考虑舵机时滞的船舶航向控制系统研究

doi:10.3969/j.issn.1674-0696.2020.12.20

重庆交通大学学报（自然科学版） ›› 2020, Vol. 39 ›› Issue (12): 124-129.DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.12.20

考虑舵机时滞的船舶航向控制系统研究

赵月林，马征，孙壮

(大连海事大学航海学院，辽宁大连 116026)

收稿日期:2019-05-23 修回日期:2019-12-15 出版日期:2020-12-18 发布日期:2020-12-18
作者简介:赵月林（1966—），男，浙江新昌人，教授，主要从事船舶操纵、船舶避碰等方面的研究。E-mail: 1215093952@qq.com 通信作者：马征(1995—)，女，吉林长春人，硕士研究生，主要从事船舶运动控制方面的研究。E-mail: 18342286463@163.com
基金资助:

Ship Heading Control System Considering Time Delay of Steering Gear

ZHAO Yuelin, MA Zheng, SUN Zhuang

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China)

Received:2019-05-23 Revised:2019-12-15 Online:2020-12-18 Published:2020-12-18
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摘要/Abstract

摘要： 舵机系统是航向控制系统中的重要执行装置，其性能的优异与否直接影响着控制品质的优良，然而由于时滞现象的存在，船舶舵机系统无法实现阶跃操舵从而导致控制性能下降。Smith预估控制对滞后系统具有良好的补偿效果，模糊PID控制兼有较好的静态稳定特性和动态响应特性。将两种控制器结合设计，充分利用各自的优势。仿真分析表明，基于Smith补偿的模糊PID航向控制系统具有准确跟踪误差的静态特性和快速-无超调的动态特性，并且具有较强的鲁棒性。

关键词: 船舶工程, 舵机时滞, 模糊PID, Smith预估补偿, 仿真

Abstract: The steering gear system is an important executive device in the course control system, and its performance directly affects the quality of control. However, due to the existence of time delay, the ship steering system cannot achieve step steering, which leads to the decline of control performance. Smith predictive control has a good compensation effect for time-delay system, and fuzzy PID control has good static stability and dynamic response characteristics. Therefore, a new controller combining with the Smith prediction controller and fuzzy PID controller was proposed, which made full use of their advantages. The simulation analysis shows that the fuzzy PID course control system based on Smith compensation has the static characteristics of accurately tracking error and the dynamic characteristics of fast and no-overshoot, and has relatively strong robustness.

Key words: marine engineering, the delay of steering gear, fuzzy PID, Smith estimated compensation, simulation

中图分类号:

U675
O319.56

赵月林，马征，孙壮. 考虑舵机时滞的船舶航向控制系统研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(12): 124-129.

ZHAO Yuelin, MA Zheng, SUN Zhuang. Ship Heading Control System Considering Time Delay of Steering Gear[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2020, 39(12): 124-129.

参考文献

［1］杨盐生.船舶航向非线性系统自适应鲁棒自动舵的设计［J］.大连海事大学学报，2002,28(3):1-4.
YANG Yansheng. Design of adaptive robust control autopilot for ship steering with uncertain nonlinear system ［J］. Journal of Dalian Maritime University, 2002,
28(3):1-4.
［2］郑云峰，杨盐生，李铁山.带有执行器的船舶航向控制反馈线性化设计［J］.大连海事大学学报，2004,30(3):14-17.
ZHENG Yunfeng, YANG Yansheng, LI Tieshan. Input-state linearization based ships course-keeping controller designs ［J］. Journal of Dalian Maritime University,
2004, 30(3):14-17.
［3］贾欣乐，杨盐生.船舶运动数学模型——机理建模与辨识建模［M］.大连：大连海事大学出版社，1999.
JIA Xinle, YANG Yansheng. Mathematical Model of Ship Motion: Mechanism Modeling and Identification Modeling ［M］. Dalian: Dalian Maritime University Press, 1999.
［4］黄忠霖，周向明.控制系统MATLAB计算及仿真实训［M］. 北京：国防工业出版社，2006.
HUANG Zhonglin, ZHOU Xiangming. MATLAB Calculation and Simulation Training of Control System ［M］. Beijing: National Defense Industry Press, 2006.
［5］董爱华，胡艳丽，薄关锋.变论域模糊PID自整定控制器的设计及仿真［J］.河南理工大学学报(自然科学版)，2010，29(5):646-649.
DONG Aihua, HU Yanli, BO Guanfeng. Design and simulation of variable universe fuzzy self-tuning PD controller ［J］. Journal of Henan Polytechnic University
(Natural Science), 2010, 29(5): 646-649.
［6］袁凤莲.Fuzzy自整定PID控制器设计及其MATLAB仿真［J］.沈阳航空工业学院学报,2006，23(1):71-73.
YUAN Fenglian. Design and MATLAB simulation of PID-controller with fuzzy self-adjusting parameter ［J］. Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering,
2006, 23(1): 71-73.
［7］ SMITH O J M. Close control of loops with deadtime ［J］. Chemistry Engineering Progress, 1957, 53(5): 217-219.
［8］安连祥，马华民，刘永刚，等.基于改进Smith预估器的二阶时滞系统［J］.计算机仿真，2011，28(1):198-200+233.
AN Lianxiang, MA Huamin, LIU Yonggang, et al. A 2th order time delay system based on improved fuzzy smith predictor ［J］. Computer Simulation, 2011, 28(1):198-
200+233.
［9］ TANG Wei, WANG Mengxiao, CHAO Yuyan, et al. A study on the internal relationship among Smith predictor, Dahlin controller & PID ［C］// 2007 IEEE
International Conference on Automation and Logistics.［s.l］: IEEE, 2007.
［10］ WANG Jiangjiang, ZHANG Chunfa, JING Youyin, et al. Study of neural network PID control in variablefrequency air-conditioning system ［C］// 2007 IEEE
International Conference on Control and Automation.［s.l］: IEEE,2007.
［11］杨珂.基于Smith预估器的模糊PID控制在中央空调系统中的应用［D］.衡阳：南华大学，2010.
YANG Ke. Application of Fuzzy PID Control Based on Smith Predictor to Central Air Conditioner ［D］.Hengyang: University of South China, 2010.
［12］罗会军.模糊PID自动舵的设计与优化［D］. 大连:大连海事大学,2017.
LUO Huijun. The Design and Optimization of Fuzzy PID Autopilot ［D］. Dalian: Dalian Maritime University, 2017.

[1]	李胜永1，张智华1，王胜男2，王孟2. 面向交通工具金属材料的缺损识别算法[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(07): 136-144.
[2]	潘兵宏1,2，胡炜1，任卉1,单慧敏1. 基于TruckSim仿真下弯道货车侧滑速度模型研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(05): 38-45.
[3]	王露1，陈肖欣2，李华恩1. 大风雨雪气象条件下高速公路车辆稳定行驶的临界车速研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(04): 34-40.
[4]	邓涛1，李鑫2. 智能车辆横纵向运动综合控制方法研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(04): 133-140.
[5]	刘庆广1，顾玉牧1，林培群2. 关联交叉口延误计算模型研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 22-26.
[6]	华珺1，孙智诚2，赵俊玮1，朱彤2,3. 行人主动安全系统对交通流运行状态影响分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 34-42.
[7]	张爱锋，刘少康，姚苗苗，甄春博. 船桥碰撞结构损伤及船撞力影响因素分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 121-127.
[8]	刘祯1,3，林鑫1,2，吴华伟1,3，叶从进1,3，耿向阳4. 基于STAR-CCM+的IGBT散热翅片结构设计研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 128-134.
[9]	石琴，陈沪江，陈一锴. 信号交叉口智能网联车车队速度引导策略研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(02): 47-53.
[10]	赵月林，门茂峰，孙壮. 基于分段式双幂次趋近律的迭代滑模航向控制[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(02): 136-142.
[11]	靳文舟，胡蔚旻. 基于停车延误理念的公交站台及线路优化[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(01): 23-28.
[12]	文孝霞，姜路，杜子学，孔得旭. 基于不同焊缝结构的单轨车辆转向架构架疲劳分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(01): 134-139.
[13]	秦严严1，王昊2，何兆益1，冉斌3. 自动驾驶汽车交通流稳定性分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(12): 20-25.
[14]	杨敬东1，黎扬武1，刘美山2,黄兵3. 60 m3铰接式对开泥驳铰链系统受力分析及优化设计[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(12): 130-134.
[15]	邬岚，王彤伟，李鹏举，翟伟. 基于窄马路理念的车道缩减设计方法[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(11): 26-32.

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