基于PID的NOMOTO模型航向保持控制器设计

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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DesignofthecoursekeepingcontrollerinNomotomodelbasedonPID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指导教师刘雨二〇一六年六月基于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

2、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（m3）舵面积（m3）重心距中心距离（m）180.827.89.010.30.643000038-1.0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

3、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，Aδ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:m'=m12ρL3，船舶质量m可以由上表中的排水量乘以海水密度求得。I'zz为惯性距Izz的无纲量数据，其计算公式为:I'zz=Izz(12ρL2)，Izz的计算公式为:Izz=mL216。将求得的上述矩阵参数带入以下公式求得Nom

4、oto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[402500.002]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

5、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

6、：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）KatsuhikoOgata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.