一种基于模糊控制的航向控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及航向控制技术领域，提供一种基于模糊控制的航向控制方法及系统，方法包括：计算航向角差值e；将航向角差值e与航向角差值阈值范围进行比较；当航向角e超出航向角差值阈值范围时，计算PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1；模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1；将计算得到的PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1以及PID参数的修正量σKp和σKd1输入预先生成的PID参数模糊矩阵模型中，生成PID参数；将生成的PID参数输送至船舶的受控系统，进行航向控制从而实现对船舶航向的模糊控制，提升船舶航行的稳定性和航线的准确性，为船舶航行提供便利。

A Heading Control Method and System Based on Fuzzy Control

The invention relates to the technical field of course control, and provides a course control method and system based on fuzzy control. The methods include: calculating course angle difference e; comparing course angle difference e with course angle difference threshold range; calculating initial value Kp1, Kd1 and Ki1 of PID parameters when course angle e exceeds course angle difference threshold range; and calculating fuzzy calculation to obtain correction value_Kp of PID parameters. 1 and_Kd1; Input the initial values of the calculated PID parameters Kp1, Kd1 and Ki1, and the corrections of the PID parameters_Kp and_Kd1 into the pre-generated fuzzy matrix model of the PID parameters to generate the PID parameters; Transfer the generated PID parameters to the ship's controlled system for course control, so as to realize the fuzzy control of the ship's course, improve the stability of the ship's navigation and the accuracy of the course. Ships facilitate navigation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊控制的航向控制方法及系统
本专利技术属于航向控制
，尤其涉及一种基于模糊控制的航向控制方法及系统。
技术介绍
船舶上安装自动舵用于进行船舶的航向控制，其能把船舶控制在事先设定好的航向上持续航行，由于受各种条件的制约，无法实现船舶的航迹控制。随着计算机技术的发展和GPS全球卫星定位系统等先进导航设备在船舶上的安装，使船舶航迹控制成为可能。目前，在船舶上布局的航迹智能控制策略主要包括航迹自动保持和航迹自动跟踪两个功能。所谓航迹自动保持是指因海上干扰引起船舶偏离计划航线时，具有自动返回原航线的能力；所谓航迹自动跟踪是：当船舶接近转向点时能自动根据预先设定的转向半径自动转到新航向，或船舶因避让偏离计划航线后，船舶具有自动返回原航线的能力。航迹智能控制的实现，可以使船舶自动地沿着预定航线航行，这对于船舶的航行安全，省时节能等具有十分重要的意义。由于外在条件因素的存在，船舶在航行过程中，经常出现船舶自动避让或其他因素造成的船舶发生较大偏航的情形，当出现避让等导致的偏航情形时，需要对船舶进行回位调整控制，使船舶返回原先设定的应走航线进行航行，目前对于船舶的航向控制采用PID控制算法实现，但是现有的控制方式存在控制准确率较低，而且存在频繁的调整船舶航向，导致船舶稳定性较差的情形。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于模糊控制的航向控制方法，旨在解决现有技术提供的船舶航向的控制方式存在控制准确率较低，而且存在频繁的调整船舶航向，导致船舶稳定性较差的情形的问题。本专利技术是这样实现的，一种基于模糊控制的航向控制方法，所述方法包括下述步骤：计算船舶受控系统的航向角ψ与船舶系统预先设置的航向角ψ0之间的航向角差值e；将获取到的所述航向角差值e与预先设置的航向角差值阈值范围进行比较，判断所述航向角e是否在所述航向角差值阈值范围内；当所述航向角e超出所述航向角差值阈值范围时，依据所述航向角差值e以及PID控制算法，计算PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1；依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)，并将所述航向角差值e和变化率ec(t)作为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1；将计算得到的所述PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1以及PID参数的修正量σKp和σKd1输入预先生成的PID参数模糊矩阵模型中，生成PID参数；将生成的所述PID参数输送至船舶的受控系统，进行航向控制；当所述航向角e在所述航向角差值阈值范围时，控制所述受控系统继续按照当前的航向行驶。作为一种改进的方案，所述计算船舶受控系统的航向角ψ与船舶系统预先设置的航向角ψ0之间的差值e的步骤具体包括下述步骤：调用在所述船舶系统中预先设置生成的航向角ψ0，同时从所述船舶受控系统获取当前船舶的航向角ψ；在所述当前船舶的航向角ψ与所述航向角ψ0之间做差运算，计算得到所述航向角差值e，其中，e＝ψ-ψ0。作为一种改进的方案，所述依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)，并以所述航向角差值e和变化率ec(t)为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp和σKd1的步骤具体包括下述步骤：依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)；以所述航向角差值e和变化率ec(t)为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1。作为一种改进的方案，所述以所述航向角差值e和变化率ec(t)为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1的步骤具体包括下述步骤：将计算得到的所述航向角差值e和变化率ec(t)作为模糊输入量，将所述航向角差值e和变化率ec(t)转换为用原始隶属度函数表示的模糊变量的值；将用原始隶属度函数表示的模糊变量的值与预先生成的模糊逻辑规则相结合，生成新的隶属度函数；对生成的新的所述隶属度函数进行模糊解析，获取一个具有代表性的精确值作为所述PID参数的修正量σKp和σKd1。作为一种改进的方案，所述方法还包括下述步骤：预先生成PID参数模糊矩阵模型，所述PID参数模糊矩阵模型符合下述计算公式：Kp＝Kp1+Kp1*σKp1；Ki＝Ki1+Ki1*σKi；Kd＝Kd1+Kd1*σKd1；预先设置航向角差值阈值范围，所述航向角差值阈值范围作为航向控制的一个参考点；预先设置生成模糊逻辑规则；所述预先设置生成模糊逻辑规则的步骤具体包括下述步骤：设置所述航向角差值e和所述变化率ec(t)的论域均为(-5，+5)；设置所述PID参数的修正量σKp1和σKd1的论域为(-5，+5)；确定航向控制输入语言变量的模糊子集，所述输入语言变量为航向角差值e和变化率ec(t)，其中，两个所述输入语言变量均选取7个模糊集作为其语言值，分别记为{负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB}；确定航向控制输出语言变量的模糊子集，所述输出语言变量为PID参数的修正量σKp和σKd1，所述输出语言变量选取选取7个模糊集作为其语言值，分别记为{负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB}；根据选取的模糊集，分别生成PID参数的修正量σKp1和σKd1的虽对应的模糊控制规则表。本专利技术的另一目的在于提供一种基于模糊控制的航向控制系统，所述系统包括：航向角差值计算模块，用于计算船舶受控系统的航向角ψ与船舶系统预先设置的航向角ψ0之间的航向角差值e；比较判断模块，用于将获取到的所述航向角差值e与预先设置的航向角差值阈值范围进行比较，判断所述航向角e是否在所述航向角差值阈值范围内；PID初始参数计算模块，用于当所述航向角e超出所述航向角差值阈值范围时，依据所述航向角差值e以及PID控制算法，计算PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1；模糊计算模块，用于依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)，并将所述航向角差值e和变化率ec(t)作为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1；PID参数计算模块，用于将计算得到的所述PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1以及PID参数的修正量σKp1和σKd1输入预先生成的PID参数模糊矩阵模型中，生成PID参数；第一航向控制模块，用于将生成的所述PID参数输送至船舶的受控系统，进行航向控制；第二航向控制模块，用于当所述航向角e在所述航向角差值阈值范围时，控制所述受控系统继续按照当前的航向行驶。作为一种改进的方案，所述航向角差值计算模块具体包括：航向角参数调用模块，用于调用在所述船舶系统中预先设置生成的航向角ψ0；航向角参数获取模块，用于从所述船舶受控系统获取当前船舶的航向角ψ；差运算模块，用于在所述当前船舶的航向角ψ与所述航向角ψ0之间做差运算，计算得到所述航向角差值e，其中，e＝ψ-ψ0。作为一种改进的方案，所述模糊计算模块具体包括：变化率计算模块，用于依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)；修正量计算模块，用于以所述航向角差值e和变化率ec(t)为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1。作为一种改进的方案，所述修正量计算模块具体包括：转换模块，用于将计算得到的所述航向角差值e和变化率ec(t)作为模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模糊控制的航向控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：计算船舶受控系统的航向角ψ与船舶系统预先设置的航向角ψ0之间的航向角差值e；将获取到的所述航向角差值e与预先设置的航向角差值阈值范围进行比较，判断所述航向角e是否在所述航向角差值阈值范围内；当所述航向角e超出所述航向角差值阈值范围时，依据所述航向角差值e以及PID控制算法，计算PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1；依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)，并将所述航向角差值e和变化率ec(t)作为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1；将计算得到的所述PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1以及PID参数的修正量σKp和σKd1输入预先生成的PID参数模糊矩阵模型中，生成PID参数；将生成的所述PID参数输送至船舶的受控系统，进行航向控制；当所述航向角e在所述航向角差值阈值范围时，控制所述受控系统继续按照当前的航向行驶。

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊控制的航向控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：计算船舶受控系统的航向角ψ与船舶系统预先设置的航向角ψ0之间的航向角差值e；将获取到的所述航向角差值e与预先设置的航向角差值阈值范围进行比较，判断所述航向角e是否在所述航向角差值阈值范围内；当所述航向角e超出所述航向角差值阈值范围时，依据所述航向角差值e以及PID控制算法，计算PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1；依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)，并将所述航向角差值e和变化率ec(t)作为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1；将计算得到的所述PID参数初始值Kp1、Kd1和Ki1以及PID参数的修正量σKp和σKd1输入预先生成的PID参数模糊矩阵模型中，生成PID参数；将生成的所述PID参数输送至船舶的受控系统，进行航向控制；当所述航向角e在所述航向角差值阈值范围时，控制所述受控系统继续按照当前的航向行驶。2.根据权利要求1所述的基于模糊控制的航向控制方法，其特征在于，所述计算船舶受控系统的航向角ψ与船舶系统预先设置的航向角ψ0之间的差值e的步骤具体包括下述步骤：调用在所述船舶系统中预先设置生成的航向角ψ0，同时从所述船舶受控系统获取当前船舶的航向角ψ；在所述当前船舶的航向角ψ与所述航向角ψ0之间做差运算，计算得到所述航向角差值e，其中，e＝ψ-ψ0。3.根据权利要求2所述的基于模糊控制的航向控制方法，其特征在于，所述依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)，并以所述航向角差值e和变化率ec(t)为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1的步骤具体包括下述步骤：依据所述航向角差值e，计算航向角差值e的变化率ec(t)；以所述航向角差值e和变化率ec(t)为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1。4.根据权利要求3所述的基于模糊控制的航向控制方法，其特征在于，所述以所述航向角差值e和变化率ec(t)为模糊输入量，进行模糊计算，得到PID参数的修正量σKp1和σKd1的步骤具体包括下述步骤：将计算得到的所述航向角差值e和变化率ec(t)作为模糊输入量，将所述航向角差值e和变化率ec(t)转换为用原始隶属度函数表示的模糊变量的值；将用原始隶属度函数表示的模糊变量的值与预先生成的模糊逻辑规则相结合，生成新的隶属度函数；对生成的新的所述隶属度函数进行模糊解析，获取一个具有代表性的精确值作为所述PID参数的修正量σKp1和σKd1。5.根据权利要求4所述的基于模糊控制的航向控制方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤：预先生成PID参数模糊矩阵模型，所述PID参数模糊矩阵模型符合下述计算公式：Kp＝Kp1+Kp1*σKp1；Ki＝Ki1+Ki1*σKi；Kd＝Kd1+Kd1*σKd1；预先设置航向角差值阈值范围，所述航向角差值阈值范围作为航向控制的一个参考点；预先设置生成模糊逻辑规则；所述预先设置生成模糊逻辑规则的步骤具体包括下述步骤：设置所述航向角差值e和所述变化率ec(t)的论域均为(-5，+5)；设置所述PID参数的修正量σKp和σKd1的论域为(-5，+5)；确定航向控制输入语言变量的模糊子集，所述输入语言变量为航向角差值e和变化率ec(t)，其中，两个所述输入语言变量均选取7个模糊集作为其语言值，分别记为{负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB}；确定航向控制输出语言变量的模糊子集，所述输出语言变量为PID参数的修正量σKp和σKd1，所述输出语言变量选取选取7个模糊集作为其语言值，分别记为{负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB}；根据选取的模糊集，分别生成PID参数的修正量σKp1和σKd1的虽对应的模糊控制规则表。6.一种基于模糊控制的航向控制系统，其特征在于，所述系统包括：航向角差值...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁乐铮，罗文海，袁相，张扬辉，杨文广，
申请(专利权)人：袁乐铮，
类型：发明
国别省市：广东,44