基于串級PID的船舶運動控制系統的設計

馮曉波 韓佳穎 董博通

摘要：為了改善實船控制裝置的復雜性和非標準化的情況，設計將通用控制器來替代現有機-槳-舵控制系統的控制單元，構建基于串級PID的船舶運動控制系統，通過matlab編寫仿真程序對控制回路進行檢驗證明串級PID控制的合理性。

Abstract： In order to improve the complexity and non-standardization of the actual ship control device， the general controller is designed to replace the control unit of the existing machine-propeller-rudder control system， and the ship motion control system based on cascade PID is constructed， which is written by matlab The simulation program checks the control loop to prove the rationality of the cascade PID control.

關鍵詞：船舶;運動控制;PID

Key words： ship;motion control;PID

中圖分類號：TP183? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0205-02

0? 引言

當前較多的船舶設備已經采用通用控制器PLC或者單片機作為控制裝置[1]。但船舶的機、槳、舵系統較多仍采用非通用的控制裝置[2]，控制裝置結構復雜，且船舶整體運動控制調節難度較大。隨著自動化進程的加快，很多學者已經開始研究將通用控制組件如PLC、單片機應用于槳和舵的控制中[3]，這促進了船舶運動控制系統的變革。本文借鑒當前無人機的運動控制理念[4]，采用通用控制裝置來構建船舶的航向和速度的串級PID控制模塊，而執行單元采用舵機和調速器或調速電機來執行，使控制裝置簡單化，也有助于控制裝置的聯網通信，實現機-槳-舵的整體控制。

1? 船舶的控制系統

1.1 船舶的姿態描述

將船體看成一個質點，如圖1所示，船體坐標系O1（X1，Y1，Z1）隨船體運動，原點O1固聯于船舶質心。X軸沿船身構造基線方向指向船頭，Y軸指向左舷，Z軸由右手定則確定指向上方。定義船舶啟航時的船體坐標系與地面坐標系O（X，Y，Z）一致。船舶的姿態由三個角度（歐拉角）表示：縱傾角？琢，航向角？茁，橫傾角？酌。船舶的位置由X1，Y1，Z1三個位置參數表示。影響航行軌跡的參數主要包括航向角和對地航速。

1.2 船舶的運動控制流程

船舶控制器的控制流程如圖1所示。船舶位姿六坐標參數由傳感器GPS、羅經和加速度計測量。根據當前船舶所處的經緯度和目標航點可以確定目標航向，從而獲得船舶當前航向角與目標航向角的偏差？駐？茁。位姿控制器通過調節舵角來減小偏航角？駐？茁使船舶航向角與目標航向一致。速度控制器根據對地航速和航速設定值的偏差調整調速器或者調速電機增減油門，改變螺旋槳的轉速，滿足船舶對地航速的需求。這兩方面的共同作用確保船舶沿著設計航線在指定時間到達目的港。航行過程中的橫傾、縱傾或者隨波起伏帶來船舶姿態的改變或者出現變形，影響船舶的安全，也成為現代船舶安全控制的關注點[5]。

2? 串級PID航向航速控制方法

2.1 PID控制原理

把比例、積分、微分作用結合在一起，構成比例積分微分作用規律即PID作用規律。PID作用規律輸入與輸出的關系為：

（1）

式中K為比例系數，Ti為積分時間，Td為微分時間，e為偏差值。其中比例系數K越大，比例作用越強;積分時間Ti越小，積分作用越強;微分時間Td越小，微分作用越強。為了實現計算機的處理，將連續函數離散化成周期采樣偏差函數式，離散形式為：

（2）

2.2 串級PID控制

船舶是一個非線性的系統，如果船舶采用單級 PID 算法進行控制， 會使系統存在不同程度的超調和震蕩。故本設計在姿態控制中又加入角速度環，構成了串級 PID 控制器。以航向角控制為例，如圖2所示。姿態串級PID控制分內環和外環，內環的輸入是角速度，角速度設定值與羅經和加速度儀的測量值之間的偏差觸發角速度PID控制舵機，使得角速度達到設定值。外環的輸入是姿態歐拉角，設定值與四元數解算后的歐拉角之間的偏差觸發角度PID設定新的角速度輸入內環。船舶采用串級 PID 控制器進行控制，即使外環數據劇烈變化，仍然可以有一個良好的控制效果。速度串級PID控制與姿態控制類似。

2.3 控制系統的實現

采用matlab的simulink模塊對上述船舶的運動控制進行仿真如圖2所示，該仿真程序與圖3的PID控制模塊一一對應，本文實驗設定目標軌跡為橢圓，模塊1，2，3，4描述參數V，？琢，？茁，？酌的實時目標值，模塊5，6，7，8設定參數？琢，？茁，？酌，V的當前測量值。第一級PID控制器的輸出的目標角速度和加速度作為第二級PID控制器的輸入。四元數轉換為歐拉角模塊輸入角速度和加速度的當前計算值，用于計算第二級PID控制器的偏差。第二級PID控制器輸出與控制分配模塊相連。控制分配模塊接收控制信號，將其分配給執行單元。航向角控制的執行單元是舵機，橫傾和縱傾角的是電機，速度控制的是調速器?？刂品峙淠K與舵機、電機和調速器間采用pwm信號通信。PID控制的常用設備包括單片機、PLC等具有pwm輸出信號的控制器，輸出信號與調速器或調速電機和舵機能夠直接通信，這樣就實現船舶舵角、縱橫傾角和螺旋槳轉速的控制。

仿真結果如圖3所示，通過串級PID的控制作用能夠使得船舶的軌跡最終回到設定的橢圓軌跡，證明串級PID程序控制系統的合理性。

3? 總結與展望

本文借鑒當前無人機的運動控制方法，將其應用與船舶領域。設計船舶運動控制系統的基本框架，構建串級PID程序控制船舶的姿態和航速并應用仿真平臺對控制流程進行驗證。該設計采用通用控制器對船舶的舵和槳進行控制，能夠簡化控制設備，但其實現依賴通用控制器如PLC技術可靠性實時性等性能的改善。

參考文獻：

[1]李勃良.基于PLC技術和工業現場總線技術的船舶電力監控系統設計[J].艦船科學技術，2020，42（16）：118-120.

[2]林文城.船用舵機控制系統的設計研究[J].船電技術，2020，40（09）：1-3.

[3]陳哲超.基于PLC的自動平衡控制系統及方法研究[D].北京化工大學，2018.

[4]景曉年，梁曉龍，張佳強，朱創創.基于交互多模型的無人機運動控制[J].火力與指揮控制，2017，42（12）：17-21，26.

[5]徐學東.高海情下的船舶橫搖運動控制研究[J].艦船科學技術，2020，42（14）：40-42.