Jednolite projektowanie regulatorów kursu i ścieżki dla autopilota statku

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_247/45

Andrzej Stec , send Zbigniew Świder , Leszek Trybus Politechnika Rzeszowska, Katedra Informatyki i Automatyki, al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów

Download Article

Streszczenie

Przedstawiono jednolity sposób doboru nastaw PID dla regulatora kursu i regulatora śledzenia ścieżki, które występują w kaskadowym układzie autopilota statku. Jednolitość projektowania jest możliwa dzięki temu, że w odniesieniu do każdego regulatora sterowany przez niego obiekt wygląda jak integrator ze stałą czasową. W przypadku regulatora kursu jest to znany model Nomoto. Dzięki eliminacji przez regulator stałej czasowej obiektu, układ zamknięty staje się układem 2-go rzędu. Założono, że układ ten ma mieć podwójną stałą czasową różniącą się w zadanym stosunku od stałej czasowej obiektu. Pokazano, że tak zaprojektowany regulator kursu lepiej tłumi zakłócenia środowiskowe niż regulator z wzorcowymi nastawami.

Słowa kluczowe

autopilot statku, nastawy regulatora, regulator PID, układ kaskadowy

Uniform Design of Heading and Track Controllers for Ship Autopilot

Abstract

Uniform approach to selection of PID settings for heading and path tracking controllers that create a cascade control system for ship autopilot is presented. Uniformity of the design follows from observation that for each of the controllers the controlled plant looks like an integrator with time constant. In case of the heading controller, the plant is represented by the known Nomoto model. Due to elimination of the plant time constant by the controller, each of the closed loop systems becomes of 2nd order. One assumes that such system should have a double time constant, different in a prescribed ratio from time constant of the controlled plant. It is shown that the heading controller designed in this way suppresses disturbances better than the controller with standard settings.

Keywords

cascade system, PID controller, ship autopilot, tunings

Bibliography

  1. Fossen T.I., Guidance and Control of Ocean Vehicles (4th ed.), Wiley, Chichester, 1999.
  2. Fossen T.I., Marine Control Systems, Marine Cybernetics, Trondheim, 2002.
  3. Lisowski J., Statek jako obiekt sterowania automatycznego, Wyd. Morskie, Gdańsk, 1981.
  4. Morawski L., Pomirski J., Rak A., A cascade control system for trajectory tracking, [In:] 4th International Congress on Maritime Technological Innovations and Research, 2004, 265–276.
  5. Chen C.Y., Ruiz M.T., Delefortrie G., Vantorre M., Lataire E., An Energy-Effcient Adaptiie Course Control System for Ocean Surface Ships, 11th International Workshop on Ship and Marine Hydrodynamics, Hamburg, 2019, DOI: 10.15480/882.3349.
  6. van Amerongen J., van Nauta Lemke H.R., van der Veen J.C.T., An autopilot for ships designed with fuzzy sets, “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 10, No. 16, 1977, 479–487, DOI: 10.1016/S1474-6670(17)69559-4.
  7. Tomera M., Fuzzy Self-tuning PID Controller for a Ship Autopilot, Proceedings of the 12th International Conference on Marine Navigation and Safety of see transportation, TransNav, Gdynia, 2017.
  8. Moreira L., Fossen T.T., Guedes Soares C., Modeling, Guid ance and Control of “Esso Osaca” Model, Internal Report, No. 2005-2-W, Trondheim, 2005.
  9. Temiz I., An Iniestigation on the Ship Rudder with Different Control Systems, “Elektronika ir Elektrotechnika”, Vol. 105, No. 9, 2010, 28–32.
  10. Trybus L., Świder Z., Stec A., Tuning Rules of Conientional and Adianced Ship Autopilot Controllers, Automation 2015, 303–311.
  11. Bożek A., Trybus L., Krok dyskretyzacji i nastawy PID w dyskretnym serwomechanizmie napięciowym, „Pomiary Automatyka Robotyka”, R. 26, Nr 1, 2022, 5–10, DOI: 10.14313/PAR_243/5.
  12. Fossen T.I., Breivik M., Skjetne R., Line-of-sight path following of underactuated marine craft. “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 36, No. 21, 2003, 211–216, DOI: 10.1016/S1474-6670(17)37809-6.
  13. Caharija W., Pettersen K.Y., Bibuli M., Calado P., Zereik E., Braga J., Gravdahl J.T., Sørensen A.J., Milovanović M., Bruzzone G., Integral Line-of-Sight guidance and control of underactuated marine iehicles: Theory, simulations, and experiments. “IEEE Transactions on Control Systems Technology”, Vol. 24, No. 5, 2016, 1623–1642, DOI: 10.1109/TCST.2015.2504838.
  14. Kula K., Tomera M., Control system of training ship keeping the desired path consisting of straight-lines and circular arcs, “TransNav: International Journal on Marine Navigation and Safety of See Transportation”, Vol. 11, No. 4, 2017, 711–719, DOI: 10.12716/1001.11.04.19.
  15. ALPHASEAPILOT MFC Autopilot Operating Manual, Alphatron, https://www.alphatronmarine.com.
  16. FAP-2000 Autopilot Operator Manual, Furuno, https://www.furuno.com.
  17. Simrad AP70/80 Operator Manual, Simrad, https://rowlandsmarine.co.uk.
  18. Praxis Automation Technology B.V., http://www.praxis-automation.nl.