基于模糊pid算法的船舶航向控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于模糊PID算法的船舶航向控制器，控制器包括：输入单元，用于根据船舶需要的舵向偏角和步进电机驱动单元的输出，获得理想的舵角偏转；模数转换单元，用于数模转换与模数转换；模糊参数校正单元，用于根据步进电机驱动单元的输出与理想的舵角偏转进行模糊参数校正；PID调节单元，根据模糊参数校正单元和步进电机驱动单元的输出进行PID调节；PWM信号输出单元，用于根据PID调节单元的输出，输出控制步进电机工作的PWM波形；步进电机驱动单元，用于驱动步进电机控制船舶航向，并实时反馈船舶的位置、速度和舵偏角。本发明针对采用模糊PID控制算法，实现船舶舵机的自适应调控。
【专利说明】
基于模糊PID算法的船舶航向控制器
技术领域
[0001] 本发明设及船舶控制技术，尤其设及一种基于模糊PID算法的船舶航向控制器。
【背景技术】
[0002] 随着世界金融贸易行业的发展，各国海上贸易的往来日益频繁，整个船舶市场节 节攀高，出现了空前旺盛的势头。目前，对商船的航向控制无法满足现实的需求，航向控制 技术尤为低劣，使得船舶运输效率不高，海上贸易受到阻碍。舱机作为船舶航向控制的被控 对象，是船舶航行的重要设备。对一些普通的舱机控制系统，很多存在系统采集精度低、系 统反应不够迅速、舱机偏转精度不够理想W及舱机传动不够协调等问题。
[0003] 本世纪20年代，美国的Sperry和德国的Ansuchz在巧螺罗径研制工作取得实质进 展后分别独立地研制出机械式的自动舱，它的出现是一个里程碑，使人们看到了在船舶操 纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望，运是第一代自动舱.机械式自动舱只能进行简 单的比例控制，为了避免振荡，需选择低的增益，它只能用于低精度的航向保持控制。
[0004] 本世纪50年代，随着电子学和伺服机构理论的发展及应用，集控制技术和电子器 件的发展成果于一体的、更加复杂的第二代自动舱问世了，运就是著名的PID舱.。自然PID 舱比第一代自动舱有长足进步，但缺乏对船舶所处的变化着的工作条件及环境的应变能 力，因而操舱频繁，操舱幅度大，能耗显著。
[0005] 到了 60年代末，由于自适应理论和计算机技术得到了发展，人们注意到将自适应 理论引入船舶操纵成为可能，瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舱从实验室 装到实船上，正式形成了第=代自动舱。自适应舱在提高控制精度、减少能源消耗方面取得 了一定的成绩，但物理实现成本高，参数调整难度大，特别是因船舶的非线性、不确定性，控 制效果难W保证，有时甚至影响系统的稳定性。
[0006] 从80年代开始，人们就开始寻找类似于人工操舱的方法，运种自动舱就是第4代的 智能舱。目前，已提出巧巾智能控制方法，即专家系统、模糊控制和神经网络控。此外，80年代 前船舶上安装的自动舱一般只能进行航向控制，它可把船舶控制在事先给定的航向上航 行。随着全球定位系统(GPS)等先进导航设备在船舶上装备，人们开始设计精确的航迹控制 自动舱，运种自动舱能把船舶控制在给定的计划航线上。
[0007] 本发明针对W上问题采用模糊-PID控制算法，实现船舶舱机的自适应调控。通过 对外界环境的识别与反馈信号，控制系统自动作出反应，完成在精度上采集、灵敏度上校 准、实时操纵，W实现轮船转向的低误差，保证了转动的适时与平滑。
【发明内容】
[000引本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于模糊PID算 法的船舶航向控制器。
[0009]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:基于模糊PID算法的船舶航向控制 器，包括：
[0010] 输入单元，用于根据船舶需要的舱向偏角和步进电机驱动单元的输出，获得理想 的舱角偏转并输出；
[0011] 模数转换单元，用于将PID调节单元的输出进行数模转换后发送给PWM信号输出单 元，也用于将步进电机驱动单元的输出进行模数转换后发送给输入单元；
[0012] 模糊参数校正单元，用于根据步进电机驱动单元的输出与理想的舱角偏转进行模 糊参数校正；
[0013] PID调节单元，根据模糊参数校正单元的结果对PID调节单元的输出量进行调节， 其中
[0014] PID控制算法为：
[0015]
[0016] 式中：U(n)为第n个采样时刻PID调节单元的输出量;e(n)为第n个采样时刻输入单 元获得的实际偏差量;Kp、Ki、Kd分别为比例、积分和微分系数；
[0017] PWM信号输出单元，用于根据PID调节单元的输出，输出控制步进电机工作的PWM波 形；
[0018] 步进电机驱动单元，用于根据PWM波形脉冲来将电脉冲信号转变为角位移或线位 移，驱动步进电机控制船舶航向，并实时反馈船舶的位置、速度和舱偏角。
[0019] 按上述方案，所述模糊参数校正单元进行模糊参数校正时，遵循的规则如下：
[0020] 设IE I为偏差变量，IECI为偏差变化率；
[0021 ] (1)当I E I较大，即系统响应处于线性上升阶段，为了使系统响应具有较好的快速 跟踪性能，并避免因开始时偏差瞬间变大，可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范 围，应取较大的Kp和较小的Kd，同时为避免系统响应出现较大超调，需对积分作用加 W限制， 通常取Ki = O;
[0022] (2)当IeI为中等大小时，即系统处于线性平缓状态下，为使系统具有较小的超调， 应取较小的Kp，适当的Ki、Kd，W保证系统响应速度，其中Kd的取值对系统的响应速度影响较 大；
[0023] (3)当IeI较小时，即系统处于趋于稳定的阶段，为使系统具有良好的稳态性能，应 取较大的Kp、Ki，同时为避免系统在设定值附近值出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能。当 ECI较小时，Kd值可取大些，通常取为中等大小；当IEC I较大时，Kd值应取小些。
[0024] 按上述方案，所述模糊参数校正单元在校正前需要将模糊量转变为清晰量，具体 如下：
[0025] 先计算输出量模糊集化中各元素 XiQ = I, 2,3...)与其隶属度iii的乘积，再计算该
化 乘积和E縱I?誤的平均值，即 平均值Xo便是加权平均法所得模糊集合的判决结 赫 果；
[0026] 根据上述得到的档数Xo,其变化范围为[Zmin，Zmax]，实际控制量的变化范围为 [Umin , Umax],米用线性变换，贝[J
[0027]
[0028] I控制执行机构的实际控制量，即PID参 数。
[0029] 本发明产生的有益效果是:本发明轮船舱机控制系统采用模糊-PID控制算法，控 制更加精确，输出误差减小，保持了系统良好的自适应性，在自动控制的同时，保证了输出 精度，使得系统更加稳定。
【附图说明】
[0030] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0031 ]图1是本发明实施例的船舶航向控制器结构示意图；
[0032]图2是本发明实施例的四相反应式步进电机工作原理图；
[0033 ]图3是本发明实施例的控制步进电机工作的PWM波形；
[0034] 图4是本发明实施例的模糊-PID控制算法结构图；
[0035] 图5是本发明实施例的隶属函数图形；
[0036] 图6是本发明实施例的模糊规则表；
[0037] 图7是本发明实施例的模糊PID控制器输入角度5度仿真结果图形。
【具体实施方式】
[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用W解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0039] 如图1所示，船舶航向控制器主要输入单元，用于根据船舶需要的舱向偏角和步进 电机驱动单元的输出，获得理想的舱角偏转并输出；
[0040] 模数转换单元，用于将PID调节单元的输出进行数模转换后发送给PWM信号输出单 元，也用于将步进电机驱动单元的输出进行数模转换后发送给输入单元；
[0041] 模糊参数校正单元，用于将步进电机驱动单元的输出进行模糊参数校正，具体如 下：
[0042] (1)当Ie I较大，即系统响应处于线性上升阶段，为了使系统响应具有较好的快速 跟踪性能，并避免因开始时偏差瞬间变大，可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范 围，应取较大的Kp和较小的时，同时为避免系统响应出现较大超调，需对积分作用加则良制， 通常取Ki = O;
[0043] (2)当IeI为中等大小时，即系统处于线性平缓状态下，为使系统具有较小的超调， 应取较小的Kp，适当的Ki、Kd，W保证系统响应速度，其中Kd的取值对系统的响应速度影响较 大；
[0044] (3)当IeI较小时，即系统处于趋于稳定的阶段，为使系统具有良好的稳态性能，应 取较大的Kp、Ki，同时为避免系统在设定值附近值出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能。当 ECI较小时，Kd值可取大些，通常取为中等大小；当IEC I较大时，Kd值应取小些。
[0045] 其中|E|为偏差变量，|EC|为偏差变化率；
[0046] PID调节单元，根据模糊参数校正单元对PID调节单元输出量进行PID调节，其中
[0047] PID控制算法为：
[004引
[0049] 式中：U(n)为第n个采样时刻PID调节单元输出量;e(n)为第n个采样时刻输入单元 输入的偏差量;Kp、Ki、Kd分别为比例、积分和微分系数；
[0050] PWM信号输出单元，用于根据PID调节单元的输出，输出控制步进电机工作的PWM波 形；
[0051 ]步进电机驱动单元，用于根据PWM波形脉冲来将电脉冲信号转变为角位移或线位 移，驱动步进电机控制船舶航向；并反馈船舶的位置、速度、舱偏角。
[0052] 将上述单元组合，即可得到如图1所示的示意图，该图反映本次发明的整个控制系 统结构。
[0053] 其中被控制对象为步进电机，如图2所示。步进电机的转动能实现轮船舱机的转 动，从而实现轮船的航向改变。
[0054] 通过微处理器发出控制步进电机各相的Pmi波，如图3所示，即可控制步进电机的 转动角度、转动速率。步进电机的工作方式从左至右依次为单四拍、双四拍、八拍。
[0055] 下面结合图4,图5,图6来说明本次控制系统的模糊PID控制算法。
[0056] 图4描述了模糊-PID控制算法的结构，通过对输入量与反馈量(输出量)比较，得出 现存误差，然后进行模糊-PID控制，即可减小误差。若不断重复上述步骤，误差将会进一步 减小，甚至变为零。最终输出量与理想值接近相等。
[0057] 确定模糊控制的语言变量是设计模糊控制的第一步，在选择语言变量值时，既要 考虑到控制规则的灵活与细致性，又要兼顾其简单与易行的要求。一般在设计模糊控制时， 对于偏差、偏差变化率和控制量的变化等语言变量，通常综合采用"正大（PB)"，"正中 (PM)"，"正小(PS)"，"零(Z)"，"负小(NS)"，"负中（MO"和"负大(NB)"7个语言变量值来描 述。
[005引偏差变量论域{-6，-5，-4，... 0，+ 1，... +6}形式，偏差变化率论域为{-6，-5，... 0， + 1...+6}，虹、陆、1(1论域均为{-6，-4...+6}，为更好线性化系统，采用^角形隶属函数，因论 域相同，隶属函数相同，所W可用同一图形描述，其隶属函数如图5所示。
[0059] Km(m = P、I、D)的语言变量选取与偏差及偏差变化率的语言变量相同，运便于实现 模糊控制规则叙述，而并不影响实际输出量的大小。
[0060] 模糊控制的输入量一般为测量变量，首先需要进行尺度变换，把测量量转换成离 散论域中的量值，变换后通过向新的离散域中每个特定术语赋予隶属度来定义模糊集。
[0061] 对于模糊控制而言，无论是偏差还是偏差变化率，它们都是精确量的输入，要采用 模糊控制技术的话就必须把它们转换成模糊集合的隶属函数。在实际应用中采用离散精确 量的方法将其转化。方法介绍如下：
[0062] 设有输入精确量x，x的实际变化范围为[a, b]，将[a, b]区间的精确量转换为每个 隶属函数所在论域上的区间[-6，6]变化的变化量y，其变换公式为：
[0063]
[0064] 若由上式计算出的y值不是整数，可W把他归入最接近y的整数，通过对应隶属函 数，如图5所示，从而决定模糊集合，该模糊集合代表了精确量X的模糊化。
[0065] 模糊控制规则集是由一组模糊条件语句来表达的模糊控制规则，模糊状态控制表 是模糊控制规则的一种表达形式，它所表达的控制规则与模糊条件语句组表达的控制规则 是等价的。本发明的双输入单输出模糊控制规则的模糊条件语句为：If E and EC then Km。其中E为输入的偏差变量e模糊化的模糊集合，EC为偏差变化率ec模糊化的模糊集合，Km (m = P、I、D)为输出变量模糊化的模糊集合。
[0066] 根据自整定的思想及模糊控制规则，设计出本发明Km的参数模糊控制规则状态 表，如图6所示。
[0067] 模糊控制系统最终输送给执行机构的是一个精确量，因此，需要将模糊量转变为 清晰量，而清晰化基本算法有很多，本发明采用加权平均法。先计算输出量模糊集化中各元 '谋' 素 Xi(i = l，2,3...)与其隶属度iii的乘积，再计算该乘积和^縱|||的平均值，即
平均值Xo便是加权平均法所得模糊集合的判决结果。 123456 判决结果仅仅是一个档数，不能作为直接控制执行器的实际控制量，还要将运变 量进行最后一次变换。根据上述得到的档数Xo,其变化范围为[Zmin，Zmax]，实际控制量的变 化范围为[Umin，Umax]，采用线性变换，贝U 2
[0069]
称为比例因子， U为控制执行机构的实际控制量，即PID参数。 3 通过整定PID参数，即可得到按如下公式计算得到的输出控制电压信号U， 4
[0071 ] u(n) =Kpe(n)+KiEe(n)+KD[e(n)-e(n-l)]。 5 模糊PID控制器输入角度5°仿真结果如图7所示。从仿真结果可W看出，模糊-PID 控制器的响应速度快，平滑性好，输出稳定度高，且具有良好的动态响应，基本无超调。由此 可知，基于模糊-PID控制的船舶舱机控制器的控制精度高，实用性较强，有着广泛的应用前 景。 6 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可W根据上述说明加 W改进或变换， 而所有运些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于模糊PID算法的船舶航向控制器，其特征在于，包括： 输入单元，用于根据船舶需要的舵向偏角和步进电机驱动单元的输出，获得理想的舵 角偏转并输出； 模数转换单元，用于将PID调节单元的输出进行数模转换后发送给PWM信号输出单元， 也用于将步进电机驱动单元的输出进行模数转换后发送给输入单元； 模糊参数校正单元，用于根据步进电机驱动单元的输出与理想的舵角偏转进行模糊参 数校正； ID调节单元，根据模糊参数校正单元的结果对PID调节单元的输出量进行调节，其中 PID控制算法为：式中：U(n)为第η个米样时刻PID调节单元的输出量;e(n)为第η个米样时刻的输入单元 获得的实际偏差量;Kp、Ki、Kd分别为比例、积分和微分系数； PWM信号输出单元，用于根据PID调节单元的输出，输出控制步进电机工作的PWM波形； 步进电机驱动单元，用于根据PWM波形脉冲来将电脉冲信号转变为角位移或线位移，驱 动步进电机控制船舶航向，并实时反馈船舶的位置、速度和舵偏角。2. 根据权利要求1所述的基于模糊PID算法的船舶航向控制器，其特征在于，所述模糊 参数校正单元进行模糊参数校正时，遵循的规则如下： 设IE |为偏差变量，| EC |为偏差变化率； (1) 当I E |较大，即系统响应处于线性上升阶段，为了使系统响应具有较好的快速跟踪 性能，并避免因开始时偏差瞬间变大，可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围， 应取较大的Kp和较小的K D，同时为避免系统响应出现较大超调，需对积分作用加以限制，通 常取Ki = 0; (2) 当|Ε|为中等大小时，即系统处于线性平缓状态下，为使系统具有较小的超调，应取 较小的Kp，适当的K〗、KD，以保证系统响应速度，其中Kd的取值对系统的响应速度影响较大； (3) 当| E |较小时，即系统处于趋于稳定的阶段，为使系统具有良好的稳态性能，应取较 大的&、!(:，同时为避免系统在设定值附近值出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能。当| EC |较 小时，Kd值可取大些，通常取为中等大小；当| EC |较大时，Kd值应取小些。3. 根据权利要求1或2所述的基于模糊PID算法的船舶航向控制器，其特征在于，所述模 糊参数校正单元在校正前需要将模糊量转变为清晰量，具体如下： 先计算输出量模糊集山中各元素 XKiilJJ...)与其隶属度yi的乘积，再计算该乘积 和的平均值，即ζ均值Χ〇便是加权平均法所得模糊集合的判决结果； 根据上述得到的档数Χ〇,其变化范围为[Zmin，Zmax]，实际控制量的变化范围为[u min， umax]，采用线性变换，则式Η称为比例因子，U为控制执行机构的实际控制量，即PID参数。
【文档编号】G05D1/02GK105955269SQ201610315782
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】许湘莲, 安蒙强
【申请人】武汉理工大学