基于PLC 的船舶導航系統(tǒng)高精度控制研究

苗百春，于吉鯤

(大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 大連 116300)

0 引 言

艦船導航系統(tǒng)為艦船提供航行方向、位置、速度、水平以及方位等基準數(shù)據(jù)，實現(xiàn)艦船目的地確定、路徑計算和引導等，對艦船的航行進行監(jiān)控和引導，以此保證艦船的航行安全。艦船在長時間的航行狀態(tài)下，受到海面多種環(huán)境的影響以及不同磁場的干擾，會導致導航顯示方向和其實際航行方向之間發(fā)生明顯的偏差角，影響導航精度，偏離目的地。因此，如何提升艦船導航系統(tǒng)的控制精度，成為艦船管理中的重要內(nèi)容。PLC 控制器具有可編輯功能其主要是依據(jù)其內(nèi)部含有的微處理器為核心，執(zhí)行邏輯運算、順序控制等操作，實現(xiàn)設備的自動化控制。

為保證艦船的安全運行，陳志超等對此分析后，基于改進LOS 導航算法提出相關控制方法。祝亢等則研究艦船的航行特點后，提出基于深度強化學習的相關控制方法。上述方法均可有效控制艦船航跡，但是在應用過程中，仍舊存在一定超調量，因此，本文提出基于PLC 的艦船導航系統(tǒng)高精度控制方法。該方法利用PLC 的優(yōu)勢和功能，對艦船導航系統(tǒng)進行高精度控制。

1 艦船導航系統(tǒng)高精度控制

1.1 基于PLC 導航系統(tǒng)高精度控制方法框架

艦船在航行過程中，導航系統(tǒng)的導航精準性對于航行安全具有重要意義，因此，本文提出基于PLC的艦船導航系統(tǒng)高精度控制方法，其整體框架用圖1描述。該方法以嵌入式PLC 系統(tǒng)結構為主，其整體劃分為2 個部分，分別是控制層和應用層，控制層是由多種硬件設備組成，包含下位機、航行控制器、PLC控制器；應用層則是對控制層中的硬件進行初始化操作，同時向控制層下達控制指令以及呈現(xiàn)控制結果。

圖1 基于PLC 導航系統(tǒng)高精度控制方法框架Fig.1 High precision control method framework of PLC based navigation system

1.2 基于PLC 的艦船導航控制實現(xiàn)

1.2.1 基于PLC 的艦船導航控制原理

控制層中主要是采用PLC 控制器為核心，對艦船導航系統(tǒng)進行控制，主要控制原理用圖2 描述。該控制器的芯片為SEMENS S7-200，設有3 個擴展模塊分別是EM223，EM232，EM2345。此外，為提升對艦船導航的控制精度，在其芯片設置粒子群優(yōu)化的PID 控制方法，對導航系統(tǒng)的相關控制參數(shù)實行控制，實現(xiàn)艦船導航系統(tǒng)的高精度控制。

依據(jù)圖2 可知：通過PLC 控制器對導航系統(tǒng)進行控制后，可對艦船的舵輪、航向、舵角進行全面調整和控制，及時掌握艦船航行的整體情況。當導航顯示方向和艦船實際航行方向之間發(fā)生偏差角時，控制器可向應用層發(fā)送偏航預警，應用層可通過上位機下達調整指令，進行偏差調整，保證導航精準度。

圖2 基于PLC 的艦船導航控制原理Fig.2 Principle structure of ship navigation control based on PLC

1.2.2 基于粒子群優(yōu)化的PID 導航系統(tǒng)控制方法

PLC 控制器在對導航進行控制過程中，為提升控制的穩(wěn)定性，引入基于粒子群優(yōu)化的PID 控制方法對控制器的參數(shù)進行優(yōu)化控制。該優(yōu)化方法主要對微分環(huán)節(jié)實行優(yōu)化，掌握導航系統(tǒng)偏差信號的變化規(guī)律，以此保證控制的穩(wěn)定性。本文控制方法，是以PID 控制器為基礎，在此基礎上通過粒子群算法對控制器的加權因子 α 和 β實行優(yōu)化，實現(xiàn)PID 控制方法的自適應調節(jié)，以此保證控制效果。基于粒子群優(yōu)化的PID 控制方法結構用圖3 描述。

圖3 基于粒子群優(yōu)化的PID 控制結構Fig.3 PID control structure based on particle swarm optimization

圖中，ε和φ表示經(jīng)過量處理后，艦船導航在橫向和航向2 種偏差結果。該算法主要是對PID 控制方法的積分環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，其計算公式為：

式中：k，k和k分別為比例、積分和微分系數(shù)；在時刻下，艦船導航系統(tǒng)的偏差用表示，且該偏差包含橫向 ε和航向 φ 兩部分偏差結果，即=ε+φ ；表示優(yōu)化控制后的輸出精度值。

該方法在控制過程中，其控制指標函數(shù)采用橫向ε和航向 φ兩部分偏差總和進行描述，計算公式為：

1.3 基于免疫算法的PID 參數(shù)優(yōu)化

式中：表示絕對誤差積分。

粒子概率H的選擇是通過A完成，其計算公式為：

式中：A表示經(jīng)過迭代獲取的親和度；表示種群數(shù)量。

粒子濃度C的計算公式為：

依據(jù)C選擇粒子的概率計算公式為：

基于此粒子被選擇的總體概率計算公式為：

式中：=1,2,...,；η=[0,1]表示權重系數(shù)。

獲取公式(8)的計算結果，并按照降序進行排列，獲取計算結果中的缺失粒子以及結果較小粒子，將兩者采用上一代記憶微粒進行替代。

通過循環(huán)迭代對粒子的適應度值進行重新計算，獲取最優(yōu)粒子對替換進來的記憶微粒進行更新，以此實現(xiàn)X的優(yōu)化。

該優(yōu)化步驟如下：

通過初始化對免疫微粒種群實行處理，并設定初始化參數(shù)。

計算各個粒子的適應度，獲取其中最優(yōu)粒子。

依據(jù)最新迭代獲取粒子適應度更新記憶粒子信息庫。

當滿足設定的最大迭代次數(shù)時，進入步驟6；反之則回轉至步驟3 進行重新迭代。

獲取的最優(yōu)微粒位置的粒子結果即為優(yōu)化后X的結果，以此完成控制優(yōu)化。

2 測試結果與分析

為驗證本文方法在艦船導航系統(tǒng)高精度控制中的應用效果，將本文方法用于某艦船導航系統(tǒng)控制中，該艦船主要用于遠程進出口運輸，且為滿載狀態(tài)，其詳細情況用表1 描述。

表1 船舶詳細參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of ship

為驗證本文方法對艦船導航系統(tǒng)的控制性能，采用絕對誤差積分 γ作為評價指標，計算公式為：

式中：表示最大迭代次數(shù)。

依據(jù)該公式計算艦船在不同速度下，指標的計算結果，如圖4 所示。由圖4 可知：艦船在不同的航行速度下，隨著航行時間的逐漸增加，本文方法對艦船導航系統(tǒng)控制后 γ的指標結果均在0.25 以下，滿足應用標準。其中最大結果為0.22 左右，最小值為0.07 左右。因此，本文方法具有良好的艦船導航控制性能。

圖4 絕對誤差積分指標計算結果Fig.4 Calculation results of absolute integration error integration index

為測試本文方法對艦船導航系統(tǒng)的高精度控制效果，采用橫向和航向2 個偏差作為衡量指標，獲取本文方法在不同的航行距離下，2 個偏差的結果，如表2所示。2 個偏差的應用標準分別在(-2～2) cm 和(-3.5°～3°)之間。由表2 可知，應用本文方法后，有效完成艦船導航系統(tǒng)的高精度控制，使其橫向和航向2 個偏差結果均在應用標準范圍內(nèi)，其中橫向最大誤差為1.55 cm，航向最大誤差為-2.2°。本文在進行導航系統(tǒng)控制過程中，將橫向和航向2 個偏差值作為粒子群優(yōu)化的PID的導航系統(tǒng)控制方法對導航系統(tǒng)的控制指標函數(shù)，實現(xiàn)導航控制，因此可保證高精度的控制效果。

表2 橫向和航向2 個偏差指標測試結果Tab.2 Test results of lateral and heading deviation indexes

為進一步驗證本文方法對艦船導航的高精度控制效果，在不同的艦船期望航向下，采用本文方法在有風干擾和無風干擾情況下，進行導航控制，獲取控制過程中的超調量結果(應用要求超調量低于0.1%)，如圖5 所示。可知，采用本文方法對艦船導航系統(tǒng)進行高精度控制后，艦船期望航向角的不斷變化，導航系統(tǒng)控制的超調量均在0.1% 以內(nèi)，其最大超調量為0.05%，最小超調量為0%。因此本文方法具有較好的艦船導航高精度控制能力，可保證艦船的導航精準程度。

圖5 控制過程中的超調量結果Fig.5 Overshoot results during control

3 結 語

艦船在航行過程中會受到海洋環(huán)境等干擾，導致航行精準度受到直接影響。本文研究基于PLC 的艦船導航系統(tǒng)高精度控制方法，并對該方法的應用情況進行測試。結果顯示，本文方法具有良好的控制性能，有效控制橫向和航向2 個偏差結果，導航高精度控制能力良好，可保證艦船的導航精準程度。