仿人智能PID数学特性及在应用中的仿真

海军工程大学 张 杨

船控手操盒是一种嵌入式终端设备，体积小、功耗低，更能满足特种船舶的作业要求。针对船舶动力定位控制的需求，采用仿人智能PID算法设计控制器实现该手操盒对船舶艏向的控制。

1 引言

本文主要讨论了智能PID的模糊控制规则进行函数转化，并在手操盒中模拟仿真，对动力定位技术的开发具有深远的意义。

2 仿人智能PID数学设计与特性

在一般PID控制器中，我们设定常参数为kp、ki、kd。设定e为误差、为误差变化率，则kp、ki、kd与它们的关系式为公式1：

偏差其权重的变化与偏差的变化正相关，两者要么同增大，要么同减小。而偏差变化率其权重的变化与偏差负相关，偏差增大时，偏差变化率的权重减小，反之则反之。误差e和误差变化率与权重的关系如下（公式2）：

以上函数变化曲线形状如图1所示：

图1 误差和误差变化率权重函数曲线

上面的关系式中k11、k12、k21、k22、k31、k32为比例因子，它们决定了曲线幅度；b11、b12、b21、b22、b31、b32为权重因子，它们决定了曲线的宽度，它们越大，曲线就越向左右延伸，可以通过改变b11、b12、b21、b22、b31、b32值来小幅度的调整e和在关系式中权重。

3 PID在船控手操盒中的仿真

先把船控手操盒及PID硬件电路准备好，写入程序，为了能更准确地对船体动力定位实施有效控制，我们在以上基础上加入动力定位控制功能。利用电脑软件设计出一个船体模型，将手操盒与电脑利用以太网进行连接，实现硬件间的数据传输；最后运行手操盒中基于Linux操作系统下在ARM处理器上预先写入的PID控制程序。

我们利用Matlab软件分别对此船控手操盒在有环境干扰和无环境干扰下进行仿真试验。利用写入PID控制算法的手操盒将船舶艏向控制到10°时的控制曲线分别如图2和图3。

图2 无环境干扰时仿人智能PID控制艏向图

图3 有环境干扰时仿人智能PID控制艏向图

从无干扰环境下的仿真曲线图可以看出，电脑中船舶模型的艏向值在智能PID控制器的操控下很快达到稳定状态，超调量很小，误差也满足实际使用要求。在加入海洋环境干扰这一条件后，艏向值会 出现波动，因为使用了智能PID控制器进行控制，船舶模型的艏向值在10°左右波动，即使出现较大艏向值波动，也能很快恢复到设定值，也满足设计要求，这与所设计的仿人智能PID控制器在线调节功能是分不开的。

通过这两组实验，可以看出所设计的手操盒具有较强的稳定性，仿人智能PID控制器也具有优良的在线调节功能，二者完美的结合可以让动力定位手操盒具有良好的控制性能。

4 结语

本文主要针对船体定位系统的需要，结合所设计的仿人智能PID数学模型，验证了在手操盒中的仿真效果。