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基于模糊PID的无人帆船航向控制方法

张雪飞 袁鹏 谭俊哲 王树杰 徐泓燊 孙烨

张雪飞, 袁鹏, 谭俊哲, 王树杰, 徐泓燊, 孙烨. 基于模糊PID的无人帆船航向控制方法[J]. 中国舰船研究, 2019, 14(6): 15-21. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01518
引用本文: 张雪飞, 袁鹏, 谭俊哲, 王树杰, 徐泓燊, 孙烨. 基于模糊PID的无人帆船航向控制方法[J]. 中国舰船研究, 2019, 14(6): 15-21. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01518
Zhang Xuefei, Yuan Peng, Tan Junzhe, Wang Shujie, Xu Hongshen, Sun Ye. Heading control method of unmanned sailing boats based on fuzzy PID[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2019, 14(6): 15-21. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01518
Citation: Zhang Xuefei, Yuan Peng, Tan Junzhe, Wang Shujie, Xu Hongshen, Sun Ye. Heading control method of unmanned sailing boats based on fuzzy PID[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2019, 14(6): 15-21. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01518

基于模糊PID的无人帆船航向控制方法

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01518
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51779238

中央高校基本科研业务费专项基金资助项目 201762007

详细信息
    作者简介:

    张雪飞, 男, 1993年生, 硕士。研究方向:海洋能机电装备与仪器。E-mail:634934319@qq.com

    袁鹏, 男, 1975年生, 博士, 副教授。研究方向:海洋可再生能源。E-mail:yuanpeng50@hotmail.com

    通信作者:

    袁鹏

  • 中图分类号: U661.33

Heading control method of unmanned sailing boats based on fuzzy PID

知识共享许可协议
基于模糊PID的无人帆船航向控制方法张雪飞,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  无人帆船在复杂海况下会出现航向状态不稳定的现象,为提高帆船在多变和未知环境下的抗干扰能力与航行的稳定性,实现对帆船航向的准确控制,提出一种结合传统PID技术的模糊自适应控制方法。  方法  建立响应型三自由度的Nomoto运动数学模型,借助Matlab的Simulink建模工具搭建模糊规则和仿真控制器,对PID控制参数进行实时在线优化调整。分别在不同航速和加入随机扰动下,与传统PID控制进行对比研究,分析不同的控制方法对航向的影响情况,并通过试验进行对比验证。  结果  结果表明,应用模糊PID方法控制小型无人帆船的航向,具有较好的自适应能力和较强的鲁棒性。  结论  研究成果可为无人帆船的航向控制设计提供参考。
  • 图  1  船体坐标系

    Figure  1.  The coordinate system of hull

    图  2  模糊PID控制系统

    Figure  2.  Fuzzy PID control system

    图  3  模糊变量子集

    Figure  3.  Fuzzy variable subset

    图  4  控制器仿真模型

    Figure  4.  Controller simulation model

    图  5  控制流程图

    Figure  5.  Control flow chart

    图  6  两种控制方法的仿真对比

    Figure  6.  Simulation comparison of two control methods

    图  7  船体结构

    Figure  7.  Ship structure

    图  8  试验对比结果

    Figure  8.  Experimental comparison results

    表  1  无人帆船模型主尺度

    Table  1.   The main dimensions of small autonomous sailboat model

    参数 数值
    船长L/m 2.19
    船宽B/m 0.80
    吃水T/m 0.08
    方形系数Cb 0.89
    中心重心距Xc/m 0.085
    帆面积Ss/m2 3.25
    桅杆长度l/m 1.5
    舵转速n/(Deg·s-1 10.2
    有效舵面积Sr/m2 0.085
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    表  2  KpKiKd模糊控制规则

    Table  2.   Fuzzy control rules for Kp, Ki, Kd

    e ec
    NB NM NS ZE PS PM PB
    NB PB,NB,PS PB,NM,NB PM,NM,NB PM,NM,NB PS,NS,NB PS,ZE,NM ZE,ZE,ZE
    NM PB,NB,PS PM,NM,NB PM,NM,NB PS,NS,NM PS,NS,NM ZE,ZE,NS NS,ZE,ZE
    NS PM,NB,ZE PM,NB,NM PS,NS,NM PS,NS,NM ZE,ZE,NS NS,PS,NS NS,PS,PS
    ZE PM,NM.ZE PS,NB,NM PS,NS,NS ZE,ZE,ZE NS,PS,NS NS,PM,NS NM,PM,PM
    PS PS,NM,ZE PS,NS,NS ZE,ZE,ZE NS,PS,ZE NS,PS,ZE NM,PM,ZE NM,PB,PB
    PM PS,ZE,PB ZE,ZE,ZE NS,PS,PS NS,PS,PS NM,PM,PS NM,PB,PS NB,PB,PB
    PB ZE,ZE,PB NS,ZE,ZE NS,PS,PM NM,PM,PM NM,PM,PS NB,PB,PS NB,PB,PB
    注:表中2~8列中的3个值分别为KpKiKd值。
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    表  3  传统PID与模糊PID控制对比

    Table  3.   Comparison between traditional PID and fuzzy PID control

    航速V
    /(m·s-1
    控制方法 稳定调节时间/s 最大操舵角/(°) 有无超调量
    2.0 传统PID 10 38
    模糊PID 6 26
    2.5 传统PID 9 34
    模糊PID 7 22
    3.0 传统PID 12 32
    模糊PID 6 21
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-22
  • 网络出版日期:  2019-11-19
  • 刊出日期:  2019-12-01

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