基于改進模糊-PID 的船舶自動舵控制方法

呂 旭，胡柏青，雷 娜

（1.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033； 2.錦州航星集團錦州航星船舶科技有限公司，遼寧 錦州 121000）

0 引言

船舶自動舵是一種用于對船舶航行方向自動控制的系統，是船舶穩定運行中必不可少的重要設備。船舶自動舵的性能直接影響著船舶航行的安全性、穩定性和經濟性。自動舵的運行原理主要是根據發出的指令信號要求，自動識別并完成操控船舶舵機的裝置，可有效代替舵手對舵機的操控，從而保證船舶在制定的指令航線上航行[1]。自動舵的控制方法可分為2 種：一種是航向自動舵，用于保證船舶可以對指令航向自動跟蹤，達到保持船舶航向或改變船舶航向的目的；另一種是航跡自動舵，用于對船舶的行船軌跡進行精準控制，使船舶按照規定航行路線精準行駛。當前該領域研究學者在對船舶自動舵研究時，主要針對其自動化和智能化水平提高為主，并盡可能保證航行的安全性和經濟性[2]。

1 基于改進模糊-PID 的船舶自動舵控制方法設計

1.1 基于改進模糊-PID 的自動舵控制語言變量確定

二維模糊控制裝置作為控制方法中的主要控制裝置。定義本文船舶航向的偏差為E；船舶航向偏差變化率為EC；自動舵舵角的變化增量為P。其中E 和EC 作為控制裝置的輸入變量，P 作為控制裝置的輸出變量。

根據傳統自動舵的運行原理，采用傳感器對船舶的航向偏差進行測量。在對自動舵進行控制時，為了可以精確地反映出航向偏差的變化趨勢，在二維模糊控制裝置結合改進模糊-PID 將輸入變量加上偏差變化率，以此模擬傳統舵手控制經驗對自動舵進行控制。對自由多航向偏差及偏差變化率進行定義，得出如下表達式：

根據船舶對自動舵的控制需要，對模糊變量E、EC和P 設 置 量 化 論 域：A、B、C，其 中A={-10,-8,-6,-4,-2,-0,+0,2,4,6,8,10}；B={-10,-8,-6,-4,-2,0,2,4,6,8,10}；C={-12,-10,-8,-7,-6,-4,-2,0,2,4,6,8,10,12}。在對輸入變量和輸出變量的模糊子集設置，得出E={ZD,ZM,ZX,ZO,FO,FX,FM,FD}；EC={ZD,ZM,ZX,ZO, FX,FM,FD}；P={ZD,ZM,ZX,ZO,FX,FM,FD}。其中，偏差模糊集選取其中12 個元素，區分了+0 和-0，以此提高控制方法的穩態精度。其中，F 表示負值；Z 表示正值；D 表示最大值；X 表示為最小值；M 表示中間值；O 表示為0。

向控制裝置中的輸入和輸出量都是在同一個物理范圍內，而該范圍也是傳感器獲取的數值以及船舶實際自動舵的舵角范圍，屬于連續變化的模擬量，同時也是各個模糊量對應的精確量。對本文提出的基于改進模糊-PID 的船舶自動舵控制方法的輸入輸出變量的基本論域定義為：航向偏差e 為[-45°，45°]；航向偏差變化率ec 為[-1.5°/s，1.5°/s]；自動舵舵角增加量p 為[-45°，45°]。

1.2 建立自動舵模糊控制規則

本文改進模糊-PID 的控制規則設置為一組模糊條件語句，并在該條件語句當中添加相應的輸入變量和輸出變量狀態描述的語言，例如“正大”、“負小”等，本文建立的模糊變量的詞匯為本文上一小節所述。

根據語言變量，確定各個模糊控制變量的模糊子集。對于一個單獨的模糊子集進行定義，實質上是為了確定該模糊子集當中的隸屬函數呈現出的曲線形狀。對曲線再進行離散化即可得到多個隸屬度節點，各個隸屬度節點即可作為模糊控制變量的模糊子集，本文采用正態型的高斯函數作為該控制方法中的隸屬函數，其表達式如下：

式中，r0表示模糊集的平均數值；a 表示模糊集的離散程度度量， a 取值為2。根據公式（3）得出，由改進模糊邏輯變量的模糊集及對應均值如表1 所示。

表1 改進模糊邏輯變量模糊集及對應均值

公式（3）中，均值r 和模糊集的離散程度度量a 的取值主要考慮模糊-PID 中各個模糊子集隸屬函數之間的相互作用對控制裝置的控制特性影響。本文控制方法的模糊控制規則是基于傳統舵手控制策略，結合模糊控制集合、語言變量理論，在舵手控制策略語言歸納的基礎上，對控制變量進行計算。通過微型計算機完成對船舶自動舵的控制動作，從而以此替代舵手手動操作，進一步實現對船舶自動舵的模糊控制。

1.3 船舶自動舵控制動作模糊推理

本文采用的控制裝置為二維模糊控制裝置，因此為雙輸入單輸出的控制模式。根據這一特點，控制規則應當以如下公式表示：

式中，Ei表示定義在A 上的模糊子集；ECj表示定義在B 上的模糊子集；Pij表示定義在C 上的模糊子集；i 和j 分別表示不同的輸入量和輸出量，i=1,2，…，m；j=1,2，…，n。本文提出的基于改進模糊-PID 的船舶自動舵控制方法的所有輸出量是一個模糊子集，因此可以控制語言的不同取值為一種組合。但在實際應用時被控制的自動舵使能在同一時間接收一個控制變量，因此需要將模糊子集去模糊化，轉變為精準的控制變量，因此推理得出相應的控制量，再通過二維模糊控制裝置實現對船舶自動舵的控制。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準備

利用仿真實驗軟件構建2 個完全相同的船舶模型，采用sim 命令調用Simuink 仿真模型的計算適應度。設置船舶的航向角階躍變化角度分別為15°、30°和45°，設置本文控制方法為實驗組，傳統控制方法為對照組。

2.2 實驗結果與分析

根據上述實驗準備，完成仿真對比實驗，并將仿真結果繪制成如圖1 和圖2 所示。

圖1 實驗組實驗結果圖

圖2 對照組實驗結果圖

通過對比可以看出，實驗組船舶自動舵的舵角達到15°、30°和45°時用時明顯小于對照組。本文提出的基于改進模糊-PID 的船舶自動舵控制方法可有效縮短對船舶自動舵在達到預期舵角的控制時間，具有更明顯的控制效果，可實現對船舶自動舵的追蹤控制。

3 結語

船舶自動舵的控制方法一直是船舶運動控制領域研究學者重點研究的內容，船舶自動舵的控制效果與船舶的航行安全性、穩定性以及經濟性有著十分密切的聯系。本文針對傳統自動舵存在的控制問題，提出一種基于改進模糊-PID 的船舶自動舵控制方法，并通過仿真對比實驗，證明該方法的可行性。在后續的研究中，本文還將對自動舵控制的精度問題進行更加深入的研究，從而實現對船舶自動舵快速、精確的控制。