0 引言

       采用Matlab软件能够实现对船舶航向自动控制系统的高精度仿真，也能够对控制策略进行优化。本文对船舶航向控制系统的模型进行设计，通过对航向控制机制的分析，融合航向模糊PID控制算法，并采用反馈控制策略，提升航向控制的准确度。

1 船舶航向控制系统模型

       航向控制系统中，需要各种控制器协调工作才能满足精准的控制要求。因此，本文在设计航向控制系统时，首先建立了航向控制机制，其作用原理如图1所示。对于控制反馈深度，其值取σ2=10/s+10。

图1 航向控制机制

       假设控制器的参量值分别为ωn=2，ζ=0.2，τ=0.15，则可以得到控制器的传递函数为：

       采用Matlab软件对船舶航向自动控制系统进行仿真时，需要建立合适的系统控制模型，通过该控制器对现场执行机构进行航向和舵角的预判，从而简化了船舶的操控方式，建立航向控制器的传递函数为：

2 基于Matlab的航行自动控制系统建模与仿真研究

       2.1 航向模糊PID控制模型

       在航向控制器中，一般通过电压电流对执行机构进行控制，假设在控制回路中的输入和输出电压分别为：

       式中：

       △id和△iq分别为在输入输出回路中的电流误差量。在控制器中采用PID控制时的控制量可表示为：

       式中：K和S分别为调节器的控制比例和电压增益；Kqp和Kql为电流的调节量。

       在实际的航向控制环节中，由于误差可能会被放大，因此在设计控制结构中，需要采用反馈修正法，对反馈电压进行校正，该方法会在2.2节中展开叙述。

       对于控制环中的电流，其传递函数表示为：

       其中Tes<<Lre/Rre。作等效变换得到

       最终得到的PID控制策略框图如图2所示。

图2 PID控制策略

       为了能够统一控制航向控制器的输入和输出电流，本文采用的调节器参数都相同，即

       因此，闭环的传输函数为：

       为了便于在仿真软件中获得真实的比例调节量，设计的电流调节器参数需要满足Kcp/Kcl=Lre/Rre，最终的调节量为：

       2.2 反馈校正算法

       在控制系统中引入反馈有利于提高系统的稳定性，也能够提升抗干扰能力，因此在如图2所示的PID控制策略中加入了反馈控制环节。其中反馈量的大小由下式决定：

       反馈控制误差为：

       当反馈误差为GC(S)G2(S)=1时，此时系统发生了完全负反馈，输入到系统的信号完全与输出量相等，此时系统可能会发生不稳定现象。因此，必须根据系统的需求，对反馈量的大小进行适当的选择。此时的误差为0，即R(s)=0时，则

       此时若Gd(S)=-1/G1(s)，系统的控制误差会达到最低水平，并且反馈量维持平衡。因此，在后期的仿真实验中，可采用不断迭代的方法，最终使PID控制系统找到一个平衡点，在这个平衡点，船舶的航向控制系统能够收敛，同时也避免了失控的情形。

       2.3 频域响应仿真

       在控制系统的传递函数中，需要考虑到高频的干扰，因此重新建立其控制函数为：

       阶跃响应方程为：

       式中：A与φ(0)相等；Aj与φ(s)相等；而Bk和Ck分别为闭环系统的复数极点。而极点坐标的解为

       在仿真系统中，对航向自动控制系统的高阶响应模型进行试验，在初始激励条件下，得到的时域响应波形如图3所示。

图3 时域响应

3 结语

       随着Matlab软件的广泛使用，船舶的自动控制系统设计也变得更加合理，一定程度上降低了设计成本，也有利于控制系统的升级，本文主要研究了航行控制技术，采用了PID控制的方法，改善了控制系统的稳定性。

声明：本文来源于互联网，麦涛网本着传播知识、相互交流与学习的目的进行转载，并为网友免费提供。文章已尽力标明转载出处，如有著作权人或出版方提出异议，或有疑问，请随时联系（tel：0731-89579179，email：office@maitaonet.com）并告知我们，以便及时删除和纠正，谢谢。