陳 陽 周永余 陳永冰 周 崗

海軍工程大學電氣與信息工程學院 武漢 430033

一種通用的自動舵PID參數(shù)快速檢測方法的研究

陳 陽 周永余 陳永冰 周 崗

海軍工程大學電氣與信息工程學院 武漢 430033

以自動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舵PID的參數(shù)，構(gòu)建自動舵PID參數(shù)的快速檢測的硬件環(huán)境，并通過比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)的檢測，證明該方法具有良好的通用性。

艦船自動舵 PID參數(shù) 快速檢測 模擬放大板

自動舵的PID參數(shù)對艦船的航向控制有直接的影響，在自動舵的中修和應急修理中，自動舵的PID參數(shù)的檢測和調(diào)整是非常重要和關(guān)鍵的工作。自動舵的PID參數(shù)中的微分和積分動態(tài)性能指標無法在自動舵靜態(tài)時進行測試，一般需在艦船運動時才能反映出這些參數(shù)的影響［1］。目前自動舵的PID參數(shù)的檢測可采用兩種方式：一是在實船進行航行時試驗，二是采用自動舵的陸上仿真系統(tǒng)與自動舵相連，由自動舵控制模擬的船只航行，按照模擬船只的航行狀態(tài)來測定PID參數(shù)［2］。

以上兩種方法中對于動態(tài)參數(shù)的測試均較為復雜，檢測的速度較慢，且只能概略地給出微分參數(shù)，測試的精度不高。研究一種通用自動舵的PID參數(shù)檢測方法，能大大地提高PID參數(shù)的檢測速度和測試精度，通過對相關(guān)自動舵控制板件的測試，可實現(xiàn)對自動舵PID參數(shù)的快速檢測。

1 檢測原理

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

自動舵參數(shù)檢測即是在自動舵不同工作狀態(tài)下給定不同航差角和反饋舵角，使自動舵輸出為零，達到平衡時，利用式（1）由已知的β和φ計算出各個參數(shù)值。經(jīng)過相敏解調(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）可以相應寫出電壓Uφ和Uβ間關(guān)系式

由式（2），當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)下達到平衡時可以得到

在控制板工作的不同模式下，加載動態(tài)變化的航差角和反饋舵角信號，使控制板按照“平衡—失衡—平衡”的方式變化，同時檢測舵機控制信號的輸出，當系統(tǒng)達到新的平衡時采集Uφi、Uβi電壓值即可按照式（3）～（5）計算出參數(shù)。

2 實現(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，使放大控制板達到動態(tài)平衡即能夠測得相應的Kp、Ki、Kd參數(shù)，具體方法如下。

2．1 比例參數(shù)檢測

關(guān)斷微分和積分工作電路，使自動舵工作于比例狀態(tài)。在航差角信號輸入部分施加一固定的指令信號，此時由于舵角反饋為零，放大控制板失衡，舵機控制信號應有輸出，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，當放大控制板線性輸出信號為零時分別記錄下Uβ1、Uφ1。由于此時微分、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

將自動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β，此時放大控制板舵機控制信號應當有輸出。航差輸入端輸入固定信號φ（Kpφ＜β），計時器開始計時，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停止計時，這樣得到積分器的充電時間，同時記錄平衡時的電壓Uβ2、Uφ2。由式（4）可以得到積分系數(shù)Ki為

在積分測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)散而無法平衡。

2．3 微分參數(shù)檢測

將自動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，此時有Uφ＝Kφt，放大控制板不平衡而輸出打舵信號。反饋舵角同時輸入按斜坡變化信號β跟蹤PID處理后的信號，以平衡放大控制板，此時有Uβ＝Kβt。當放大控制板平衡輸出為零時，記錄下此時的電壓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，設計K1、K2前必須考慮在微分輸入飽和前使放大控制板達到新的平衡，否則無法檢測出微分參數(shù)。

當輸入達到飽和的時間t1為

式中：Vc——微分器輸入飽和電壓。檢測完成的時間t2為

式中：Kd′——預測微分參數(shù)。

當t2＜t1時，即必須滿足條件才能夠測出微分參數(shù)。

3 試驗驗證

為驗證測試方法的準確性，按照圖1搭建檢測硬件環(huán)境，能夠產(chǎn)生輸入信號并采集航差信號和反饋舵角信號電壓。其中信號發(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則承擔改變放大控制板工作模式、控制信號的加載、檢測電壓值并將采集的電壓值發(fā)送至PC進行處理等工作。

圖1 PID參數(shù)檢測示意圖

研制的模擬放大控制板作為被測對象以檢驗測試方法的準確性，該PID運算部分電路見圖2。

圖2 模擬放大控制板PID運算電路

由放大器的特性可以計算出PID參數(shù)的理論值。以比例運算部分為例

工作在比例模式下電路平衡，即U0＝0時，有此時可以計算出

同理可計算出積分和微分參數(shù)，按照電容實測容值C1＝54．1μF，C3＝12．1μF進行計算得

通過AD采樣實時采得電壓值由MCU傳至PC后，在Matlab下可以將數(shù)值繪制成比例、積分和微分測試曲線，并計算出待測參數(shù)，見圖3。

圖3 比例參數(shù)測試曲線

圖3在A時刻被測板達到平衡，此時Uβ＝0．644 V，由式（6）有

即該比例檔比例系數(shù)為0．990。

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

由線性輸出可見，控制板在時刻A達到新的平衡，對應橫坐標22．700 s，按照式（7）可得

按照微分參數(shù)測試方法測得微分參數(shù)，測試曲線見圖5。微分信號輸入斜坡信號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以平衡控制板，在時刻A線性輸出過零，控制板達到平衡，此時Uβ＝1．110 V，由式（8）得

由表1可見，各項參數(shù)檢測值與理論值十分吻合，表明檢測結(jié)果準確，且由曲線可以看出全部檢測耗時不超過1 min，相對以往的方法，本方法使檢測速度大大地提高。

表1 PID參數(shù)檢測值與設計值的比較

圖4 積分參數(shù)測試曲線

圖5 微分參數(shù)測試曲線

4 結(jié)論

經(jīng)過試驗驗證，自動舵PID參數(shù)的測試方法，能夠快速準確地檢測出自動舵的PID參數(shù)，大大的簡化了自動舵的調(diào)試工作，能夠提高自動舵維修的效率。現(xiàn)在該檢測方法已經(jīng)應用到某型自動舵的智能檢測儀上。該智能檢測儀經(jīng)用戶使用證明，能明顯地提高自動舵的PID參數(shù)的調(diào)試效率，并對放大控制板上的元件失效而導致的參數(shù)變化能準確地檢測，對保障自動舵裝備的完好率具有很重要的意義。

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

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

［3］楊鹽生，于曉力，賈欣樂．船舶航向自適應魯棒PID自動舵設計［J］．武漢交通科技大學學報，1999，23（6）：594-598．

［4］林月美．自動舵比例微分系數(shù)自適應算法研究［J］．中國修船，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（1980—），男，碩士生。