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1、第42卷第2期2013年04月船海工程SHIP＆0CEANENGINEERINGV01．42No．2Apr．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．02．016模糊控制在船舶航速仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用劉西全(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島266404)摘要：利用Matlab建立船舶推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，采用傳統(tǒng)的PID算法，并利用Fuzzylogic工具箱對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)某船航速控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。為反映船舶真實(shí)營(yíng)運(yùn)情況，分別對(duì)船舶在無(wú)干擾、加入5％、10％及20％干擾情況
2、下的航速及螺旋槳轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果顯示此智能方法優(yōu)化PID參數(shù)用在船舶航速控制系統(tǒng)仿真上是完全可行的。關(guān)鍵詞：模糊控制；船舶；航速；仿真中圖分類號(hào)：U662．9；TP273．4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-7953(2013)02-0051—04船舶航速的變化，歸根結(jié)底是船舶主機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，船往往是浮在水面或潛在水中并活動(dòng)于不同地區(qū)，在任何時(shí)刻，它都受到風(fēng)浪、水浪等環(huán)境的直接影響，要求用人工來(lái)保持航速不變，這是不容易做到并做不好的。為此，建立船舶推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，利用Fuzzylogic工具
3、箱對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用Matlab軟件對(duì)某護(hù)衛(wèi)艦航速控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。1模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)1．1模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理見(jiàn)圖1。r?一簇磊蕃麗-．薇ii．-_]圖1模糊控制原理其核心部分為模糊控制器，如圖中點(diǎn)劃線框中所示。模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的過(guò)程描述如下。計(jì)算機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E，一般選誤差信號(hào)E作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。收稿日期：2012—03—21修
4、回日期：2012—05—23第一作者簡(jiǎn)介：劉西全(1979一)，男，碩士，講師研究方向：輪機(jī)工程E．mail：tree692@163．com誤差E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e(e是一個(gè)模糊矢量)，再由e和模糊控制規(guī)則尺(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量／．z。u=eR1．2模糊PID控制1．2．1模糊自適應(yīng)整定PID控制原理+自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入量，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則
5、在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)k小ki、k。三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表。k。、kj、k。的模糊控制規(guī)則表建立后，根據(jù)如下方法進(jìn)行k。、ki、k。的自適應(yīng)校正。kp=k7P+{ej，eci}pki=k’。+h，ec。}ikd=k’d+{ei，eci}d(1)模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)可調(diào)整PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。參數(shù)可調(diào)整
6、PID完成對(duì)系統(tǒng)的控制，模糊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID三個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)校正。圖2自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)51第2期船海工程第42卷1．2．2模糊控制器的設(shè)計(jì)采用二維模糊控制器?，輸人為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速偏差E及其導(dǎo)數(shù)EC，其模糊詞集和論域皆為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，(一100，100)。輸出為K。、K、民，其模糊詞集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，根據(jù)Ziegler—Nichols算法，初步算得本仿真機(jī)型的控制器參數(shù)為Kp=9．807，Ki=21．2181，K。=1．0876。故其
7、論域分別設(shè)為(一12，12)、(一25，25)和(一3，3)。模糊邏輯控制器見(jiàn)圖3。際i===夏磊i—一——————]圖3模糊邏輯控制器2柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型建立柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4。由于全工況的柴油機(jī)建模比較困難，本文對(duì)柴油機(jī)模型作了簡(jiǎn)化，考慮延遲并經(jīng)線性化處理后，可作為一階質(zhì)性延遲環(huán)節(jié)。柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)中的執(zhí)行器采用環(huán)形電樞直流伺服電機(jī)，可認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二階環(huán)節(jié)。加上PID控制器，則可組成一完整的柴油機(jī)調(diào)速模型，可用于對(duì)柴油機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真，并通過(guò)仿真來(lái)研究該模型的合理性和準(zhǔn)確性。圖4柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)
8、構(gòu)2．1柴油機(jī)模型非增壓柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)可用以下方程描述㈨。L掣州小"r／(t-7")-A(f)(2)式中：Y(t)——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，是時(shí)間t的函數(shù)(無(wú)因次量)；叼(t)——控制供油量的齒條位置，是時(shí)間t的函數(shù)(無(wú)因次量)；A(t)——擾動(dòng)，是時(shí)間t的函數(shù)(無(wú)因次量)；52咒——柴油機(jī)時(shí)間常數(shù)，s；f——齒條位移的純滯后時(shí)間，s。將上式拉氏變換可得非增壓柴油機(jī)的簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)蘭∽一上r3、e一
