基于串级PID的船舶运动控制系统的设计

冯晓波 韩佳颖 董博通

摘要：为了改善实船控制装置的复杂性和非标准化的情况，设计将通用控制器来替代现有机-桨-舵控制系统的控制单元，构建基于串级PID的船舶运动控制系统，通过matlab编写仿真程序对控制回路进行检验证明串级PID控制的合理性。

Abstract： In order to improve the complexity and non-standardization of the actual ship control device， the general controller is designed to replace the control unit of the existing machine-propeller-rudder control system， and the ship motion control system based on cascade PID is constructed， which is written by matlab The simulation program checks the control loop to prove the rationality of the cascade PID control.

关键词：船舶;运动控制;PID

Key words： ship;motion control;PID

中图分类号：TP183                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）21-0205-02

0  引言

当前较多的船舶设备已经采用通用控制器PLC或者单片机作为控制装置[1]。但船舶的机、桨、舵系统较多仍采用非通用的控制装置[2]，控制装置结构复杂，且船舶整体运动控制调节难度较大。随着自动化进程的加快，很多学者已经开始研究将通用控制组件如PLC、单片机应用于桨和舵的控制中[3]，这促进了船舶运动控制系统的变革。本文借鉴当前无人机的运动控制理念[4]，采用通用控制装置来构建船舶的航向和速度的串级PID控制模块，而执行单元采用舵机和调速器或调速电机来执行，使控制装置简单化，也有助于控制装置的联网通信，实现机-桨-舵的整体控制。

1  船舶的控制系统

1.1 船舶的姿态描述

将船体看成一个质点，如图1所示，船体坐标系O1（X1，Y1，Z1）随船体运动，原点O1固联于船舶质心。X轴沿船身构造基线方向指向船头，Y轴指向左舷，Z轴由右手定则确定指向上方。定义船舶启航时的船体坐标系与地面坐标系O（X，Y，Z）一致。船舶的姿态由三个角度（欧拉角）表示：纵倾角？琢，航向角？茁，横倾角？酌。船舶的位置由X1，Y1，Z1三个位置参数表示。影响航行轨迹的参数主要包括航向角和对地航速。

1.2 船舶的运动控制流程

船舶控制器的控制流程如图1所示。船舶位姿六坐标参数由传感器GPS、罗经和加速度计测量。根据当前船舶所处的经纬度和目标航点可以确定目标航向，从而获得船舶当前航向角与目标航向角的偏差？驻？茁。位姿控制器通过调节舵角来减小偏航角？驻？茁使船舶航向角与目标航向一致。速度控制器根据对地航速和航速设定值的偏差调整调速器或者调速电机增减油门，改变螺旋桨的转速，满足船舶对地航速的需求。这两方面的共同作用确保船舶沿着设计航线在指定时间到达目的港。航行过程中的横倾、纵倾或者随波起伏带来船舶姿态的改变或者出现变形，影响船舶的安全，也成为现代船舶安全控制的关注点[5]。

2  串级PID航向航速控制方法

2.1 PID控制原理

把比例、积分、微分作用结合在一起，构成比例积分微分作用规律即PID作用规律。PID作用规律输入与输出的关系为：

（1）

式中K为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，e为偏差值。其中比例系数K越大，比例作用越强;积分时间Ti越小，积分作用越强;微分时间Td越小，微分作用越强。为了实现计算机的处理，将连续函数离散化成周期采样偏差函数式，离散形式为：

（2）

2.2 串级PID控制

船舶是一个非线性的系统，如果船舶采用单级 PID 算法进行控制， 会使系统存在不同程度的超调和震荡。故本设计在姿态控制中又加入角速度环，构成了串级 PID 控制器。以航向角控制为例，如图2所示。姿态串级PID控制分内环和外环，内环的输入是角速度，角速度设定值与罗经和加速度仪的测量值之间的偏差触发角速度PID控制舵机，使得角速度达到设定值。外环的输入是姿态欧拉角，设定值与四元数解算后的欧拉角之间的偏差触发角度PID设定新的角速度输入内环。船舶采用串级 PID 控制器进行控制，即使外环数据剧烈变化，仍然可以有一个良好的控制效果。速度串级PID控制与姿态控制类似。

2.3 控制系统的实现

采用matlab的simulink模块对上述船舶的运动控制进行仿真如图2所示，该仿真程序与图3的PID控制模块一一对应，本文实验设定目标轨迹为椭圆，模块1，2，3，4描述参数V，？琢，？茁，？酌的实时目标值，模块5，6，7，8设定参数？琢，？茁，？酌，V的当前测量值。第一级PID控制器的输出的目标角速度和加速度作為第二级PID控制器的输入。四元数转换为欧拉角模块输入角速度和加速度的当前计算值，用于计算第二级PID控制器的偏差。第二级PID控制器输出与控制分配模块相连。控制分配模块接收控制信号，将其分配给执行单元。航向角控制的执行单元是舵机，横倾和纵倾角的是电机，速度控制的是调速器。控制分配模块与舵机、电机和调速器间采用pwm信号通信。PID控制的常用设备包括单片机、PLC等具有pwm输出信号的控制器，输出信号与调速器或调速电机和舵机能够直接通信，这样就实现船舶舵角、纵横倾角和螺旋桨转速的控制。

仿真结果如图3所示，通过串级PID的控制作用能够使得船舶的轨迹最终回到设定的椭圆轨迹，证明串级PID程序控制系统的合理性。

3  总结与展望

本文借鉴当前无人机的运动控制方法，将其应用与船舶领域。设计船舶运动控制系统的基本框架，构建串级PID程序控制船舶的姿态和航速并应用仿真平台对控制流程进行验证。该设计采用通用控制器对船舶的舵和桨进行控制，能够简化控制设备，但其实现依赖通用控制器如PLC技术可靠性实时性等性能的改善。

参考文献：

[1]李勃良.基于PLC技术和工业现场总线技术的船舶电力监控系统设计[J].舰船科学技术，2020，42（16）：118-120.

[2]林文城.船用舵机控制系统的设计研究[J].船电技术，2020，40（09）：1-3.

[3]陈哲超.基于PLC的自动平衡控制系统及方法研究[D].北京化工大学，2018.

[4]景晓年，梁晓龙，张佳强，朱创创.基于交互多模型的无人机运动控制[J].火力与指挥控制，2017，42（12）：17-21，26.

[5]徐学东.高海情下的船舶横摇运动控制研究[J].舰船科学技术，2020，42（14）：40-42.