【《船舶航向的PID控制分析案例》1600字】

船舶航向的PID控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u31829船舶航向的PID控制分析案例 1226831.1船舶航向的PID控制器设计 1298931.2PID控制系统的仿真与分析 2220221.2.1PID控制系统的仿真 2304491.2.2PID控制系统仿真结果分析 6船舶航向的PID控制器设计本章采用的PID控制器原理，如图3-1所示，是一个典型的负反馈控制器，它以阶跃信号作为给定值与以船舶的航向偏差作为实际输出值构成偏差：。u(t)e(t)u(t)e(t)-+++r(t)y(t)图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11PID控制系统原理框图其控制规律为：（STYLEREF1\s3SEQ公式\*ARABIC\s11）传递函数为：（STYLEREF1\s3SEQ公式\*ARABIC\s12）式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数；，为积分系数；，为微分系数。PID控制系统的仿真与分析PID控制系统的仿真本文采用的控制对象是一个1.5万吨重航速是的游轮[25]，其二阶Nomoto非线性响应模型的标称参数为：船舶的增益为，时间常数，，船舶的舵机特性参数为，，若取，，得出PID的控制参数为：，，。对船舶航向数学模型进行PID控制仿真，建立船舶航向PID控制系统仿真图，如图3-2所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12船舶航向PID控制系统仿真图其中，PID控制器的结构模型图，如图3-3所示；舵机的结构模型图，如图3-4所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s13PID控制器结构模型图图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s14舵机结构模型图根据公式（2-29）和已知船舶的增益，时间常数，得到海浪的结构模型图，如图3-5所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s15海浪的结构模型图得到仿真结果图：船舶航向PID控制系统仿真舵角结果图，如图3-6所示；船舶航向PID控制系统仿真航向结果图，如图3-7所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s16船舶航向PID控制系统仿真的舵角结果图由图3-6可以看出，舵角在6.71时到达峰值，舵角为1.025°，大约在163之后，舵角的波峰值小于0.05°。由图3-6可以看出，在250之后舵机的转向舵角几乎达到稳定。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s17船舶航向PID控制系统仿真的航向结果图由图3-7船舶航向PID控制系统仿真航向结果图可以看出：峰值时间；调节时间；上升时间；超调量。在模拟海风干扰时，在图3-2船舶航向PID控制系统仿真图的基础上加入海风的模型，形成加干扰的船舶航向PID控制系统仿真图，如图3-8所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s18加干扰的船舶航向PID控制系统仿真图仿真结果图：加干扰的船舶航向PID控制系统仿真舵角结果图，如图3-9所示，加干扰的船舶航向PID控制系统仿真航向结果图，如图3-10所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s19加干扰的船舶航向PID控制系统仿真的舵角结果图由图3-9可以看出，舵角在8.095时到达峰值，舵角为1.099°，时间在135之后，舵角的变化始终保持在0.3°以下，达到相对稳定。由图3-10可以得出：峰值时间；调节时间；上升时间；超调量。与图3-7船舶航向PID控制系统仿真航向结果图对比，可以看出海风的变动干扰会使船舶的航向保持在一定范围之内，但也会使船舶的航向一直变动，但航向会稳定在你某一区间范围内上下浮动。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s110加干扰的船舶航向PID控制系统仿真的航向结果PID控制系统仿真结果分析改变PID控制器的参数会使系统的动态性能指标发生改变，改变参数的性能动态指标如表3-1所示。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s11改变参数的性能动态指标峰值时间超调量调节时间上升时间改变系统输出为等幅振荡改变无无改变系统输出为等幅振荡由图3-7船舶航向PID控制系统仿真的航向结果图，可以看出PID控制系统在150秒左右趋近于稳态，虽然峰值比较大，但是系统的响应速度较快，稳定性好。由图3-7可以看出PID在没有干扰的情况下较为稳定，但是在加入干扰之后便产生了震荡，但是震荡的幅度不大，效果还不错。在本文设计的船舶航向PID控制器中，比例系数主要是为了加快响应速度和提高系统的精度，越大反应越快，精度越高。在过大时，超调量增加：在时，增加响应速度和精度增加；在时，系统处于临界稳定状态；时，调节作用太强引起振荡，系统将失去稳定，处于不稳定状态；若过小时，会影响系统的响应速度和精度，起不到应有的调节作用。而在船舶航向PID控制中，微分系数的作用是用来克服调节对象在时间常数，改善系统的动态性能，影响偏差的变化率，对偏差的变化进行提前预报。若在一定范围内增加，大约为时，峰值会减少，超调量也会减少，系统也会快速到达