一种船用综合操控仪的自动操纵控制算法制造技术

本发明专利技术公开了一种船用综合操控仪的自动操纵控制算法，包括如下步骤：(1)计算航向实际值和航向给定值之差，得到航向误差；(2)将航向误差输入模糊控制器，对PID控制器参数进行自适应正定；(3)将航向误差输入整定后的PID控制器，输出未限幅舵角值u

【技术实现步骤摘要】
一种船用综合操控仪的自动操纵控制算法


[0001]本专利技术属于船舶自动驾驶领域，具体涉及一种船用综合操控仪的自动操纵控制算法。

技术介绍

[0002]无人船是船舶及人工智能领域的一个研发热点，而自动舵的控制算法是其中的核心，它的性能直接影响到船舶航行的操纵性、经济性和安全性。
[0003]在远洋航行中，本船周围危险目标相对较少，航行环境良好，这时就可以采用自动驾驶将操舵人员解放出来，使船舶按照预设的航线自主航行。这在相当程度上可减少人力负担，还可节约燃料，降低人工操舵造成的机械磨损。
[0004]在现有的船舶自动驾驶系统中，当有大信号输入或其他情况使控制系统进入饱和状态时，自动驾驶系统的性能会严重降低，存在较大的偏航风险和安全隐患。因此，需要引入适当的补偿环节，通过补偿使控制系统在出现饱和现象时仍能达到比较满意的性能指标。然而，船舶是一个复杂的大型被控对象，要对其建立精确的数学控制模型(包括抗饱和补偿函数)基本不可能，实际的控制算法中一般采用简化的数学控制模型，由此控制精度等也会相应地大打折扣。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，通过模糊控制规则更好地实现PID控制，可以对用于自动驾驶的船舶综合操控仪的航向进行自动跟踪，降低人为干预需求。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种船用综合操控仪的自动操纵控制算法，包括如下步骤：(1)根据实测的被控对象的航向实际值和输入的航向给定值计算二者之差，得到航向误差；(2)将航向误差输入模糊控制器，对PID控制器参数进行自适应正定；(3)将航向误差输入整定后的PID控制器，输出未限幅舵角值u
n
；(4)计算未限幅舵角值u
n
与饱和限幅舵角值u
s
二者的差值，得到饱和误差es，判断es是否大于0，如是，则先对饱和误差es进行自适应整定，然后返回步骤(2)；如否，则以步骤(2)中整定后的PID控制器对被控对象进行控制。
[0007]进一步地，定义航向偏差E和航向偏差变化率为步骤(2)中所述模糊控制器的两个输入信号，将E和的取值范围划分为由7个语言变量表示的模糊集，为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。
[0008]进一步地，模糊控制规则为：
[0009][0010][0011]进一步地，所述步骤(2)中整定后的PID控制器的控制表达式为：
[0012][0013]u
n
为整定后的PID控制器所输出的未限幅舵角值，e(t)为航向误差，K
p
为比例系数，K
i
为积分时间常数，K
d
为微分时间常数，η为积分项自适应调整系数。
[0014]进一步地，应用模糊集合理论建立PID控制器参数K
p
、K
i
、K
d
与航向误差绝对值|E|、误差变化率之间的二元连续函数关系，并用模糊控制器根据不同的|E|和在线自整定PID控制器参数。
[0015]进一步地，所述η的自适应变化率如下式所示：
[0016][0017]其中，α>0，K
f
为抗饱和反馈增益，u
max
和u
min
分别为舵角的最大值和最小值。
[0018]进一步地，通过调整K
f
改变PID控制器的积分项，再对饱和误差es＝u
n
‑
u
s
进行积分。
[0019]进一步地，限幅舵角值u
s
的取值为：
[0020][0021]u
max
和u
min
分别为舵角的最大值和最小值。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0023]通过模糊控制规则更好地实现PID控制，可以对用于自动驾驶的船舶综合操控仪的舵角进行抗饱和控制，从而实现航向自动跟踪，减轻对机械结构的冲击，降低人为干预需求，提高控制精度与控制的响应速度，进一步保障船舶航行安全。
附图说明
[0024]图1为本专利技术一个实施例的流程图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施例，对本专利技术的技术方案做进一步说明。
[0026]如图1所示，本专利技术船用综合操控仪的自动操纵控制算法的一个实施例，包括如下步骤：(1)根据实测的被控对象的航向实际值和输入的航向给定值计算二者之差，得到航向误差；(2)将航向误差输入模糊控制器，对PID控制器参数进行自适应正定；(3)将航向误差输入整定后的PID控制器，输出未限幅舵角值u
n
；(4)计算未限幅舵角值u
n
与饱和限幅舵角值u
s
二者的差值，得到饱和误差es，判断es是否大于0，如是，则先对饱和误差es进行自适应整定，然后返回步骤(2)；如否，则以步骤(2)中整定后的PID控制器对被控对象进行控制。
[0027]在一个实施例中，定义航向偏差E和航向偏差变化率为步骤(2)中所述模糊控制器的两个输入信号，将E和的取值范围划分为由7个语言变量表示的模糊集，为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。
[0028]在一个实施例中，模糊控制规则为：
[0029][0030]在一个实施例中，所述步骤(2)中整定后的PID控制器的控制表达式为：
[0031][0032]u
n
为整定后的PID控制器所输出的未限幅舵角值，e(t)为航向误差，K
p
为比例系数，K
i
为积分时间常数，K
d
为微分时间常数，η为积分项自适应调整系数。
[0033]在一个实施例中，应用模糊集合理论建立PID控制器参数K
p
、K
i
、K
d
与航向误差绝对值|E|、误差变化率之间的二元连续函数关系，并用模糊控制器根据不同的|E|和在线自整定PID控制器参数。
[0034]在一个实施例中，所述η的自适应变化率如下式所示：
[0035][0036]其中，α>0，K
f
为抗饱和反馈增益，u
max
和u
min
分别为舵角的最大值和最小值。
[0037]在一个实施例中，通过调整K
f
改变PID控制器的积分项，再对饱和误差es＝u
n
‑
u
s
进行积分。当u
n
值超出饱和限幅舵角值u
s
时，控制器过饱和量反馈到积分器中，从而使输出舵角返回到控制限幅之内。在偏差出现大变化时，负反馈将削弱积分作用的影响，这时比例和
微分的控制作用明显，提高舵角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用综合操控仪的自动操纵控制算法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据实测的被控对象的航向实际值和输入的航向给定值计算二者之差，得到航向误差；(2)将航向误差输入模糊控制器，对PID控制器参数进行自适应正定；(3)将航向误差输入整定后的PID控制器，输出未限幅舵角值u
n
；(4)计算未限幅舵角值u
n
与饱和限幅舵角值u
s
二者的差值，得到饱和误差es，判断es是否大于0，如是，则先对饱和误差es进行自适应整定，然后返回步骤(2)；如否，则以步骤(2)中整定后的PID控制器对被控对象进行控制。2.根据权利要求1所述的船用综合操控仪的自动操纵控制算法，其特征在于，定义航向偏差E和航向偏差变化率为步骤(2)中所述模糊控制器的两个输入信号，将E和的取值范围划分为由7个语言变量表示的模糊集，为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。3.根据权利要求2所述的船用综合操控仪的自动操纵控制算法，其特征在于，模糊控制规则为：规则为：4.根据权利要求2所述的船用综合操控仪的自动操纵控制算法，其特征在于，所述步骤(2)中整定后的PID控制器的控制表达式为：u
n
为整定后的PID控制器所输出的未限幅舵角值，e(t)为航向误差，K
p
为比例系数，K
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春洋，万柳梅，胡杰，亓昕，贾文鹏，付泽坤，杨帅，郑哲，
申请(专利权)人：中船航海科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：