基于模糊PID算法的船舶航向控制器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术针对采用模糊PID控制算法，实现船舶舵机的自适应调控。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及船舶控制技术，尤其涉及一种基于模糊PID算法的船舶航向控制器。
技术介绍
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。舵机作为船舶航向控制的被控对象，是船舶航行的重要设备。对一些普通的舵机控制系统，很多存在系统采集精度低、系统反应不够迅速、舵机偏转精度不够理想以及舵机传动不够协调等问题。本世纪20年代,美国的Sperry和德国的Ansuchz在陀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舵,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,这是第一代自动舵.机械式自动舵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。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舵问世了,这就是著名的PID舵.。自然PID舵比第一代自动舵有长足进步,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,因而操舵频繁,操舵幅度大,能耗显著。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舵从实验室装到实船上,正式形成了第三代自动舵。自适应舵在提高控制精度、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,控制效果难以保证,有时甚至影响系统的稳定性。从80年代开始,人们就开始寻找类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第4代的智能舵。目前，已提出3种智能控制方法,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舵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舵,这种自动舵能把船舶控制在给定的计划航线上。本专利技术针对以上问题采用模糊-PID控制算法，实现船舶舵机的自适应调控。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，以实现轮船转向的低误差，保证了转动的适时与平滑。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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：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；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PID控制算法为： U ( n ) = K P * e ( n ) + K I Σ i = 0 n - 1 e ( i ) + K D [ e ( n ) - e ( n - 1 ) ] ]]>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；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。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：设|E|为偏差变量，|EC|为偏差变化率；(1)当|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KD，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|E|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，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|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。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：先计算输出量模糊集U1中各元素Xi(i＝1,2,3...)与其隶属度μi的乘积，再计算该乘积和的平均值，即平均值X0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X0，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，则 U = u m a x + u m i n 2 + k ( X 0 - Z m a x + Z min 2 ) , ]]>式中称为比例因子，U为控制执行机构的实际控制量，即PID参数。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术轮船舵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。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的船舶航向控制器结构示意图；图2是本专利技术实施例的四相反应式步进电机工作原理图本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：U(n)=KP*e(n)+KIΣi=0n-1e(i)+KD[e(n)-e(n-1)]]]>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。

【技术特征摘要】
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： U ( n ) = K P * e ( n ) + K I Σ i = 0 n - 1 e ( i ) + K D [ e ( n ) - e ( n - 1 ) ] ]]>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
\t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...

【专利技术属性】
技术研发人员：许湘莲，安蒙强，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42