基于PID的NOMOTO模型航向保持控制器設計

1、大連海洋大學課程名稱：船舶機電一體化技術基于PID的Nomoto模型航向保持控制器設計Design of the course keeping controller in Nomoto model based on PID學 院 航海與船舶工程學院 學 位 類 別 專業(yè)碩士 專 業(yè) 領 域 船舶與海洋工程 姓 名 鄧英杰 學 號 2015085223012 指 導 教 師 劉雨 二一六年六月基于PID的NOMOTO模型航向保持控制器設計摘要：以大連海事大學教學實習船“育鵬”為控制對象，計算其流體動力導數(shù)，求取其Nomoto模型，在MATLAB的Simulink環(huán)境下進行右滿舵回轉試驗，驗證模型

2、有效性，在此基礎上設計PID航向保持控制器，仿真驗證其有效性。關鍵詞：Nomoto模型；回轉試驗；PID控制；航向保持0引言大連海事大學在“育鯤”輪的基礎上新建造一艘實驗船，暫命名為“育鵬”，價值3.4億元，現(xiàn)已下水。本文以該船為設計基礎，其主要參數(shù)如表1所示。兩柱間長（m）船寬（m）船 速（m/s）吃水滿載（m）方形系數(shù)排水滿載（m3）舵面積（m3）重心距中心距離（m）180.827.89.010.30.643000038-1.0表1“育鵬”主要參數(shù)（1）給該新船建立一個數(shù)學模型，保持航速17.5節(jié)，然后給船打一個恒定的35°右滿舵，即進行回轉試驗，觀察回轉特性。 （2）為該船設計

3、一個PID控制器，以保持船舶沿正東航行（ 90°），初始航首向角為0°，航速17.5節(jié)。要求控制準確，航向保持控制調節(jié)時間小于400s，最大超調量10%。1模型求取Clark水動力導數(shù)回歸公式如下所示：其中B為船寬，L為兩柱間長，Cb為方形系數(shù)，A為舵葉面積，T為吃水。這些參數(shù)都可以在表1里查到。將求得的水動力導數(shù)帶入Abkowitz模型矩陣參數(shù)公式，如下所示：m為無綱量化的船舶總質量，其計算公式為:m'=m12L3，船舶質量m可以由上表中的排水量乘以海水密度求得。I'zz為慣性距Izz的無綱量數(shù)據(jù)，其計算公式為:I'zz=Izz(12L2)，Izz

4、的計算公式為:Izz=mL216。將求得的上述矩陣參數(shù)帶入以下公式求得Nomoto公式的增益和時間常數(shù)。Nomoto傳遞函數(shù)為：K0=0.48，T0=216.58。至此，模型求解完畢。2仿真試驗在Simulink環(huán)境下，首先對該船的回轉特性進行試驗，航速17.5節(jié)，右滿舵35°。主仿真框圖如下圖所示：子仿真框圖如下圖所示：回轉試驗軌跡圖如下所示：接下來進行航向保持PID控制器的仿真試驗。指定航向正東（90°），起始航向正北（0°），速度17.5節(jié)，調整PID參數(shù)為40 250 0.002時可得到如下艏向角隨時間的變化曲線。艏向角誤差變化曲線如下圖所示：該船實際軌跡

5、和期望軌跡如下圖所示：3結果分析由回轉實驗圖可知，該船最小回轉直徑為150m，結合“育鵬”輪的實際狀況，該數(shù)據(jù)較為合理，Nomoto模型建立較為準確。由艏向角變化曲線和誤差變化曲線圖可知，調節(jié)時間在25秒左右，超調量為13左右，該PID控制器設計較合理。由航跡圖可以看出，該控制器航向保持效果較好，但是無法實現(xiàn)對期望路徑的跟蹤。4結語通過本次作業(yè)，提高了我的編程能力，讓我對船舶運動控制這一古老而又艱深的學科有了更深刻，更直觀的認識，為畢業(yè)論文的撰寫打下了堅實的基礎。最后，感謝劉雨老師在課堂上對我們學習和做人的諄諄教導，以及為我提供的重金難求的欠驅動船舶數(shù)學模型，老師是我投身自動控制行業(yè)的啟蒙者和領路人，師恩難忘。參考文獻1 張顯庫，金一丞. 控制系統(tǒng)建模與數(shù)字仿真. 大連：大連海事大學出版社，2013.2 王正林，王勝開，陳國順，等. MATLAB/Simulink