基于MATLAB的船舶航向模糊自适应PID控制系统设计-答辩展示-董尚祺

董尚祺船舶航向控制系统PID控制参数固定，无法根据工况进行实时调整。模糊控制输出离散形式，很难跟踪连续信号。模糊自适应PID控制取长补短，将二者完美结合。Matlab方法一方法二方法三工具目的课题解析基于Matlab的船舶航向模糊自适应PID控制系统设计董尚祺341模糊控制模糊自适应PID控制2PID控制5对比分析6总结目录船舶航向控制理论基础董尚祺φrxuo(z)vyδ1.船舶航向控制理论基础董尚祺1.船舶航向控制理论基础)()()()()()())(())(()()())(()())((1131121111121rvrGvvvvvvvGrvrGvvGrGrzvrvrGvrvGvrGvrGvYmuNNumxYYNNYKYNNYYmNNmxYTYmuNNumxYNmxYmxNIYmTTYmuNNumxYYmuNmxNYymxYNumxYmTT)()(32121TKrrTTrTT船舶的艏摇对于操舵的数学模型：其中，T1、T2、T3、K参数满足：)1()1)(1()1()()()(213TssKsTsTssTKsssG经拉氏变换，得：董尚祺1.船舶航向控制理论基础“育龙”号船舶的主要建造参数船船长(m)126桨叶数4船船宽(m)20.8盘面比0.67吃水(m)8.0舵面积（m2)18.8方型系数0.681舵高(m)6.1桨直径(m)4.6舵宽(m)3.08桨螺距(m)3.66舵展舷比1.72sssGNM22434530.0)(董尚祺1.船舶航向控制理论基础“育龙”号船舶航向系统模型仿真图董尚祺1.船舶航向控制理论基础船舶航向控制系统基本结构图控制器限幅装置舵机系统船体指令偏差航向反馈+-干扰舵角董尚祺2.PID控制PID控制器Simulink仿真模型董尚祺8583.04530.004.02432020KTKnp1236.324530.0104.08.024321200KTKnd33003104331.34530.01024304.010KTKni其中：4318.02434530.0d1.船舶航向控制理论基础董尚祺2.PID控制船舶航向PID控制系统Simulink仿真模型董尚祺2.PID控制90°阶跃指令下的PID系统响应曲线董尚祺3.模糊控制船舶航向模糊控制系统结构图模糊量化模糊化模糊控制算法反模糊化被控对象d/dteecEEcUu模糊控制器FCr董尚祺3.模糊控制董尚祺控制舵令U各模糊子集及其隶属函数航向偏差率Ec各模糊子集及其隶属函数航向偏差e各模糊子集及其隶属函数3.模糊控制董尚祺NBNMNSZPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZONMNBNBNBNMNSZOPSNSNBNBNMNSZOPSPMZNBNMNSZOPSPMPBPSNMNSZOPSPMPBPBPMNSZOPSPMPBPBPBPBZOPSPMPBPBPBPBEUEc控制舵令u控制规则表3.模糊控制董尚祺控制输出曲面3.模糊控制董尚祺船舶航向模糊控制系统Simulink仿真模型3.模糊控制董尚祺90°阶跃指令下的FC系统响应曲线3.模糊控制董尚祺船舶航向模糊自适应PID控制系统结构图被控对象ur模糊控制器PID控制器d/dtΔKpΔKiΔKde4.模糊自适应PID控制董尚祺比例系数修正值ΔKp规则表BMSZBMSMMMBMBBSBMBBZBMBZBMSZBZSMBMZSBBSZZBBZZZBZBMSZBSMZZMMMSZSBBSSZBBSZEΔKpEcEΔKiEcEΔKdEc4.模糊自适应PID控制董尚祺4.模糊自适应PID控制船舶航向PID控制系统Simulink仿真模型董尚祺90°阶跃指令下系统输出响应曲线对比4.模糊自适应PID控制董尚祺对比分析系统Simulink仿真模型5.对比分析董尚祺90°阶跃指令下系统输出响应曲线对比系统简称上升时间（s）峰值时间(s)调节时间(s)超调量σPID78.0129.0965.717.56%FC235.5270.6306.30.80%F_PID67.285.2178.29.18%5.对比分析董尚祺90°阶跃指令下的系统稳态误差末端放大对比5.对比分析董尚祺幅值90正弦指令下系统输出响应曲线对比5.对比分析董尚祺噪声强度为10时系统响应曲线对比5.对比分析董尚祺6月21•通过搜集并学习相关文献，理解船舶航向控制系统的控制策略及其基本结构。•根据实船的建造参数，构建船舶航向系统的数学模型；•根据被控对象传递函数，完成鲁棒PID控制系统的设计。•结合船舶航行的操舵经验，完成模糊控制系统的设计。•将模糊控制与PID控制相结合，完成模糊自适应PID控制系统的设计。•进行对比分析测试，突出模糊自适应PID控制系统的优越性。2014年6月216.总结董尚祺6.总结被控对象选用我校自己的“育龙”号远洋实习船，在相关数据获取方面较为便捷，且具有更高的可靠性。以熟知的实际船舶为例建立数学模型并作为被控对象，使控制系统的性能测试结果更具有说服力。传统PID控制器的参数，都是通过调试的手段获得的。本文基于大连海事大学杨盐生教授关于船舶航向鲁棒PID控制的设计方法，通过数学计算求解出PID的控制参数，以此获得最为理想的控制特性。积分环节的积分饱和作用，会使得系统出现较大的超调。本文在参数自整定PID控制器的设计时，将积分系数设置为0，使其完全由模糊控制器根据系统的具体状态在线实时调节，既可减小系统超调，又可缩短系统的调节时间。本文并不止于最终所设计的F_PID系统的成功运行，大胆的将其与之前所设计的PID系统和FC系统进行对比。在动态特性、静态特性和抗干扰性能方面，做了全方位深入的对比分析。结合响应曲线和性能指标数据，充分说明船舶航向模糊自适应控制系统，在控制性能上所具有的绝对优势。船模PID积分对比董尚祺2014-6-21由衷感谢各位答辩评审老师的耐心倾听与指导