船舶的航向控制與定位是船舶操作性能的重要體現(xiàn),近年來,船舶的噸位不斷提高,造成了船舶定位過程中慣性增加,定位精度下降。為了解決這一問題,本文提出一種船舶的自動定位系統(tǒng),該系統(tǒng)主要利用模糊PID控制理論提高船舶自動定位的精度。通過在Matlab軟件建立船舶的六自由度運動模型和控制器模型,進(jìn)行PID控制和模糊PID控制2種控制器下的船舶自動定位誤差仿真試驗,驗證了自動定位系統(tǒng)的性能。 

【文章來源】：艦船科學(xué)技術(shù). 2020,42(18)北大核心

【文章頁數(shù)】：3 頁

【部分圖文】：

模糊PID控制器原理圖Fig.1SchematicdiagramoffuzzyPIDcontroller

f(t)dt+Tddf(t)dt]+u(t),(2)KpTiTd其中：為PID控制器的比例系數(shù)；為PID控制器的積分時間常數(shù)；為PID控制器的微分時間常數(shù)。3）模糊推理2基于模糊PID控制的船舶自動定位系統(tǒng)設(shè)計2.1船舶自動定位的運動分析通常，在描述某動態(tài)物體的運動特性時，需要建立參考坐標(biāo)系和運動坐標(biāo)系，本文為了簡化船舶海面上的定位運動，將船舶在垂直方向的垂蕩等運動形式簡化，只描述船舶在海平面內(nèi)的運動。建立靜態(tài)坐標(biāo)系O-XY和隨船坐標(biāo)系o-mn如圖2所示。圖2船舶在海平面內(nèi)的運動坐標(biāo)系Fig.2Thecoordinatesystemofshipmotioninsealevel圖中，隨船坐標(biāo)系o-mn的原點是船舶的重心位置，on軸指向船舶的航行方向，om指向右舷。兩坐標(biāo)系的位置轉(zhuǎn)換方程為：{X0=XcosβYsinβ，Y0=Ysinβ+Ycosβ，(3)(X0,Y0式中：)為船舶在靜坐標(biāo)系下的初始位置；β為兩坐標(biāo)系的夾角。2個坐標(biāo)系的速度轉(zhuǎn)換公式為：dX0dt=ucosβvsinβ，dY0dt=usinβ+vcosβ。(4)式中：u，v分別為船舶沿靜坐標(biāo)系2個軸方向的速度。建立位置轉(zhuǎn)換矩陣如下：mn=(cosβsinβsinβsinβ)XY。(5)船舶在海平面內(nèi)的運動形式包括橫堯縱堯橫蕩、舷搖等，影響船舶運動形式的外在作用力包括風(fēng)力、海浪作用力、動力系統(tǒng)推進(jìn)力等，其中，海浪作用力分為一階和二階，一階波浪力屬于高頻作用力，產(chǎn)生的效果是使船舶產(chǎn)生一個反復(fù)的振蕩運動，而對船舶的定位位置不會產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)船舶在自動定位過程的受力情況，建立船舶

MxMym0Fx1Fy1Fx2Fy2式中：和為船舶在2個坐標(biāo)軸方向的附加轉(zhuǎn)矩；為船舶的質(zhì)量；為推進(jìn)器產(chǎn)生推力在OX軸方向的分量；為海浪干擾力；為推進(jìn)器產(chǎn)生推力在OY軸方向的分量；為海風(fēng)產(chǎn)生的干擾力。2.2基于模糊PID控制的自動定位系統(tǒng)設(shè)計與特性試驗本文結(jié)合模糊PID控制原理，設(shè)計了船舶自動定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。圖3基于模糊PID控制的船舶自動定位控制器Fig.3ShipautomaticpositioningcontrollerbasedonFuzzyPIDcontrol在利用模糊PID控制器進(jìn)行船舶自動定位時，需要注意幾下幾點：1）在干擾力建模時，需要確保自動定位系統(tǒng)的傳感器采集信號的精度，確定干擾力和力矩大小，從而保證自動定位控制系統(tǒng)輸出的力和轉(zhuǎn)矩能夠滿足要求。2）進(jìn)行控制參數(shù)的誤差補償PID模糊控制器采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式需要將控制輸出的船舶位置與船舶實際位置的誤差作為輸入信號，進(jìn)行迭代控制。3）信號過濾常用的信號過濾方法包括卡爾曼濾波算法、傅里葉變換濾波算法等，信號過濾能夠消除控制器中的信號噪聲，提高控制精度。本文對比了PID控制和模糊PID控制下船舶自動定位系統(tǒng)的定位誤差，如圖4所示。圖4PID控制和模糊PID控制的定位誤差Fig.4PositioningerrorofPIDcontrolandfuzzyPIDcontrol可以看出，模糊PID控制技術(shù)產(chǎn)生的定位誤差更小，自動定位更精確。3結(jié)語船舶自動定位系統(tǒng)能夠滿足船舶在海域內(nèi)定點作業(yè)的需求，同時具有更好的操作性和定位精度。本文結(jié)合PID控制算法和模糊控制算法，設(shè)計一種基于PID模糊控制的船舶自動定位系統(tǒng)控制器，建立自動定位系統(tǒng)的運動模型，并對比了PID控制與模糊PID控制的

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于模糊PID的汽車防抱死制動系統(tǒng)[J]. 凌濱,宋夢實,邢鍵,趙永輝.  計算機仿真. 2018(10)
[2]汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的多性能指標(biāo)控制算法[J]. 凌濱,宋夢實,邢鍵,趙永輝.  機械科學(xué)與技術(shù). 2018(05)
[3]基于模糊PID的永磁同步電機矢量控制仿真[J]. 李愛平,鄧海洋,徐立云.  中國工程機械學(xué)報. 2013(01)



本文編號：3227058