PID控制在船舶自动定位中的应用
发布时间：2021-06-13 05:07
船舶的航向控制与定位是船舶操作性能的重要体现,近年来,船舶的吨位不断提高,造成了船舶定位过程中惯性增加,定位精度下降。为了解决这一问题,本文提出一种船舶的自动定位系统,该系统主要利用模糊PID控制理论提高船舶自动定位的精度。通过在Matlab软件建立船舶的六自由度运动模型和控制器模型,进行PID控制和模糊PID控制2种控制器下的船舶自动定位误差仿真试验,验证了自动定位系统的性能。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(18)北大核心
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
模糊PID控制器原理图Fig.1SchematicdiagramoffuzzyPIDcontroller
f(t)dt+Tddf(t)dt]+u(t),(2)KpTiTd其中：为PID控制器的比例系数；为PID控制器的积分时间常数；为PID控制器的微分时间常数。3）模糊推理2基于模糊PID控制的船舶自动定位系统设计2.1船舶自动定位的运动分析通常，在描述某动态物体的运动特性时，需要建立参考坐标系和运动坐标系，本文为了简化船舶海面上的定位运动，将船舶在垂直方向的垂荡等运动形式简化，只描述船舶在海平面内的运动。建立静态坐标系O-XY和随船坐标系o-mn如图2所示。图2船舶在海平面内的运动坐标系Fig.2Thecoordinatesystemofshipmotioninsealevel图中，随船坐标系o-mn的原点是船舶的重心位置，on轴指向船舶的航行方向，om指向右舷。两坐标系的位置转换方程为：{X0=XcosβYsinβ，Y0=Ysinβ+Ycosβ，(3)(X0,Y0式中：)为船舶在静坐标系下的初始位置；β为两坐标系的夹角。2个坐标系的速度转换公式为：dX0dt=ucosβvsinβ，dY0dt=usinβ+vcosβ。(4)式中：u，v分别为船舶沿静坐标系2个轴方向的速度。建立位置转换矩阵如下：mn=(cosβsinβsinβsinβ)XY。(5)船舶在海平面内的运动形式包括横尧纵尧横荡、舷摇等，影响船舶运动形式的外在作用力包括风力、海浪作用力、动力系统推进力等，其中，海浪作用力分为一阶和二阶，一阶波浪力属于高频作用力，产生的效果是使船舶产生一个反复的振荡运动，而对船舶的定位位置不会产生较大的影响。根据船舶在自动定位过程的受力情况，建立船舶
MxMym0Fx1Fy1Fx2Fy2式中：和为船舶在2个坐标轴方向的附加转矩；为船舶的质量；为推进器产生推力在OX轴方向的分量；为海浪干扰力；为推进器产生推力在OY轴方向的分量；为海风产生的干扰力。2.2基于模糊PID控制的自动定位系统设计与特性试验本文结合模糊PID控制原理，设计了船舶自动定位系统，该系统的原理图如图3所示。图3基于模糊PID控制的船舶自动定位控制器Fig.3ShipautomaticpositioningcontrollerbasedonFuzzyPIDcontrol在利用模糊PID控制器进行船舶自动定位时，需要注意几下几点：1）在干扰力建模时，需要确保自动定位系统的传感器采集信号的精度，确定干扰力和力矩大小，从而保证自动定位控制系统输出的力和转矩能够满足要求。2）进行控制参数的误差补偿PID模糊控制器采用负反馈调节，这种调节方式需要将控制输出的船舶位置与船舶实际位置的误差作为输入信号，进行迭代控制。3）信号过滤常用的信号过滤方法包括卡尔曼滤波算法、傅里叶变换滤波算法等，信号过滤能够消除控制器中的信号噪声，提高控制精度。本文对比了PID控制和模糊PID控制下船舶自动定位系统的定位误差，如图4所示。图4PID控制和模糊PID控制的定位误差Fig.4PositioningerrorofPIDcontrolandfuzzyPIDcontrol可以看出，模糊PID控制技术产生的定位误差更小，自动定位更精确。3结语船舶自动定位系统能够满足船舶在海域内定点作业的需求，同时具有更好的操作性和定位精度。本文结合PID控制算法和模糊控制算法，设计一种基于PID模糊控制的船舶自动定位系统控制器，建立自动定位系统的运动模型，并对比了PID控制与模糊PID控制的
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于模糊PID的汽车防抱死制动系统[J]. 凌滨,宋梦实,邢键,赵永辉. 计算机仿真. 2018(10)
[2]汽车自适应巡航系统的多性能指标控制算法[J]. 凌滨,宋梦实,邢键,赵永辉. 机械科学与技术. 2018(05)
[3]基于模糊PID的永磁同步电机矢量控制仿真[J]. 李爱平,邓海洋,徐立云. 中国工程机械学报. 2013(01)
本文编号：3227058
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(18)北大核心
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
模糊PID控制器原理图Fig.1SchematicdiagramoffuzzyPIDcontroller
f(t)dt+Tddf(t)dt]+u(t),(2)KpTiTd其中：为PID控制器的比例系数；为PID控制器的积分时间常数；为PID控制器的微分时间常数。3）模糊推理2基于模糊PID控制的船舶自动定位系统设计2.1船舶自动定位的运动分析通常，在描述某动态物体的运动特性时，需要建立参考坐标系和运动坐标系，本文为了简化船舶海面上的定位运动，将船舶在垂直方向的垂荡等运动形式简化，只描述船舶在海平面内的运动。建立静态坐标系O-XY和随船坐标系o-mn如图2所示。图2船舶在海平面内的运动坐标系Fig.2Thecoordinatesystemofshipmotioninsealevel图中，随船坐标系o-mn的原点是船舶的重心位置，on轴指向船舶的航行方向，om指向右舷。两坐标系的位置转换方程为：{X0=XcosβYsinβ，Y0=Ysinβ+Ycosβ，(3)(X0,Y0式中：)为船舶在静坐标系下的初始位置；β为两坐标系的夹角。2个坐标系的速度转换公式为：dX0dt=ucosβvsinβ，dY0dt=usinβ+vcosβ。(4)式中：u，v分别为船舶沿静坐标系2个轴方向的速度。建立位置转换矩阵如下：mn=(cosβsinβsinβsinβ)XY。(5)船舶在海平面内的运动形式包括横尧纵尧横荡、舷摇等，影响船舶运动形式的外在作用力包括风力、海浪作用力、动力系统推进力等，其中，海浪作用力分为一阶和二阶，一阶波浪力属于高频作用力，产生的效果是使船舶产生一个反复的振荡运动，而对船舶的定位位置不会产生较大的影响。根据船舶在自动定位过程的受力情况，建立船舶
MxMym0Fx1Fy1Fx2Fy2式中：和为船舶在2个坐标轴方向的附加转矩；为船舶的质量；为推进器产生推力在OX轴方向的分量；为海浪干扰力；为推进器产生推力在OY轴方向的分量；为海风产生的干扰力。2.2基于模糊PID控制的自动定位系统设计与特性试验本文结合模糊PID控制原理，设计了船舶自动定位系统，该系统的原理图如图3所示。图3基于模糊PID控制的船舶自动定位控制器Fig.3ShipautomaticpositioningcontrollerbasedonFuzzyPIDcontrol在利用模糊PID控制器进行船舶自动定位时，需要注意几下几点：1）在干扰力建模时，需要确保自动定位系统的传感器采集信号的精度，确定干扰力和力矩大小，从而保证自动定位控制系统输出的力和转矩能够满足要求。2）进行控制参数的误差补偿PID模糊控制器采用负反馈调节，这种调节方式需要将控制输出的船舶位置与船舶实际位置的误差作为输入信号，进行迭代控制。3）信号过滤常用的信号过滤方法包括卡尔曼滤波算法、傅里叶变换滤波算法等，信号过滤能够消除控制器中的信号噪声，提高控制精度。本文对比了PID控制和模糊PID控制下船舶自动定位系统的定位误差，如图4所示。图4PID控制和模糊PID控制的定位误差Fig.4PositioningerrorofPIDcontrolandfuzzyPIDcontrol可以看出，模糊PID控制技术产生的定位误差更小，自动定位更精确。3结语船舶自动定位系统能够满足船舶在海域内定点作业的需求，同时具有更好的操作性和定位精度。本文结合PID控制算法和模糊控制算法，设计一种基于PID模糊控制的船舶自动定位系统控制器，建立自动定位系统的运动模型，并对比了PID控制与模糊PID控制的
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于模糊PID的汽车防抱死制动系统[J]. 凌滨,宋梦实,邢键,赵永辉. 计算机仿真. 2018(10)
[2]汽车自适应巡航系统的多性能指标控制算法[J]. 凌滨,宋梦实,邢键,赵永辉. 机械科学与技术. 2018(05)
[3]基于模糊PID的永磁同步电机矢量控制仿真[J]. 李爱平,邓海洋,徐立云. 中国工程机械学报. 2013(01)
本文编号：3227058
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