仿人智能PID數(shù)學(xué)特性及在應(yīng)用中的仿真

海軍工程大學(xué) 張 楊

船控手操盒是一種嵌入式終端設(shè)備，體積小、功耗低，更能滿足特種船舶的作業(yè)要求。針對(duì)船舶動(dòng)力定位控制的需求，采用仿人智能PID算法設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)該手操盒對(duì)船舶艏向的控制。

1 引言

本文主要討論了智能PID的模糊控制規(guī)則進(jìn)行函數(shù)轉(zhuǎn)化，并在手操盒中模擬仿真，對(duì)動(dòng)力定位技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有深遠(yuǎn)的意義。

2 仿人智能PID數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)與特性

在一般PID控制器中，我們?cè)O(shè)定常參數(shù)為kp、ki、kd。設(shè)定e為誤差、為誤差變化率，則kp、ki、kd與它們的關(guān)系式為公式1：

偏差其權(quán)重的變化與偏差的變化正相關(guān)，兩者要么同增大，要么同減小。而偏差變化率其權(quán)重的變化與偏差負(fù)相關(guān)，偏差增大時(shí)，偏差變化率的權(quán)重減小，反之則反之。誤差e和誤差變化率與權(quán)重的關(guān)系如下（公式2）：

以上函數(shù)變化曲線形狀如圖1所示：

圖1 誤差和誤差變化率權(quán)重函數(shù)曲線

上面的關(guān)系式中k11、k12、k21、k22、k31、k32為比例因子，它們決定了曲線幅度；b11、b12、b21、b22、b31、b32為權(quán)重因子，它們決定了曲線的寬度，它們?cè)酱螅€就越向左右延伸，可以通過(guò)改變b11、b12、b21、b22、b31、b32值來(lái)小幅度的調(diào)整e和在關(guān)系式中權(quán)重。

3 PID在船控手操盒中的仿真

先把船控手操盒及PID硬件電路準(zhǔn)備好，寫入程序，為了能更準(zhǔn)確地對(duì)船體動(dòng)力定位實(shí)施有效控制，我們?cè)谝陨匣A(chǔ)上加入動(dòng)力定位控制功能。利用電腦軟件設(shè)計(jì)出一個(gè)船體模型，將手操盒與電腦利用以太網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)硬件間的數(shù)據(jù)傳輸；最后運(yùn)行手操盒中基于Linux操作系統(tǒng)下在ARM處理器上預(yù)先寫入的PID控制程序。

我們利用Matlab軟件分別對(duì)此船控手操盒在有環(huán)境干擾和無(wú)環(huán)境干擾下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。利用寫入PID控制算法的手操盒將船舶艏向控制到10°時(shí)的控制曲線分別如圖2和圖3。

圖2 無(wú)環(huán)境干擾時(shí)仿人智能PID控制艏向圖

圖3 有環(huán)境干擾時(shí)仿人智能PID控制艏向圖

從無(wú)干擾環(huán)境下的仿真曲線圖可以看出，電腦中船舶模型的艏向值在智能PID控制器的操控下很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)量很小，誤差也滿足實(shí)際使用要求。在加入海洋環(huán)境干擾這一條件后，艏向值會(huì) 出現(xiàn)波動(dòng)，因?yàn)槭褂昧酥悄躊ID控制器進(jìn)行控制，船舶模型的艏向值在10°左右波動(dòng)，即使出現(xiàn)較大艏向值波動(dòng)，也能很快恢復(fù)到設(shè)定值，也滿足設(shè)計(jì)要求，這與所設(shè)計(jì)的仿人智能PID控制器在線調(diào)節(jié)功能是分不開(kāi)的。

通過(guò)這兩組實(shí)驗(yàn)，可以看出所設(shè)計(jì)的手操盒具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，仿人智能PID控制器也具有優(yōu)良的在線調(diào)節(jié)功能，二者完美的結(jié)合可以讓動(dòng)力定位手操盒具有良好的控制性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)船體定位系統(tǒng)的需要，結(jié)合所設(shè)計(jì)的仿人智能PID數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了在手操盒中的仿真效果。