摘 要

本文研究了面向船舶航向智能PID控制方法。论文主要内容为：分析了船舶运动控制技术和智能PID的发展现状，讨论了船舶运动数学模型的建立方法。简单介绍了船舶航向控制的基本原理和传统PID型自动舵的数学模型及设计过程。在传统自动舵的基础上，提出将模糊控制加入到PID自动舵中，形成一种基于模糊控制的自适应自动舵。首先对模糊控制的基本思想和基本理论进行了简单的概述，在船舶航向控制的基础上设计出船舶航向模糊控制系统，为进一步设计更高性能的模糊控制器奠定了理论基础。为了提高控制器的性能，将模糊控制与PID控制结合，设计了模糊PID控制器。利用模糊理论在线自调整PID参数，结合了模糊控制与PID控制的优点，能够良好的对船舶航向进行控制。

本文最后给出了控制器仿真曲线，仿真结果表明设计出的控制器能够达到预期的控制效果。通过改变控制器参数，比较了不同参数对船舶航向控制的效果，并且进行了总结。

关键词：智能PID；船舶航向控制；模糊控制；PID控制

Abstract

This paper studies the intelligent PID control method for ship course. The main contents of this paper are as follows: The development status of ship motion control technology and intelligent PID is analyzed, and the establishment method of ship motion mathematical model is discussed. The basic principle of ship course control and the mathematical model and design process of traditional PID autopilot are briefly introduced. On the basis of traditional autopilot, this paper proposes to add fuzzy control to PID autopilot to form an adaptive autopilot based on fuzzy control. Firstly, the basic idea and theory of fuzzy control are briefly summarized. On the basis of ship course control, a ship course fuzzy control system is designed, which lays a theoretical foundation for the further design of a higher performance fuzzy controller. In order to improve the performance of the controller, a fuzzy-PID controller is designed by combining fuzzy control with PID control. Using the fuzzy theory to adjust the PID parameters on-line, combining the advantages of fuzzy control and PID control, the ship course can be well controlled.

Finally, the simulation curve of the controller is given. The simulation results show that the designed controller can achieve the desired control effect. By changing the parameters of the controller, the effects of different parameters on ship course control are compared and summarized.

Key words: Intelligent PID；ship course control；fuzzy control；PID control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 船舶运动控制技术的发展及研究现状 1

1.2.1 机械式自动舵 2

1.2.2 PID自动舵 2

1.2.3 自适应自动舵 3

1.2.4 智能自动舵 3

1.3 智能PID的发展现状 4

1.3.1 基于模糊控制的PID控制器 4

1.3.2 基于神经网络的PID控制器 4

1.3.3 基于遗传算法的PID控制器 5

1.4 本文所做的工作 5

第2章 船舶运动数学模型建立 7

2.1船舶运动数学模型的建立 7

2.2 船舶运动的理论基础 7

2.3 船舶运动方程的建立 9

2.4 螺旋桨计算模型 10

2.5 舵力计算模型 10

2.6 本章小结 11

第3章 船舶航向模糊控制器设计 12

3.1 船舶航向控制原理 12

3.2 PID型航向自动舵设计 12

3.3 船舶航向控制器模型 13

3.4 模糊控制基本思想 14

3.5 模糊控制的结构设计 15

3.6 模糊控制规则的设计 16

第4章 自适应模糊PID控制器设计 17

4.1自适应模糊PID控制器问题的提出 17

4.2 模糊PID控制器的原理 17

4.3 模糊PID自整定调节器的结构 18

4.4 船舶自整定模糊PID控制器设计 18

第5章 控制器控制船舶航行仿真结果 22

第6章 结论 32

6.1 结论 32

6.2 经济性分析 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

随着时代的发展，人们对资源的要求越来越多，海洋拥有广阔的面积，丰富的资源，人们在海洋上不断的开发新的资源，同时随着经济全球化的发展，各国之间的海上贸易也逐渐频繁，船舶作为海上最便捷的交通工具，正在向着大型化和高速化的方向发展，然而海上的交通密度在不断变大，航行安全受到威胁，因此我们对船舶进行更加精确地控制。船舶运动控制是一个非常重要的课题，船舶的航向控制是船舶控制中最基本的控制。

在船舶航行时我们需要控制船舶的航向，船舶的运动受到其船型、装载、航速、吃水等因素的影响，船舶航行时主要考虑两个问题：稳定性问题和机动性问题。稳定性问题就是要求船舶尽量作直线航行，这样可以更快到达目的地并且可以减少燃料的使用，毕竟燃料价格很高；航向机动性问题就是可以随时精确的控制船的方向。一般说来，船舶的航向稳定性好，它的航向机动性就差。船舶上一般使用船舶自动操纵仪来进行航向控制，也就是我们常说的船舶自动舵。本论文研究面向船舶航向控制智能控制方法。

船舶运动控制是一个既古老而又现代的研究课题^[1]，早期的控制方法是Bang-Bang控制、PID控制，之后的自适应控制、鲁棒控制，到现在发展到智能控制，PID英文全称Proportion Integration Differentiation，分别表示比例，积分和微分。将这些控制方法与船舶航向控制相结合，形成了PID自动舵、自适应自动舵等一系列产品。PID控制简单、可靠、物理意义明显，目前仍然会广泛地应用到实际工程控制中，在船舶上也多有应用，其中最重要的是船舶的航向控制，随着人们更加深入的研究PID，经典的PID控制逐渐发展成自整定PID控制、自适应PID控制、增益规划式PID控制、鲁棒PID控制等改进型算法，相对于经典PID控制参数整定困难、适应性差、鲁棒性差和控制精度较低等不足的问题，这些新型的智能PID对现代工业制造更加有利。我们将智能控制技术结合到自动舵的技术当中，研究出混合型智能自动舵，这些混合型智能自动舵能够更精确的控制船舶，并且也减少了人工操作。例如将PID与模糊控制结合、PID与神经控制结合、PID与遗传算法结合、模糊控制与神经控制结合以及模糊控制与遗传算法结合等。

1.2 船舶运动控制技术的发展及研究现状

船舶的航向是由舵来控制，自动舵就成为了船舶操纵控制系统中至关重要的设备。自动舵是具有特殊重要性的一个系统，主要有三个功能：航向保持、航向改变和航迹保持控制。它是利用航向信号和指定的航向相互比较，进而控制操纵系统，使船舶保持在指定的航向上。自动舵总结了人的操舵规律，主要作用是调节船舶，改变航向。自动舵是一个闭环系统，当航向偏离时，它会自动检测并给出相应的舵角，改变航向角之后又会反馈回系统将之与规定航向比较，直到与规定航向相同。主要包括航向给定环节、航向检测环节、给定航向和实际航向比较环节、航向偏差与舵角反馈比较环节、控制器、执行机构、舵以及舵角反馈机构等。

船舶自动舵产生于20世纪20年代，到目前为止，共历经了4个发展阶段，分别为机械式自动舵、PID自动舵、自适应自动舵和智能自动舵。

1.2.1 机械式自动舵

机械式自动舵是经典控制的自动舵，也是最古老的自动舵，是由德国和美国率先推出的。在自动舵刚开始发展的时代，德国的Aushutz^[2]和美国的Sperry^[3]率先带领自己的团队研制出了机械式的自动操舵仪，这就是第一代自动舵的由来。它的出现是一个重要里程碑，从前都是人工操纵船舶，而它让人们摆脱了这种费时费力的劳动，让船舶操纵变得相对简单起来。机械式自动舵的控制器的输入是航向偏差，控制器输出为按一定比例放大之后的输入偏差将之作为舵角设定值。由于科技的不发达，各种技术的不完善，机械式自动舵还是存在很大的问题，比如只能进行简单的比例控制、只能用于低精度的航向保持、只适用于低速稳定航向的船舶等。

1.2.2 PID自动舵

20世纪50年代，科技技术水平提高，集电子学、伺服机构理论、集控制技术等技术的发展更是给自动舵的发展提供了科技基础，将各种更加先进的技术结合到自动舵的设计中，形成了新一代的自动舵，也就是PID自动舵。PID舵是在50年代开始发展起来的。由于调节器不需要详细的有关受控过程的先验知识，并且具有结构简单、参数易于调整、固有的鲁棒性等特点，PID自动舵一出世就得到了广泛的应用，并且效果良好。这就是第二代自动舵。