有較好的艦船導(dǎo)航高精度控制能力，可保證艦船的導(dǎo)航精準(zhǔn)程度。

圖5 控制過(guò)程中的超調(diào)量結(jié)果Fig.5 Overshoot results during control

3 結(jié) 語(yǔ)

艦船在航行過(guò)程中會(huì)受到海洋環(huán)境等干擾，導(dǎo)致航行精準(zhǔn)度受到直接影響。本文研究基于PLC 的艦船導(dǎo)航系統(tǒng)高精度控制方法，并對(duì)該方法的應(yīng)用情況進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，本文方法具有良好的控制性能，有效控制橫向和航向2 個(gè)偏差結(jié)果，導(dǎo)航高精度控制能力良好，可保證艦船的導(dǎo)航精準(zhǔn)程度。