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Matlab仿真在船舶航向自动控制系统中的研究与仿真

2021-06-18陶小林

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本文主要采用Matlab软件对船舶的航向自动控制系统进行仿真与优化,并设计合适的PID控制策略,从多种角度对船舶的状态特性和运行稳态特性进行仿真,通过采用反馈校正算法,一定程度上提升了航向自动控制系统的精度。
0 引言

       采用Matlab软件能够实现对船舶航向自动控制系统的高精度仿真,也能够对控制策略进行优化。本文对船舶航向控制系统的模型进行设计,通过对航向控制机制的分析,融合航向模糊PID控制算法,并采用反馈控制策略,提升航向控制的准确度。

1 船舶航向控制系统模型

       航向控制系统中,需要各种控制器协调工作才能满足精准的控制要求。因此,本文在设计航向控制系统时,首先建立了航向控制机制,其作用原理如图1所示。对于控制反馈深度,其值取σ2=10/s+10。

航向控制机制

图1 航向控制机制


       假设控制器的参量值分别为ωn=2,ζ=0.2,τ=0.15,则可以得到控制器的传递函数为:

传递函数


       采用Matlab软件对船舶航向自动控制系统进行仿真时,需要建立合适的系统控制模型,通过该控制器对现场执行机构进行航向和舵角的预判,从而简化了船舶的操控方式,建立航向控制器的传递函数为:

传递函数


2 基于Matlab的航行自动控制系统建模与仿真研究

       2.1 航向模糊PID控制模型

       在航向控制器中,一般通过电压电流对执行机构进行控制,假设在控制回路中的输入和输出电压分别为:

控制回路中的输入和输出电压


       式中:

公式


       △id和△iq分别为在输入输出回路中的电流误差量。在控制器中采用PID控制时的控制量可表示为:

控制量


       式中:K和S分别为调节器的控制比例和电压增益;Kqp和Kql为电流的调节量。

       在实际的航向控制环节中,由于误差可能会被放大,因此在设计控制结构中,需要采用反馈修正法,对反馈电压进行校正,该方法会在2.2节中展开叙述。

       对于控制环中的电流,其传递函数表示为:

传递函数


       其中Tes<<Lre/Rre。作等效变换得到

等效变换


       最终得到的PID控制策略框图如图2所示。

PID控制策略

图2 PID控制策略


       为了能够统一控制航向控制器的输入和输出电流,本文采用的调节器参数都相同,即

公式


       因此,闭环的传输函数为:

闭环的传输函数


       为了便于在仿真软件中获得真实的比例调节量,设计的电流调节器参数需要满足Kcp/Kcl=Lre/Rre,最终的调节量为:

最终的调节量


       2.2 反馈校正算法

       在控制系统中引入反馈有利于提高系统的稳定性,也能够提升抗干扰能力,因此在如图2所示的PID控制策略中加入了反馈控制环节。其中反馈量的大小由下式决定:

公式


       反馈控制误差为:

公式


       当反馈误差为GC(S)G2(S)=1时,此时系统发生了完全负反馈,输入到系统的信号完全与输出量相等,此时系统可能会发生不稳定现象。因此,必须根据系统的需求,对反馈量的大小进行适当的选择。此时的误差为0,即R(s)=0时,则

公式


       此时若Gd(S)=-1/G1(s),系统的控制误差会达到最低水平,并且反馈量维持平衡。因此,在后期的仿真实验中,可采用不断迭代的方法,最终使PID控制系统找到一个平衡点,在这个平衡点,船舶的航向控制系统能够收敛,同时也避免了失控的情形。

       2.3 频域响应仿真

       在控制系统的传递函数中,需要考虑到高频的干扰,因此重新建立其控制函数为:

公式


       阶跃响应方程为:

公式


       式中:A与φ(0)相等;Aj与φ(s)相等;而Bk和Ck分别为闭环系统的复数极点。而极点坐标的解为

公式


       在仿真系统中,对航向自动控制系统的高阶响应模型进行试验,在初始激励条件下,得到的时域响应波形如图3所示。

时域响应

图3 时域响应

3 结语

       随着Matlab软件的广泛使用,船舶的自动控制系统设计也变得更加合理,一定程度上降低了设计成本,也有利于控制系统的升级,本文主要研究了航行控制技术,采用了PID控制的方法,改善了控制系统的稳定性。
 
责任编辑:程玥
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