基于模糊PID算法的船舶锚机控制系统设计

李元贵，付焕森，曹先锋

（1.泰州学院 机电工程学院，泰州 225300；2.泰州三福船舶工程有限公司，泰州 225300）

随着科学技术的发展，船舶自动化水平也在不断提高，其中船舶锚机的控制方式也日趋自动化和智能化。目前，船舶锚机控制大都是采用机电液控制方式，速度控制分为有级调速和无级调速：有级调速是指交流双速和交流3速两种类型，通过凸轮开关可以实现电动机的正反转，以及低、中、高3速的控制；无级调速是指以PLC为控制核心，采用变频器的速度调节器控制速度，实现无级调速。前者控制方式的特点是控制方式简单，成本也较低，但是精度比较低，特别是低速特性不理想，机械振动和各种损耗大；后者控制方式的特点是控制方法也简单，成本较高，但是维护维修工作大幅度降低，上位机的界面操作比较人性化，而且能够实时显示相关参数；采用无级调速是锚机控制发展的趋势。

锚机控制主要是起锚和抛锚，抛锚相对比较简单，只要电机反转和速度可调即可，起锚比较复杂，受力不断变化，共分为4个过程，每个过程因为受力转矩的不同，环境改变差异更大，电机的转速也需要相应的变化，所以锚机很难建立精确的数学模型。对于上述分析的2种方法，无级调速要优于有级调速。模糊控制是不依赖于系统的数学模型，结合常规PID控制，能够使锚机根据不同的环境迅速改变电机速度，实现锚机的智能化控制[1]。

1 锚机模糊控制

1.1 起锚过程分析

锚机控制主要是起锚工作过程比较复杂，可分为4个阶段，如图1所示。第1阶段，收锚准备阶段，锚机收起躺卧在海底的锚链，此过程锚机的负载转矩基本没有变化；第2阶段，锚机拉动锚链逐渐收紧，此时锚机的负载转矩也慢慢增大；第3阶段，锚机拔锚出土，此时锚机的负载会突然增至最大，此时电机没有及时调整最大力矩拖出船锚，一定时间内必须切断电机主电源，否则将会导致电机堵转烧毁；第4阶段，锚机收起悬挂在海中的船锚，此时锚机负载转矩因为船锚出土后突然减为最小，此阶段后期负载转矩变化不大，锚机全部收好船锚后完成全部动作[2]。

图1 收锚过程示意图Fig.1 Schematic diagram of closing anchor

收锚过程中，锚机锚链上的受力不断变化，其中第3阶段船锚出土时为最大，根据图1可分析得到锚链受力分析如图2所示。

1.2 模糊PID控制

图2 收锚过程受力分析Fig.2 Stress analysis process of closing anchor

从图2可以发现，锚机在整个起锚过程中受力是不断变化的，文献[3]给出第3阶段的最大值计算公式

式中：K是锚链与链轮、擎链器的摩擦系数；φ是锚链在海水中的失重系数；m为锚质量；ρL为锚链每米质量；h为抛锚深度。锚机的最大功率Ne为

式中：ν是起锚速度；η为锚机机械效率。通过式（1）和式（2），可为选择电机功率做参考，但船在行驶过程中，环境是根据四季不断变化的，可能在收锚过程中遇到水草等障碍物，也会造成锚机负载的变化，锚机系统很难建立精确的数学模型，所以利用模糊控制和PID控制，根据不同阶段的负载转矩变化调整锚机速度。模糊PID控制系统如图3所示，通过测量转矩Mc，计算给定转矩M和测量转矩Mc的误差和误差变化率，进行模糊化、模糊控制规则得出 ΔKp、ΔKi、ΔKd， 解模糊得出 Kp、Ki、Kd的参数值，送入PID控制器再至变频器，从而控制锚机的转速[3-4]。模糊控制过程如图3所示。

图3 模糊PID控制系统框图Fig.3 Block diagram of Fuzzy PID control system

1）模糊化

设计转矩模糊PID的控制器时，可以利用双输入、3输出模式的Fuzzy控制器结构，输入量为e（kT）、ec（kT），输出量为 Kp、Ki、Kd，为了方便描述，定义如下：

式中：T为采样周期；M（kT）为第 k个转矩给采样值；eM（kT）为第 k 个转矩误差输出采样；ecM（kT）为第k个转矩误差变化率输出采样；Ze和Zec分别为控制误差和误差变化率输出范围的数值。

2）建立数据库

设 e（kT）、ec（kT）的论域定义为 X={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}在论域上取七个量，NL、NM、NS、ZE、PS、PM、PL，对应为负大、负中、负小、不变、正小、正中、正大；e（kT）、ec（kT）采用对称而且均匀分布的高斯三角函数。

3）规则库和模糊推理

规则库是根据专家的经验积累，共有64条规则。

IF E=NL AND EC=NL，THEN ΔKp=PL，ΔKi=NL，ΔKd=PS

如果负载转矩的误差是负大，并且负载转矩的误差变化率是负大，说明锚机给定的负载转矩和锚机实际需要的负载转矩差别较大，所以需要ΔKp参数为正大，ΔKi参数为负大。ΔKp参数正大表示系统偏离程度严重，急需调整给定负载转矩。

IF E=NL AND EC=NS，THEN ΔKp=PL，ΔKi=NM，ΔKd=NL；

IF E=NL AND EC=ZO，THEN ΔKp=PL，ΔKi=NB，ΔKd=PS；

IF E=NL AND EC=NM，THEN ΔKp=PL，ΔKi=NL，ΔKd=NS；

…

4）解模糊

输出量为 Kp、Ki、Kd，论域、语言变量和 e（kT）、ec（kT）一样，解模糊一般采用加权平均解模糊的方法[4-5]，即：

式中：u（kT）为清晰化值；ui（kT）为模糊控制器输出；μc（ui（kT））为对应于 ui（kT）的隶属度。

通过模糊PID控制，锚机不管在哪个阶段，只要比较给定负载转矩和测量负载转矩的差值以及差值变化率，就可以得到对应的Kp、Ki、Kd的参数值，而不需要锚机起锚时精确的数学模型。

2 硬件设计

硬件设计选用三菱PLC控制器，通过编程实现船锚锚机的手动和自动控制；选用施耐德变频器作为锚机速度调节的控制器，电路图如图4所示，共有两台电机M1和M2，M1为锚机的润滑电机，功率不大，星三角启动即可；M2为锚机的拖动电机，由变频器控制，M1先于M2起动。FX2N-48MR的FX2N-4AD和FX2N-2DA分别为PLC的模拟量输入和输出拓展接口，用于接收负载转矩的信号和输出给变频器的调频信号。

图4 模糊PID控制硬件接线图Fig.4 Hardware wiring diagram of Fuzzy PID control

3 软件设计

软件设计分为上位机触摸屏界面设计和PLC程序设计。

3.1 上位机设计

上位机触摸屏分为手动和自动控制，手动控制用低、中和高档等按钮控制锚机的4段速度调节，与图1提到的4个阶段的速度基本一致；自动控制即是模糊PID的智能控制。上位机除此之外，还能在线显示电机转速、锚机负载转矩的变化以及出现意外时的报警信号，如图5所示[5-6]。

图5 上位机设计界面Fig.5 Design of PC Interface

3.2 PLC程序设计

锚机手动和自动控制都是通过PLC、变频器、PID控制器实现。手动部分较简单，4段速度由ENCO指令即可完成；自动部分较为复杂，主要是模糊 PID 程序设计，首先把变量 X={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}分别存储到地址 D={D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7}中，其次把负载转矩的初定值和PLC采集到的转矩值存储到D100、D101中，计算eM、ecM的值分别存储到D102、D103，然后经过数据处理量化至变量论域中的数据存储到D104、D105，查询模糊规则表得出 ΔKp、ΔKi、ΔKd并存储 D201、D202、D203，再通过解模糊得出 Kp、Ki、Kd的值， 最后把 Kp、Ki、Kd的参数值送至PID控制器，进而控制变频器至锚机，直至满足要求后退出程序，程序流程图如图6所示。

4 运行结果

图6 锚机自动控制程序流程图Fig.6 Flow chart of Windlass automatic control program

在Matlab里建立仿真模型，测试锚机在起锚第3阶段抗负载突变的能力。分别设计了传统型PID控制和模糊PID控制，速度变化曲线如图7和图8所示，通过两种控制方法的仿真结果比较可看出，模糊PID控制下的锚机转速很快达到200 r/min，无超调；在第3 s锚机突加负载，模糊PID控制和常规PID控制下的锚机转速都有变化，但模糊PID响应较快；在第4 s时模糊PID速度调整到200 r/min，而常规PID控制要到第7 s。由此可见，不管是响应速度还是突加负载，模糊PID控制都是优于常规PID控制。

图7 传统PID控制Fig.7 Speed of traditional PID control

图8 模糊PID控制Fig.8 Speed of Fuzzy-PID control

5 结语

模糊PID算法嵌入到PLC程序设计中，利用组态触摸屏和变频器实现锚机的无级调速，克服了锚机手动控制和有级调速存在的缺点。该设计具有可视化的人机界面，快速的响应速度和负载转矩变化处理能力，实现了船舶锚机的自动化和智能化。经泰州某船厂的运行调试，系统可靠稳定，操作方便简单，可视化程度好，得到船厂用户的认可。

[1] 张书忠.锚机自动控制技术发展综述[J].船电技术，2012，32（4）：46-48.

[2] 张庆举，吕洪君.锚机液压驱动改装的研究及设计[J].中国修船，2012，25（6）：37-38.

[3] 马南琦.基于模糊算法的船舶锚机自动控制的研究[J].武汉理工大学学报，2002，26（3）：362-363.

[4] 吴雷，付焕森，韦凯，等.基于模糊神经网络的感应加热电源机组研究[J].电力电子技术，2007，41（12）：93-95.

[5] 宋向前，赵振江.基于PLC的变频器多段速控制系统[J].电工技术，2012（11）：33-34.

[6] 杨庆堂.PLC在船用三速锚机控制系统中的应用[J].制造，2008（24）：112-114.■