一種通用的自動(dòng)舵PID參數(shù)快速檢測(cè)方法的研究

陳 陽(yáng) 周永余 陳永冰 周 崗

海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 武漢 430033

一種通用的自動(dòng)舵PID參數(shù)快速檢測(cè)方法的研究

陳 陽(yáng) 周永余 陳永冰 周 崗

海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 武漢 430033

以自動(dòng)舵的基本控制原理為基礎(chǔ)，在不拆解控制板的前提下快速獲得可信的自動(dòng)舵PID的參數(shù)，構(gòu)建自動(dòng)舵PID參數(shù)的快速檢測(cè)的硬件環(huán)境，并通過(guò)比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)的檢測(cè)，證明該方法具有良好的通用性。

艦船自動(dòng)舵 PID參數(shù) 快速檢測(cè) 模擬放大板

自動(dòng)舵的PID參數(shù)對(duì)艦船的航向控制有直接的影響，在自動(dòng)舵的中修和應(yīng)急修理中，自動(dòng)舵的PID參數(shù)的檢測(cè)和調(diào)整是非常重要和關(guān)鍵的工作。自動(dòng)舵的PID參數(shù)中的微分和積分動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)無(wú)法在自動(dòng)舵靜態(tài)時(shí)進(jìn)行測(cè)試，一般需在艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)才能反映出這些參數(shù)的影響［1］。目前自動(dòng)舵的PID參數(shù)的檢測(cè)可采用兩種方式：一是在實(shí)船進(jìn)行航行時(shí)試驗(yàn)，二是采用自動(dòng)舵的陸上仿真系統(tǒng)與自動(dòng)舵相連，由自動(dòng)舵控制模擬的船只航行，按照模擬船只的航行狀態(tài)來(lái)測(cè)定PID參數(shù)［2］。

以上兩種方法中對(duì)于動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試均較為復(fù)雜，檢測(cè)的速度較慢，且只能概略地給出微分參數(shù)，測(cè)試的精度不高。研究一種通用自動(dòng)舵的PID參數(shù)檢測(cè)方法，能大大地提高PID參數(shù)的檢測(cè)速度和測(cè)試精度，通過(guò)對(duì)相關(guān)自動(dòng)舵控制板件的測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)舵PID參數(shù)的快速檢測(cè)。

1 檢測(cè)原理

一般自動(dòng)舵的放大控制板是自動(dòng)舵控制處理的核心，它包含交流信號(hào)的解調(diào)、PID控制運(yùn)算、綜合放大運(yùn)算及其它輔助電路，其主要的功能是根據(jù)航差角和反饋舵角的差值信號(hào)的電壓值，進(jìn)行比例、微分、積分控制，按PID控制規(guī)律輸出相應(yīng)的打舵信號(hào)。通過(guò)對(duì)控制板的測(cè)試即可測(cè)定自動(dòng)舵的PID參數(shù)。

反饋舵角β與航差角φ關(guān)系式為［3-4］

式中：Kp——比例參數(shù)；

Ki——積分參數(shù)；

Kd——微分參數(shù)。

自動(dòng)舵參數(shù)檢測(cè)即是在自動(dòng)舵不同工作狀態(tài)下給定不同航差角和反饋舵角，使自動(dòng)舵輸出為零，達(dá)到平衡時(shí)，利用式（1）由已知的β和φ計(jì)算出各個(gè)參數(shù)值。經(jīng)過(guò)相敏解調(diào)后，φ和β可以映射到它們解調(diào)后的電壓值上，因此根據(jù)式（1）可以相應(yīng)寫(xiě)出電壓Uφ和Uβ間關(guān)系式

由式（2），當(dāng)控制板分別工作于比例狀態(tài)、比例加積分狀態(tài)、微分狀態(tài)下達(dá)到平衡時(shí)可以得到

在控制板工作的不同模式下，加載動(dòng)態(tài)變化的航差角和反饋舵角信號(hào)，使控制板按照“平衡—失衡—平衡”的方式變化，同時(shí)檢測(cè)舵機(jī)控制信號(hào)的輸出，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡時(shí)采集Uφi、Uβi電壓值即可按照式（3）～（5）計(jì)算出參數(shù)。

2 實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)不同的工作狀態(tài)施加合適的輸入和反饋信號(hào)，使放大控制板達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡即能夠測(cè)得相應(yīng)的Kp、Ki、Kd參數(shù)，具體方法如下。

2．1 比例參數(shù)檢測(cè)

關(guān)斷微分和積分工作電路，使自動(dòng)舵工作于比例狀態(tài)。在航差角信號(hào)輸入部分施加一固定的指令信號(hào)，此時(shí)由于舵角反饋為零，放大控制板失衡，舵機(jī)控制信號(hào)應(yīng)有輸出，在舵角反饋端輸入舵角β按照一定斜率變化使控制板逐漸平衡，當(dāng)放大控制板線性輸出信號(hào)為零時(shí)分別記錄下Uβ1、Uφ1。由于此時(shí)微分、積分系數(shù)為零，由式（3）即可得到比例系數(shù)Kp為

2．2 積分參數(shù)檢測(cè)

將自動(dòng)舵置于比例加積分工作狀態(tài)。在舵角反饋端輸入固定舵角信號(hào)β，此時(shí)放大控制板舵機(jī)控制信號(hào)應(yīng)當(dāng)有輸出。航差輸入端輸入固定信號(hào)φ（Kpφ＜β），計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，由于積分器的作用，放大控制板將逐漸平衡，在放大控制板輸出為零時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣得到積分器的充電時(shí)間，同時(shí)記錄平衡時(shí)的電壓Uβ2、Uφ2。由式（4）可以得到積分系數(shù)Ki為

在積分測(cè)試中需要注意航差輸入Kpφ必須小于舵角反饋β，否則放大控制板將發(fā)散而無(wú)法平衡。

2．3 微分參數(shù)檢測(cè)

將自動(dòng)舵置于純微分工作狀態(tài)，在航差角輸入端輸入，按斜坡變化的航差角φ，此時(shí)有Uφ＝Kφt，放大控制板不平衡而輸出打舵信號(hào)。反饋舵角同時(shí)輸入按斜坡變化信號(hào)β跟蹤PID處理后的信號(hào)，以平衡放大控制板，此時(shí)有Uβ＝Kβt。當(dāng)放大控制板平衡輸出為零時(shí)，記錄下此時(shí)的電壓Uφ3、Uβ3。由式（5）可以得到微分系數(shù)Kd為

由于放大控制板輸入電壓有范圍限制，設(shè)計(jì)K1、K2前必須考慮在微分輸入飽和前使放大控制板達(dá)到新的平衡，否則無(wú)法檢測(cè)出微分參數(shù)。

當(dāng)輸入達(dá)到飽和的時(shí)間t1為

式中：Vc——微分器輸入飽和電壓。檢測(cè)完成的時(shí)間t2為

式中：Kd′——預(yù)測(cè)微分參數(shù)。

當(dāng)t2＜t1時(shí)，即必須滿足條件才能夠測(cè)出微分參數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證測(cè)試方法的準(zhǔn)確性，按照?qǐng)D1搭建檢測(cè)硬件環(huán)境，能夠產(chǎn)生輸入信號(hào)并采集航差信號(hào)和反饋舵角信號(hào)電壓。其中信號(hào)發(fā)生器可以輸出固定或按規(guī)律變化電壓，AD采樣用于采集經(jīng)相敏解調(diào)后的電壓和綜合放大器線性輸出電壓，MCU則承擔(dān)改變放大控制板工作模式、控制信號(hào)的加載、檢測(cè)電壓值并將采集的電壓值發(fā)送至PC進(jìn)行處理等工作。

圖1 PID參數(shù)檢測(cè)示意圖

研制的模擬放大控制板作為被測(cè)對(duì)象以檢驗(yàn)測(cè)試方法的準(zhǔn)確性，該P(yáng)ID運(yùn)算部分電路見(jiàn)圖2。

圖2 模擬放大控制板PID運(yùn)算電路

由放大器的特性可以計(jì)算出PID參數(shù)的理論值。以比例運(yùn)算部分為例

工作在比例模式下電路平衡，即U0＝0時(shí)，有此時(shí)可以計(jì)算出

同理可計(jì)算出積分和微分參數(shù)，按照電容實(shí)測(cè)容值C1＝54．1μF，C3＝12．1μF進(jìn)行計(jì)算得

通過(guò)AD采樣實(shí)時(shí)采得電壓值由MCU傳至PC后，在Matlab下可以將數(shù)值繪制成比例、積分和微分測(cè)試曲線，并計(jì)算出待測(cè)參數(shù)，見(jiàn)圖3。

圖3 比例參數(shù)測(cè)試曲線

圖3在A時(shí)刻被測(cè)板達(dá)到平衡，此時(shí)Uβ＝0．644 V，由式（6）有

即該比例檔比例系數(shù)為0．990。

按照積分測(cè)試方法測(cè)得積分測(cè)試曲線，見(jiàn)圖4。由比例系數(shù)Kp＝0．990，航差輸入和舵角反饋輸入衡值，測(cè)得電壓

由線性輸出可見(jiàn)，控制板在時(shí)刻A達(dá)到新的平衡，對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)22．700 s，按照式（7）可得

按照微分參數(shù)測(cè)試方法測(cè)得微分參數(shù)，測(cè)試曲線見(jiàn)圖5。微分信號(hào)輸入斜坡信號(hào)Uφ，斜率K1＝0．747 V／s，由于微分作用控制板線性輸出飽和輸出，舵角反饋輸人固定斜率微分信號(hào)以平衡控制板，在時(shí)刻A線性輸出過(guò)零，控制板達(dá)到平衡，此時(shí)Uβ＝1．110 V，由式（8）得

由表1可見(jiàn)，各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)值與理論值十分吻合，表明檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，且由曲線可以看出全部檢測(cè)耗時(shí)不超過(guò)1 min，相對(duì)以往的方法，本方法使檢測(cè)速度大大地提高。

表1 PID參數(shù)檢測(cè)值與設(shè)計(jì)值的比較

圖4 積分參數(shù)測(cè)試曲線

圖5 微分參數(shù)測(cè)試曲線

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，自動(dòng)舵PID參數(shù)的測(cè)試方法，能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出自動(dòng)舵的PID參數(shù)，大大的簡(jiǎn)化了自動(dòng)舵的調(diào)試工作，能夠提高自動(dòng)舵維修的效率?，F(xiàn)在該檢測(cè)方法已經(jīng)應(yīng)用到某型自動(dòng)舵的智能檢測(cè)儀上。該智能檢測(cè)儀經(jīng)用戶使用證明，能明顯地提高自動(dòng)舵的PID參數(shù)的調(diào)試效率，并對(duì)放大控制板上的元件失效而導(dǎo)致的參數(shù)變化能準(zhǔn)確地檢測(cè)，對(duì)保障自動(dòng)舵裝備的完好率具有很重要的意義。

［1］周永余，高敬東．艦船自動(dòng)操舵儀［M］．武漢：海軍工程大學(xué)出版社，2001：1-20．

［2］葉 樺，陳永冰，周永余．航向自動(dòng)舵海上工作環(huán)境的建立［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15（3）：54-58．

［3］楊鹽生，于曉力，賈欣樂(lè)．船舶航向自適應(yīng)魯棒PID自動(dòng)舵設(shè)計(jì)［J］．武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23（6）：594-598．

［4］林月美．自動(dòng)舵比例微分系數(shù)自適應(yīng)算法研究［J］．中國(guó)修船，2001，16（3）：23-24．

A universal and rapid testing method for the autopilot PID parameters

CHEN Yang ZHOU Yong-yu CHEN Yong-bing ZHOU Gang
School of Electric and Information Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033

A universal method to test PID parameters of the autopilot is introduced based on the basic control theory of the autopilot．The hardware environment is constituted for rapid test of these parameters．This method is proved to be feasible and efficient by lots of experiments，and it is valuable to be applied．

ship autopilot PID parameters rapid test analog amplify board

U666．16

A

1671-7953（2007）02-0034-04

2006-09-08

修回日期2006-11-22

陳 陽(yáng)（1980—），男，碩士生。