考虑舵机时滞的船舶航向控制系统研究(3)
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【摘要】4 仿真研究 为了观察改进型Smith-FuzzyPID控制的控制效果,以“育鹏”轮为仿真对象,利用“育鹏”轮的船舶运动数学模型,在MATLAB平台上对PID控制、FuzzyP
4 仿真研究
为了观察改进型Smith-FuzzyPID控制的控制效果,以“育鹏”轮为仿真对象,利用“育鹏”轮的船舶运动数学模型,在MATLAB平台上对PID控制、FuzzyPID、改进型Smith-FuzzyPID3种控制方法进行仿真,进而分析研究控制器的性能。其中,“育鹏”轮的主要船舶参数如表3。
表3 “育鹏”轮的主要船舶参数Table 3 Main ship parameters of “Yupeng”参数数值参数数值两柱间长L/m189.0排水体积V /m330 000船宽B/m27.8方形系数C0.72满载吃水T/m11.0重心距舯x/m-1.8航速V/kn9.0舵叶面积a/m238
仿真结果如图5~图7。
图5 无扰动下航向输出Fig. 5 Course output without disturbance
图6 有扰动下航向输出Fig. 6 Course output with disturbance
图7 有扰动下舵角输出Fig. 7 Rudder angle output with disturbance
由图5可以看出,Smith-Fuzzy PID控制方法上升时间比另两种方法快约50 s,且系统基本没有超调,不产生震荡。由此可见,Smith-Fuzzy PID控制方法具有快速的响应性能,说明新型的控制器具备良好的静态和动态特性。
由图6可以看出,在800 s时加入模拟海浪的扰动环节[12]后,改进型Smith-Fuzzy PID 控制方法的调节时间为140 s,远小于其他两种方法的调节时间(约300 s),这说明了改进型Smith-Fuzzy PID控制具有较快的响应速度和较强的抗干扰能力。
由图7可以看出,相对另两种控制方法,改进型Smith-Fuzzy PID控制的调整舵角和舵角变化幅度均最小,并且具有极小的调整频率;在加入扰动后,舵角依然很稳定。这达到了在实际航行中用较小的舵角来实现航向控制的目的,不仅能减少频繁操舵带来的舵机磨损,还能使船舶平稳的航行,降低事故发生的概率。
综上所述,无论是定值扰动还是系统参数改变的扰动,改进型Smith-Fuzzy PID控制系统均具有快速的调节时间和较轻的震荡幅度,说明改进型Smith-Fuzzy PID具有良好的稳态特性、动态响应性和鲁棒性。
5 结 语
笔者针对船舶航向控制系统,为解决舵机时滞的问题,采取基于改进型Smith预估的Fuzzy-PID控制方法来设计航向控制器。首先建立一阶非线性船舶运动模型,再建立舵的带时滞项传递函数,其次在传统模糊PID上引入改进型Smith预估器对时滞进行补偿,使控制器具有优异的动态响应性能,最后设计仿真实验进行验证。结果表明,改进型Smith-Fuzzy PID控制可保障了系统的稳定性、动态响应性和,改善了动舵频繁带来的设备磨损和能源浪费等情况,显著提高了航向控制系统的控制品质。
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文章来源:《船舶工程》 网址: http://www.cbgczzs.cn/qikandaodu/2021/0207/343.html