本发明涉及一种基于高精度丝杆步进电机与自整定pid算法的自动舵系统，属于船舶航行过程中方向的选取以及航向保持稳定过程技术领域。
背景技术：
自动舵作为船舶辅助驾驶系统的一部分，能够帮助船员减少由于视觉长期保持不变下的航向轨迹保持等问题，能够及时检测所处航向，进行实时更正，这对降低船员工作强度，提升船舶安全效率，增强船运公司营运能力有着重要作用。对于各类型船舶而言，如大型海运船舶，在远洋运输途中，需要规划航线，确定航向并予以保持，此过程主要面临着三个问题，一是船员在面临长期驾驶过程中的视觉景物基本不变，极易产生视觉疲劳，因此带来的方向感的不确定性极易导致航向偏离，轨迹失常，增加了运输成本，甚至导致碰撞事故的发生。同时，人力成本的节节攀升导致航运企业的压力增大，而利用自动舵能够有效避免此类事故的发生。二是从船舶机械结构上而言，复杂传动结构在命令传递过程中必不可免的遭受各种损失，导致航向给定与实际给定存在偏差，难以有效实现航向保持。三是从船舶所处环境出发，在复杂多变的环境下，受风浪流的影响，船舶很难在人工乃至机械的航向保持下维持稳定，在此冲击过程中，船舶受不同力的影响，航向会不断变化，需要能针对不同航向与给定航向的差异做出比较以及针对措施。因此需要自动舵的利用来为船舶辅助驾驶提供必要的帮助。
技术实现要素：
本发明的目的是创造出了一种基于高精度丝杆步进电机与自整定pid算法的自动舵装置，该装置能够根据给定航向，通过自整定pid算法进行计算，结合独有的高精度丝杆步进电机完成对船舶舵的控制过程，从而实现船舶的航向确定与保持。在自整定pid算法中，通过高性能电脑将船舶实际航向与给定航向进行实时比对，完成差异值计算及数据处理，能够针对不同航向下的船舶实时优化，确保了船舶能够准确、迅速跟进给定航向，同时该算法具有良好的抗干扰性，在复杂多变的环境中仍然能够进行处理，提高了其适用范围。在机械结构上，利用丝杆式步进电机能够大幅度增加其传递航向角度的能力，减小由于机械结构带来的误差，同时根据调整，步进电机能够精确调整航向角，其优秀的传递速度特性能够为整个系统减小误差，提升精度带来保障。结合这两大创新部分，能够完成船舶航向的精确和迅速保持，同时增加了抗干扰性。
本发明采用如下技术方案实现：
一种基于高精度丝杆步进电机与自整定pid算法的自动舵系统，包括船艏向传感器、带有人机交互界面的计算机、模糊控制自整定pid算法和机械结构；所述机械结构包括步进电机、传动连接轴、舵杆；步进电机和舵杆上分别设置有导轨，舵杆的导轨上设置有滑块，传动连接轴分别与滑块、步进电机连接，步进电机的导轨上设置有限位开关；船艏向传感器、步进电机、限位开关分别与计算机连接；模糊控制自整定pid算法安装在计算机上；
首先，算法上，自适应模糊pid控制能够有效完成对不同环境，不同参数的自整定，针对不同船舶，周围环境的不同改变模糊控制规则表，能够完成对不同船只的自适应与自整定；其次，在机械结构上，该系统能够将电信号转变为转动量，然后转变为位移量，最终转变为角度量，实现了从电到角度的信号传递过程，同时减少机械误差；本系统能够对不同环境下的船舶实现其航向追踪过程。
所述模糊控制自整定pid算法利用pid控制器以及负反馈对整个系统进行调节，使整个非线性系统简化为可调节的基本线性系统，使其动态稳性能够得以保障；
pid控制器由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成，其输入e(t)与输出u(t)的关系为：
u(t)＝kp[e(t)+1/ti∫e(t)dt+td*de(t)/dt](1)
其中，kp为比例函数，ti为积分时间常数；td为微分时间常数；
pid参数的计算：
根据式(1)，pid参数选取对象的主要是kp、ti、td三个参数；
通过掌握操作人员或领域专家的经验和知识，通过模糊逻辑和近似推理的方法把人的经验形式化、模型化，根据所取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，并将其转化为精确量，作为馈送给被控对象或过程；模糊控制表是模糊控制算法在计算机中的表达方式，它是根据输入输出的个数、隶属函数及控制规则决定的；这一过程能够把个人操作控制形式转化为计算机能够接受，并便于计算的形式；
应用模糊推理的方法实现对pid参数进行在线自整定，从而设计出参数模糊自整定pid控制器，自适应模糊pid控制器是在pid算法的基础上，以误差和误差变化作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表来进行参数调整，来满足不同时刻误差和误差变化量对pid参数自整定的要求；利用模糊规则在线对pid的参数进行修改，即构成自适应模糊pid控制器；pid参数模糊自整定主要是找出pid三个参数和误差、误差变化量之间的模糊关系，在运行过程中通过不断检测误差、误差变化量，根据模糊控制原理对三个参数进行不断修改，以满足不同误差、误差变化量下的对控制参数的不同需求，从而使对象具有良好的动、静态性能；其核心是根据实际操作经验建立起合适的模糊控制规则表。
系统工作过程包括以下步骤：
步骤(1)、首先通过电脑输入给定航向，电脑作为整个自动舵系统的神经中枢，起到运算处理数据交换的作用；
步骤(2)、采集船艏向传感器中所获取的角度，此角度作为船舶每时每刻当前船艏向，作为pid计算中的比较量；
步骤(3)、进行pid运算过程，采用模糊自整定pid算法；
首先在误差相对较大时，仅允许p控制器工作，加快初期响应过程；当响应接近设定航向，根据已有经验及专家理论，建立起的模糊控制规则表；通过不断比较误差和误差变化量来确定三个参数的具体范围；
具体过程：首先将ki、kd设为0，kp设置为较小的值，使系统投入稳定运行；然后逐渐增大kp至系统出现等幅振荡，即达到临街振荡过程，记录此时临界振荡增益kp和临界振荡周期t；最后按照经验公式及模糊控制参数表对参数进行矫正，自行整定出相应的pid参数；
步骤(4)、将pid运算所得的结果实时传递给步进电机，步进电机根据电信号，进行一系列的运动过程，包括前进，急停、后退，来回运动过程；最终步进电机在小范围内进行来回运动，此时舵角基本不变，航向角保持稳定；机械结构上，采用步进电机——丝杆——丝杆螺母——滑块——舵的主体结构，步进电机带动丝杆转动，通过丝杆螺母能够将丝杆转动转变为精确的位移过程量，滑块能够解决丝杆螺母和舵之间的连接问题，同时增强了其兼容性，实现了将电信号转变为转动量，然后转变为位移量，最终变成角度的这一过程；
步骤(5)、通过舵的每次方向改变，船体本身会随之改动方向，船艏向传感器的作用在于能够精确测量出每次船在转动方向时的当前方向角，通过船艏向传感器的实时测区数据，完成对船舶航向误差及误差变化量这两个数据的获取；同时船艏向传感器也能监测出船舶在航向基本保持不变的情况下，航向角的偏差情况，最终通过实测，航向角误差为±1°以内。
本发明提出的一种基于高精度丝杆步进电机与自整定pid算法的自动舵系统，能够实现稳定的航向追踪。依靠有效稳定的pid算法，结合精密实用的机械结构，通过两者的结合匹配完成了对舵角以及航向的控制，实现了自动舵所需的功能。本发明实验安装在一艘三体船中，软件编译环境为vs2017，结合船艏向传感器实现数据采集等信息，进行了实验，通过实验航向角度保持在正负1度以内。
附图说明
图1为本发明系统的工作流程框图；
图2为pid算法的流程框图；
图3为模糊pid控制过程流程框图；
图4为步进电机部分的结构框图；
图5为自动舵机械结构图；
其中，1是舵杆，其尾部连接舵叶；2是固定在舵杆上的导轨；3是滑块，通过舵杆上的导轨能够移动；4是传动连接轴，用于连接步进电机和滑块；5是步进电机及其导轨；6是限位开关，用于避免步进电机超出量程；7是信号线，用于连接系统主机等采集设备。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明。
本发明提供的一种基于高精度丝杆步进电机与自整定pid算法的自动舵系统，包括船艏向传感器、带有人机交互界面的计算机、模糊控制自整定pid算法和机械结构；所述机械结构如图5所示，包括步进电机5、传动连接轴4、舵杆1；步进电机和舵杆上分别设置有导轨，舵杆的导轨2上设置有滑块3，传动连接轴4分别与滑块3、步进电机5连接，步进电机5的导轨上设置有限位开关6；船艏向传感器、步进电机、限位开关分别与计算机连接；模糊控制自整定pid算法安装在计算机上，如图2所示；包括以下各个部分：
(1)船舶航向给定采集，将船舶所需航向输入进电脑，通过对船舶给定航向进行收集。船舶实际航向是船舶航线的切线方向。船舶实际航向采集通过船艏向来确定，船艏向指向船舶中心线对应的方向，与船舶实际航向存在一定的偏差，但当船艏向稳定为一固定方向时，此时船舶实际航向与船艏向一致，通过比较船艏向与船舶实际航向之间的差异，能够作为pid算法的输入环节数据。
(2)自整定pid算法，pid算法作为整个系统的核心算法部分，负责对数据进行处理，主要是利用pid控制器(比例积分微分控制器)以及负反馈对整个系统进行调节，使整个非线性系统简化为可调节的基本线性系统。使其动态稳性能够得以保障。
pid控制器由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：
u(t)＝kp[e(t)+1/ti∫e(t)dt+td*de(t)/dt](1)
其中，kp为比例函数，ti为积分时间常数；td为微分时间常数。
比例(p)控制：
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分(i)控制：
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分(d)控制：
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
在本系统中，比例控制放大了给定航向和实际航向的差值，并将放大结果供给下一步使用，比例控制在放大比较值的同时能够放大系统的误差。因此，需要引入积分控制来消除误差，积分控制的主要作用在于能够消除稳态误差，稳态误差的存在在于船舶在达到稳定航向之后由于风浪流的影响等，船舶在达到稳定航向之后又受其他影响需要重新调节至平衡的过程中，可能存在的偏差。积分项的引入提高了系统的抗干扰能力，提高了系统的稳定性。微分控制的主要目的是在于能够克服惯性环节，由于整个自动舵从接受指令到发出指令以及指令的实施环节和船自身改向都需要一定的时间，为充分考虑时间上的滞后性，引入微分环节能过使得系统能够提前预测由于时间滞后所引起的误差，从而进一步减小了系统在时间上的误差，增加了系统的稳定性，避免了系统超调。
但是，系统给定航向与实际航向相差较大时，此时为了改进响应速度、提高响应过程，仅考虑比例控制p的作用，系统能够达到响应的最大速度。
pid参数的计算：
根据式(1)，pid参数选取对象的主要是kp、ti、td三个参数。
在pid参数的选取上，由于环境及所给定的航向角和实际航向角的不同等等，在每次的pid运算过程中，若每次都重新选取pid参数将大大增加计算工作量，增加整个工程的负荷，因此有必要利用自整定系统对pid参数进行自行确定，提高工作效率。采用模糊自适应的pid算法能够解决：1、由于精确数学模型不确定带来的结构参数不确定性，主要表现在pid的调节参数不确定；2、非模糊控制下的pid结构的稳定性不佳。
模糊pid控制过程如图3所示，通过首先掌握操作人员或领域专家的经验和知识，通过模糊逻辑和近似推理的方法把人的经验形式化、模型化，根据所取得的语言控制规则进行模糊推力，给出模糊输出判决，并将其转化为精确量，作为馈送给被控对象(或过程)。模糊控制表是模糊控制算法在计算机中的表达方式，它是根据输入输出的个数、隶属函数及控制规则等决定的。这一过程能够把个人操作控制形式转化为计算机能够接受，并便于计算的形式。模糊控制规则一般具有if-then的形式。
在pid控制器中，kp值的选取取决于系统的响应速度，增大kp能够提高响应速度，减小稳态误差，但是，kp值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定减小kp可以减小超调，提高稳定性，但是kp过小会减慢响应速度，延长调节时间。因此调节初期应适当选取较大的kp值以提高响应速度，而在调节中期，kp则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度，而在调节过程后期再将kp值调到较大值来减小静差，提高控制精度。kp的控制规则如表1所示。表中各符号表示：实际误差为e，误差变化率为ec，pb正大，pm正中，ps正小，zo零，ns负小，nm负中，nb负大。
表1kp控制规则表
在pid控制器中，积分控制主要是用来消除系统的稳态误差。由于某些原因(如饱和非线性等)，积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在过程的后期，则应增强积分作用，以减小调节静差。依据以上分析，制定的ki控制规则表如表2所列。
表2ki控制规则表
微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的，微分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。系统的微分环节系数能反映信号变化的趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快响应速度，减少调整时间，消除振荡.最终改变系统的动态性能。因此，kd值的选取对调节动态特性影响很大。kd值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；kd值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小甚至避免超调；而在中期，由于调节特性对kd值的变化比较敏感，因此，kd值应适当小一些并应保持固定不变；然后在调节后期，kd值应减小，以减小被控过程的制动作用，进而补偿在调节过程初期由于kd值较大所造成的调节过程的时间延长。依据以上分析，制定的kd控制规则表如表3所列。
表3kd控制规则表
模糊控制器的规则基于专家知识或长期操作人员，它是按照人的直觉推理的一种语言表示形式。最常见的模糊规则为if-then，通过kp、ki及kd模糊控制规则表，可以给出模糊规则：
例：ifeisnbandecisnbthenkpispb
应用模糊推理的方法可实现对pid参数进行在线自整定，从而设计出参数模糊自整定pid控制器，自适应模糊pid控制器是在pid算法的基础上，以误差和误差变化作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表来进行参数调整，来满足不同时刻误差和误差变化量对pid参数自整定的要求。利用模糊规则在线对pid的参数进行修改，即构成自适应模糊pid控制器。pid参数模糊自整定主要是找出pid三个参数(kp、ti、td)和误差、误差变化量之间的模糊关系，在运行过程中通过不断检测误差、误差变化量，根据模糊控制原理对三个参数进行不断修改，以满足不同误差、误差变化量下的对控制参数的不同需求，从而使对象具有良好的动、静态性能。其核心是根据实际操作经验建立起合适的模糊规则表。
(3)在信号通过步进电机传递给舵机形成完整的舵角控制过程中，主要用到步进点击、丝杆、滑块和舵。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，其结构如图4所示。它在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。因此，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时，可以通过控制脉冲频率来控制点击转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。丝杆作为步进电机的传动装置，通过螺丝螺母与步进电机紧密结合，能够借此实现联动，步进电机负责将电信号转化为转动角度信号以及转动速度信号，配合丝杆以及连在丝杆上的外部机械实现精密的线性运动。步进电机的控制方式一般有两种：一种是角度控制，通过指令对，每输入一个电子脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度。另一种是速度控制，步进电机绕组中送入的连续脉冲，各相绕组轮流通电之后，步进电机连续转动，它的转速与脉冲频率成正比。该变通电顺序，即改版定子磁场旋转方向，就可以控制电机正反转。步进电机的另一大特性是其具有自锁功能。当控制脉冲停止输入之后，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置上，这样就实现了步进电机的停车。在本系统中，步进电机的量程有限(由于丝杆长度的限制)，步进电机需要限位装置来解决量程问题。因此引入接触式限位开关，通过安装接触式限位开关，当丝杆上的丝杆螺母运动到左右两端时，在碰上限位开关后，限位开关将电信号传递给电脑，电脑迅速响应向步进电机发出急停指令，步进电机停止转动，保护了整个丝杆及传动装置的安全性。
在完成步进电机把电信号到速度、距离信号的转变之后，需要与舵连接起来，实现舵角度的偏转。通过滑块作为中介装置连接起丝杆螺母和舵杆，从而控制了舵角，最终实现了船舶航向角的改变，利用滑块不仅能够实现所需的功能，同时滑块起到润滑的作用，在从距离信号到舵角信号的转变上，滑块能够减小这一过程中机械结构上的误差，提高了精准性。
本发明的整体流程如图1所示，包括以下各步骤：
(1)首先通过电脑输入给定航向，电脑作为整个自动舵系统的神经中枢，起到运算处理数据交换的作用。
(2)采集船艏向传感器中所获取的角度，此角度作为船舶每时每刻当前船艏向，作为pid计算中的比较量。
(3)进行pid运算过程，采用模糊自整定pid算法。首先在误差相对较大时，仅允许p控制器工作，加快初期响应过程。当响应接近设定航向，根据已有经验及专家理论，建立起的模糊控制规则表。通过不断比较误差和误差变化量来确定三个参数的具体范围，同时满足响应曲线具有良好的动、静态特性。具体过程：首先将kikd设为0，kp设置为较小的值，使系统投入稳定运行。然后逐渐增大kp至系统出现等幅振荡，即达到临街振荡过程，记录此时临界振荡增益kp和临界振荡周期t。最后按照经验公式及模糊控制参数表对参数进行矫正，自行整定出相应的pid参数。
(4)将pid运算所得的结果实时传递给步进电机，步进电机根据电信号，进行一系列的运动过程，包括前进，急停、后退，来回运动等过程。最终步进电机在小范围内进行来回运动，此时舵角基本不变，航向角保持稳定。机械结构上，采用步进电机——丝杆——丝杆螺母——滑块——舵的主体结构，步进电机带动丝杆转动，通过丝杆螺母能够将丝杆转动转变为精确的位移过程量，滑块能够解决丝杆螺母和舵之间的连接问题，同时增强了其兼容性，实现了将电信号转变为转动量，然后转变为位移量，最终变成角度的这一过程。
(5)通过舵的每次方向改变，船体本身会随之改动方向，船艏向传感器的作用在于能够精确测量出每次船在转动方向时的当前方向角，通过船艏向传感器的实时测区数据，完成对船舶航向误差及误差变化量这两个数据的获取。同时船艏向传感器也能监测出船舶在航向基本保持不变的情况下，航向角的偏差情况，最终通过实测，航向角误差为±1°以内。