自动控制原理课程设计实验

上海电力学院

自动控制原理实践报告

课名：自动控制原理应用实践

题目：水翼船渡轮的纵倾角控制

船舶航向的自动操舵控制

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水翼船渡轮的纵倾角控制

一．系统背景简介

水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。船身底部有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne)，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。

水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。

航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。

当尾舵的角坐标偏转错误!未找到引用源。，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误!未找到引用源。。传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，因此如果船只以直线运动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。

二．实际控制过程

某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。

上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统

已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F（s）=1/s。

三．控制设计要求

试设计一个控制器Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D （s）存在下也能达到优良的性能指标。假设海浪扰动D（s）的主频率为w=6rad/s。

本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%，调整时间小于4s。

四．分析系统时域

1.原系统稳定性分析

num=[50];

den=[1 80 2500 50];

g1=tf(num,den);

[z,p,k]=zpkdata(g1,'v');

p1=pole(g1);

pzmap(g1)

分析：上图闭环极点分布图，有一极点位于原点，另两极点位于虚轴左边，故处于临界稳定状态。但还是一种不稳定的情况，所以系统无稳态误差。

2.Simulink搭建未加控制器的原系统（不考虑扰动）。

sys=tf(50,[1 80 2500 50]); t=0:0.1:1000;

step(sys,t)

分析：上图为输入为单位阶跃信号下的响应曲线，如图可以看出，其调整

时间ts=196s，而且超调量为0％。故其实验结果，不符合要求。

对于系统的时域分析，系统是不稳定的，而且当输入单位阶跃信号时响应不满足

题目要求。因此要添加控制器来满足要求。

五．控制设计

一.使用PID控制器进行参数整定

在simulink上绘制出加入PID控制器的系统

上图为添加PID控制器后的实验原理图（未接扰动）

2.由理论知识可知：当增加积分参数Ti时，系统的超调量减小；当Td减小，使得调整时间变短。

3. 先只改变比例环节的系数。通过相应调P的参数，不断尝试P的取值使得输出稳定，找到最佳参数。

上图为比例环节的系统（已添加扰动）

分析：仅在比例环节下

作用，超调量为2.76%，

调节时间为8.31s。调

整时间过大，与实验要

求不符合，故继续进行

下一步的调节。

②在加入积分环节，当增加积分参数Ti时，系统的超调量减小。

上图为比例积分环节的系统（已添加扰动）

分析：Kp越小，其超调

量越大，通过多次调节，

得出以上结果。

③最后加入微分环

节，当Td减小，使得

调整时间变短。

上图为PID控制系统（已添加扰动）

分析：通过PID控制系统的调试，最终得出超调量为5.86%，调整时间为1.9s。具体的数值求法运用程序（见下）

g=tf(50,[1 80 2500 50])

kp=500

Ti=1

Td=0.1

length(Td)

gc=tf(kp*[1.1*Td*Ti Ti+0.1*Td 1],[0.1*Td*Ti Ti 0])

ggc=feedback(gc*g,1)

step(ggc)

hold on；

grid on；

end

其中 kp=500；Ti=1 ；Td=0.1

故最终通过PID控制系统的设计完成了实验目的，实验成功

通过不断的取数和测试最终得到以下结果。

分析：通过对系统快速性的调整，

使得系统满足实验要求

船舶航向的自动操舵控制

一．船舶自动操舵仪背景

船舶操纵的自动舵[1～2]是船舶系统中一个不可缺少的重要设备。20世纪20年代,美国的Sper2ry和德国的Ansuchz在陀螺罗径研制工作取得实质性进展后分别独立研制出机械式自动舵,它的出现是一个里程碑,它使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望,这种自动舵称为第一代。20世纪50年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发展成果于一体的更加复杂的第二代自动舵问世了,这就是著名的PID舵。到了60年代末,由于自适应理论和计算机技术得到了发展,人们注意到将自适应理论引