1、大连海洋大学课程名称：船舶机电一体化技术基于 PID 的 Nomoto 模型航向保持控制器设计Design of the course keeping controller in Nomoto model based on PID学 院 航海与船舶工程学院 学 位 类 别 专业硕士 专 业 领 域 船舶与海洋工程 姓 名 邓英杰 学 号 2015085223012 指 导 教 师 刘雨 二一六年六月基于 PID的 NOMOTO模型航向保持控制器设计摘要：以大连海事大学教学实习船“育鹏”为控制对象，计算其流体动力导数，求取其 Nomoto 模型，在 MATLAB 的Simulink 环境下进行右
2、满舵回转试验，验证模型有效性，在此基础上设计 PID 航向保持控制器，仿真验证其有效性。关键词：Nomoto 模型；回转试验； PID 控制；航向保持0 引言大连海事大学在“育鲲”轮的基础上新建造一艘实验船，暂命名为“育鹏” ，价值 3.4 亿元，现已下水。本文以该船为设计基础，其主要参数如表 1 所示。两柱间长（m）船宽（m）船 速（m/s）吃水满载（m）方形系数排水满载（ ）3舵面积（ ）3重心距中心距离（m）180.8 27.8 9.0 10.3 0.64 30000 38 -1.0表 1“育鹏”主要参数（1）给该新船建立一个数学模型，保持航速 17.5 节，然后给船打一个恒定的 35右
3、满舵，即进行回转试验，观察回转特性。（2）为该船设计一个 PID 控制器，以保持船舶沿正东航行（ 90） ，初始航首向角为 0，航速 17.5 节。要求控制准确，航向保持控制调节时间小于 400s，最大超调量10%。1 模型求取Clark 水动力导数回归公式如下所示：其中 B 为船宽， L 为两柱间长，Cb 为方形系数， 为舵叶面积，T 为吃水。这些参数都可以在表 1 里查到。将求得的水动力导数带入 Abkowitz 模型矩阵参数公式，如下所示：m为无纲量化的船舶总质量，其计算公式为:，船舶质量 m 可以由上表中的排水量乘以海水密度=123求得。 为惯性距 的无纲量数据，其计算公式为: ， 的
4、计算公式为: 。=(122) =216将求得的上述矩阵参数带入以下公式求得 Nomoto 公式的增益和时间常数。Nomoto 传递函数为：K0=0.48，T0=216.58。至此，模型求解完毕。2 仿真试验在 Simulink 环境下，首先对该船的回转特性进行试验，航速17.5 节，右满舵 35。主仿真框图如下图所示：子仿真框图如下图所示：回转试验轨迹图如下所示：接下来进行航向保持 PID 控制器的仿真试验。指定航向正东（90） ，起始航向正北（0） ，速度 17.5 节，调整 PID 参数为40 250 0.002时可得到如下艏向角随时间的变化曲线。艏向角误差变化曲线如下图所示：该船实际轨迹
5、和期望轨迹如下图所示：3 结果分析由回转实验图可知，该船最小回转直径为 150m，结合“育鹏”轮的实际状况，该数据较为合理，Nomoto 模型建立较为准确。由艏向角变化曲线和误差变化曲线图可知，调节时间在 25秒左右，超调量为 13左右，该 PID 控制器设计较合理。由航迹图可以看出，该控制器航向保持效果较好，但是无法实现对期望路径的跟踪。4 结语通过本次作业，提高了我的编程能力，让我对船舶运动控制这一古老而又艰深的学科有了更深刻，更直观的认识，为毕业论文的撰写打下了坚实的基础。最后，感谢刘雨老师在课堂上对我们学习和做人的谆谆教导，以及为我提供的重金难求的欠驱动船舶数学模型，老师是我投身自动控制行业的启蒙者和领路人，师恩难忘。参考文献1 张显库，金一丞. 控制系统建模与数字仿真 . 大连：大连海事大学出版社，2013.2 王正林，王胜开，陈国顺，等. MATLAB/Simulink 与控制系统仿真. 北京：电子工业出版社，2012.3（美）Katsuhiko Ogata 著. 现代控制工程. 卢伯英, 于海勋，等译. 北京：电子工业出版社，2000.
