【《船舶航向的模糊PID控制分析案例》2300字】

船舶航向的模糊PID控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2553船舶航向的模糊PID控制分析案例 1206841.1船舶航向的模糊PID控制器设计 1123951.2模糊控制系统的仿真与分析 4245031.3两种模糊规则的对比 7由于被控过程越来越复杂，无法得到准确的数学模型，而传统控制系统设计理论又无法满足控制的需求。为了使被控制系统达到稳定，研究人员提出了智能控制。本章主要内容是模糊控制器的设计、模糊PID的仿真与分析误差以及不同模糊控制规则对控制系统的影响。船舶航向的模糊PID控制器设计模糊控制简单来说是从输入与输出的映射关系，其中映射的定义是模糊控制的关键。在船舶航线的模糊控制系统中，只要根据实际经验确定航向偏差的隶属度函数和舵角控制的隶属度函数，再根据得到的隶属度函数定义模糊关系，便可得到模糊控制结构。具体控制过程如图4-1所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s11模糊控制结构在船舶航向控制中，模糊PID控制主要是利用已经定义映射关系对PID三个参数进行控制。简单来说，偏差和偏差的变化率作为模糊控制器的输入，PID三个参数的变化作为控制器的输出，并按照规律与已建立的IF—THEN规则模型，进行逻辑推理，实时改变PID的控制参数，是的控制参数满足船舶航向的需求，使得船舶具有良好的航向性能。本章研究的系统是一个双输入三输出的控制系统。船舶的航向偏差及航向偏差导数构成的双输入，PID模型的三个参数作为输出。在建立一个符合船舶航向控制的模糊控制规则首先要定义输出输入的隶属度函数，其次要将输入与输出的隶属度函数一一对应，使模糊规则满足控制要求，最后将模糊控制器应用于船舶控制系统。定义：船舶的偏差隶属度函数在[-10,10]，如图4-2所示；船舶的偏差导数隶属度函数在[-10,10]，如图4-3所示；控制系统的比例系数隶属度函数在[0,1]，如图4-4所示；控制系统的积分系数隶属度函数在[0,1]，如图4-5所示；控制系统的微分系数隶属度函数在[0,1]，如图4-6所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s12船舶的偏差隶属度函数图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s13船舶的偏差导数隶属度函数图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s14控制系统的比例系数隶属度函数图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s15控制系统的积分系数隶属度函数图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s16控制系统的微分系数隶属度函数运用已经建立偏差的隶属度函数和偏差导数的隶属度函数作为模糊控制器的输入，比例系数的隶属度函数、积分系数的隶属度函数和微分系数的隶属度函数作为控制系统的输出。根据输入与输出的关系，建立If—then模糊控制规则（详细模糊控制规则见附录）。模糊控制系统的仿真与分析对船舶航向数学模型进行模糊PID控制仿真，用Simulink建立船舶航向模糊PID控制系统仿真图，如图4-7所示：图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s17船舶航向模糊PID控制系统仿真图将传统的PID控制器与模糊控制器相结合重新构成了模糊PID控制器，模糊PID控制器的结构图，如图4-8所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s18模糊PID控制器的结构图仿真结果：船舶航向模糊PID控制系统的舵角结果图，如图4-9所示；船舶航向模糊PID控制系统的航向结果图，如图4-10所示图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s19船舶航向模糊PID控制系统的舵角结果图由图4-9可以看出，舵角在6.83时到达峰值，舵角为0.549°，大约在85.8之后，舵角的波峰值小于0.05°。由图3-3可以看出，在180之后舵机的转向舵角几乎达到稳定。由图4-10可以得出船舶航向的动态性能指标：峰值时间；上升时间；调节时间；超调量。与如图3-10常规PID控制器的动态性能对比，可以明显看出模糊PID控制系统具有超调量小，调节时间短等特点，因此模糊PID控制器比PID控制器更加适用于船舶航向控制系统图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s110船舶航向模糊PID控制系统的航向结果图在模拟海风干扰时，在图4-7图47船舶航向模糊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\s4SEQ图\*ARABIC\s111加干扰的船舶航向PID控制系统仿真图仿真结果图：加干扰的船舶航向模糊PID控制系统的舵角结果图，如图4-12所示，加干扰的船舶航向模糊PID控制系统的航向结果图，如图4-13所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s112加干扰的船舶航向模糊PID控制系统的舵角结果图由图4-12加干扰的船舶航向模糊PID控制系统的舵角结果图，可以看出8.8是波形达到峰值，峰值为0.586°，在时间到达107之后，舵角基本稳定在-0.1到0.1之间，舵角相对稳定。由图4-13加干扰的船舶航向模糊PID控制系统的航向结果图，可以得出船舶航向模糊PID控制系统的动态性能指标：峰值时间；上升时间；调节时间；超调量，由于白噪声。从图4-10船舶航向模糊PID控制系统仿真的航向结果图可以看出，模糊PID控制器的超调小，消除了稳态误差，相比PID控制具有响应时间更快，在44s左右达到峰值。在加干扰时，通过放大图，可看出控制器将输出航向误差保持在-0.1到0.1之间，基本稳定，具有很好的鲁棒性。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s113加干扰的船舶航向模糊PID控制系统的航向结果图两种模糊规则的对比在模糊控制中，模糊规则的建立是非常重要的，精确的模糊规则可以使控制器具有很好的稳定性和鲁棒性。定义一个简单地模糊控制规则，先确定隶属度函数：偏差的隶属度函数范围在[-10,10]，如图4-14所示；偏差导数的隶属度函数范围在[-1,1]，如图4-15所示；比例系数的隶属度函数范围在[0,1]，如图4-16所示；积分系数的隶属度函数范围在[0,1]，如图4-17所示；微分系数的隶属度函数范围在[0,1]，如图4-18所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s114偏差的隶属度函数图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s115偏差导数的隶属度函数图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s116比例系数的隶属度函数图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s117积分系数的隶属度函数图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s118微分系数的隶属度函数定义模糊控制规则表，如表4-1所示：表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11模糊控制规则表将已经建立的两个模糊控制规则运用到图4-7船舶航向模糊PID控制系统仿真图中，得到两种模糊控制规则航向对比图，如图4-20所示：图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s119两种模糊控制规则航向对比图由图4-20两种模糊控制规则航向对比图可以看出，两种规则的模糊控制动态性能指标，如表4-2模糊控制动态性能指标所示：表STYLEREF1\s4