鱼雷自动控制系统试卷及答案

鱼雷自动控制系统试卷1
一、概念题（每小题5分；共30） 1、鱼雷弹道的袋形深度 2、小扰动线性化 3、自由角 4、横舵管制 5、半实物仿真实验 6、捷联式惯导系统
二、简答题（每小题6分，共30分）
1、对没有横滚控制的鱼雷，试述鱼雷总统设计时重心侧移和重心下移的作用。

2、为了减小回旋横滚，往往将直鳍舵设计成什么样子？解释这种设计对回旋横滚的作用。

3、绘制鱼雷自动控制系统原理框图。

4、铰链力矩指什么？有什么作用？
5、简述回旋运动对深度误差的影响。

三、控制系统的状态方程为（20分）
⎪⎩⎪⎨
⎧=+=•CX
Y bU
AX X 其中，⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=1210061000A ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=001b ⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡=321x x x X []001=C
试用极点配置方法，确定反馈增益矩阵[]321k k k K =，使闭环系统的特征值为
2*
1-=λ，j +-=1*2
λ，j --=1*3λ 四、鱼雷横滚控制系统如下图所示：（20分）
图中，鱼雷横滚控制系统的开环传递函数为]
)[()
1()(0441212
001v A s J s s k v A k s G mx x mx ω
δδλ+++= 试用渐近稳定频域判据,求该非线性系统的渐近稳定条件。

答案
一、概念题（每小题5分；共30）
1、答：指鱼雷发射后的航行过程中跳离水面的现象。

一般是不允许鱼雷跳水的，因为跳水不仅破坏了鱼雷的隐蔽性，而且也会影响某些部件工作可靠性。

2、在小扰动条件下，在“工作点”附近略去高阶小量，将物理过程的非线性关系简化为线性关系。

3、自由角指为了使鱼雷在设定深度上航行，必须保持平衡，可在鱼雷发射之前预先将横舵转动一个角度，这个预先设定的横舵角习惯上称为自由角。

4、管制指在鱼雷初始航行阶段，将横舵锁定在某一范围或一定的角度上。

5、所谓半实物仿真，就是将系统的一部分用实际装置，另一部分用数学模型在计算机省运行，并用适当的实验设备将实际装置于计算机连接起来。

在鱼雷控制系统的半实物仿真实验中，一般控制装置采用实物，鱼雷运动的动力学特性采用失效模型在计算机上运行，再用运动模拟转台和深度伺服系统将两者连接起来。

6、捷联式惯性导航系统是一个信息处理系统，就是把鱼雷上安装的惯性仪表所
测量的鱼雷运动信息，经过计算机处理成所需要的导航和控制信息。

计算的内容和要求，根据捷联惯导的应用和功能要求的不同而有很大的差别。

二、简答题（每小题6分，共30分）
1、答：重心侧移是双桨失衡的补偿措施，使重心侧移对纵轴的力矩抵消失衡力
矩；重心下移是为了增加鱼雷直航时的横滚稳定性，从而消除扰动所产生的横滚，但重心下移导致了回旋横滚。

2、答：设计成垂直鳍上小下大，垂直舵是上大下小。

在鱼雷做回旋运动时，直鳍受到的流体动力指向回旋的方向，上小下大的直鳍受到的力矩与横滚力矩相反，而由于回旋是由于打舵产生的，直舵产生的流体动力与回旋方向相反，上大下小的舵受到的力矩也与横滚力矩相反。

3、
4、作用于舵面上的流体动力相对于舵面铰链轴的力矩通常称为铰链力矩。

鱼雷的舵面是由舵机进行操纵的，为了计算舵的强度和确定操纵鱼雷运动时舵机所应给出的力，需知道作用于舵面上的力和力矩。

5、当鱼雷在水面内作回旋运动时，会产生水平方向的离心力作用在鱼雷上，当
存在直航横倾时，这一惯性力并不垂直于直鳍平面。

因此，其沿鱼雷立轴方向的分力方向向下，因此，破坏了无横倾时的平衡状态，使平衡攻角和平衡舵角都发生了变换。

平衡舵角是由深控装置和设定的自由角给出的，而且自由角是在发射前预先设定的。

设定时无法估计横滚角的确切值，一般只能按照无横滚情况设定。

于是，当存在横滚角时，鱼雷就不能保持在设定深度上稳定航行。

对于装有惯性深控装置的鱼雷作水平回旋运动时，还可通过惯性深控装置的“耦合”使侧向运动对纵向运动产生影响而导致回旋过深。

三、（20分）
判断系统是否可控，即判断n b A AB B
rank n =-][1 是否成立，结果是系
统可控，故满足可配置条件。

现计算系统的特征多项式：
s s s s s s
A sI 7218121006100det )det(23++=⎥⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-+-=-
进而计算
∏=++=++-++=-=3
12
3**
7218)1)(1)(2()()(i i s s s j s j s s s s a λ 于是，可求得
[]1466
4][2*
21
*
10
*
0--=---=a a a a a a k
再来技术变换阵
[
]
⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=-001011211872118720118001001016100101001
2
1
2
21a a a b Ab b
A P ⎥⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=144181121010
0P
[][]122018614144181121010
014664--=⎥⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡----==P k k
于是，140-=k ，1861=k ，12202-=k
四、（20分）
由于开环传递函数为]
)[()
1()(0441212
001v A s J s s k v A k s G mx x mx ω
δδλ+++= 根据继电控制系统的频域判据：
第一条：如果0>n b 且11b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。

由于这里0=n b ，不符合条件。

第二条：如果0=n b ，01>-n b ，12/-->n n n b b a ，且12b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。

可得
0)
(4410
>+λωx mx J v A 时闭环继电系统渐近稳定。

鱼雷自动控制系统试卷2
一、填空题（每空1分，共39分）
1．鱼雷的控制装置主要由、、、
四个部分组成。

2．地面坐标系与雷体坐标系之间的位置可用、、
三个角度来确定。

雷体坐标系和速度坐标系之间的位置可用、来确定。

地面坐标系和速度坐标系之间的位置可用、、
三个角度来确定。

3．鱼雷所受的俯仰力矩与流体动力参数、、有关。

4．鱼雷空间一般运动方程组由、、三部分组成。

鱼雷空间一般运动方程组简化的常用方法是和。

5．在总体设计时，对于没有横滚控制的鱼雷，为了补偿双螺旋桨产生的失衡力矩，可采用的措施；为了增加鱼雷直航时的横滚稳定性，可采用的措施；为了减小回旋横滚，还采用了垂直鳍舵不对称配置。

这种配置方式是垂直鳍，垂直舵是，前者可以直航横滚角，回旋横滚角；后者可以直航横滚角，回旋横滚角。

6．测量鱼雷的姿态可用自由度陀螺仪，它主要利用陀螺的特性；测量鱼雷转动的角速度可用自由度陀螺仪，它主要利用陀螺的特性。

7．舵机按操舵的功用可分为：、、；按采用的能源可分为：电动舵机、和。

电动舵机的伺服功率放大器一般由和两部分组成。

二、简答题（每小题6分，共24分）
1、解释鱼雷弹道的袋形深度的概念；
2、鱼雷为什么要设定自由角？
3、说明横滚对鱼雷航行的影响。

4、鱼雷的深度控制系统中，深度调节系数y c 和纵倾调节系数θc 对系统稳定性有什么样的影响？
三、控制系统传递函数为（19分）
)
2)(1(10
)()(++=s s s s U s Y 试用极点配置方法，确定反馈增益矩阵[]321k k k K =，使闭环系统的特征值为
2*
1-=λ，j +-=1*2λ，j --=1*3λ
四、鱼雷航向控制系统如下图所示：（18分）
图中，鱼雷航向控制系统的开环传递函数为)
1)(1()
1()(43+++=
s T s T s s k s G ψψψτ
试用渐近稳定频域判据,求该非线性系统的渐近稳定条件。

答案
一、填空题（每空1分，共38分）
1．设定和/或指令装置；敏感元件；信息处理器；伺服机构
2．俯仰角θ；偏航角ψ；横滚角ϕ；攻角α；侧滑角β；弹道倾角Θ；弹道偏角ψ；倾斜角Φ
3．鱼雷的速度v ；攻角α；横舵偏角e δ
4．鱼雷运动学方程；鱼雷动力学方程；几何学方程；线性化；分组 5．重心侧移；重心下移；上小下大；上大下小；增大；减小；减小；减小 6．双；定轴；单；进动
7．横舵机；直舵机；差动舵机；气动舵机；液压舵机；功率放大器；伺服电动机
二、简答题（每小题6分，共24分）
1、指鱼雷发射后形成的袋形弹道的最大深度，水上发射时，袋形深度指从水面到鱼雷最大下潜深度的距离，水下发射时，袋形深度指发射重心线到鱼雷最大下潜深度的距离。

2、自由角指为了使鱼雷在设定深度上航行，必须保持平衡，可在鱼雷发射之前预先将横舵转动一个角度，这个预先设定的横舵角习惯上称为自由角。

由于加入自由角后，当鱼雷在设定深度上航行时，其攻角和舵角分别等于平衡攻角和平衡舵角，所以消除了深度偏差。

3、横倾角的存在引起航行偏差，航行偏差随横倾角的增大而增大；
横倾角的存在将使鱼雷左右回旋时回旋半径不对称，回旋半径不对称性随直航横倾的增大而增大；
横倾的存在将导致自导系统作用距离减小。

4、y c 过大，纵倾调节作用相对于深度条件作用就可以忽略不计，会使系统稳定
性变坏；y c 过小，鱼雷受到扰动之后，其运动可能是稳定的，但却不能恢复到原来的定深线上，而是稳定在一个新的深度上航行，深度偏差的值取决于初始条件，因此y c 不能太大，也不能太小。

θc 过大，纵倾调节作用所占的比重增加，深度调节作用相对纵倾调节作用非
常小，可忽略不计，系统变得不稳定。

θc 过小，纵倾调节系统的开环传递函数特征根在右半S 平面，系统也不稳定，因此θc 不能太大，也不能太小。

三、（20分）
由于在传递函数中没有零极点对消现象，所以该单输入－单输出系统是完全
可控和完全可观测的。

其可控标准形实现为u x x x x x x
⎥⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡100320100010321321 反馈向量k 可写成
[]21
k k k k =
闭环系统的特征方程为
()()02301223=+++++k k k λλλ 按给定极点，系统的特征方程应为
0464)1)(1)(2(23=+++=-++++λλλλλλj j
令上面两式中λ的同次项的系数相等，可得
40=k ，41=k ，12=k
四、（18分）
由于开环传递函数为)
1)(1()
1()(43+++=
s T s T s s k s G ψψψτ
根据继电控制系统地频域判据：
第一条：如果0>n b 且11b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。

由于这里0=n b ，不符合条件。

第二条：如果0=n b ，01>-n b ，12/-->n n n b b a ，且12b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。

可得
如果ψτ<+)/(4343T T T T ，则闭环继电控制系统是渐近稳定的。

鱼雷自动控制系统试卷3
一、填空题（每空1分，共30分）
1．鱼雷的弹道包括 、 、 、 、 、 六个阶段。

2．鱼雷自动控制系统的主要战术技术指标包括 、 、 、 四个方面。

3．鱼雷所受的偏航力矩与流体动力参数 、 、 有关。

4．在控制规律中加入角速度信号，可以 系统的阻尼。

5．航行误差与平衡直舵角成 ，与航向控制系统的传动比成 。

平衡直舵角又与直航衡倾角成 ，所以横倾角的存在引起了航行偏差，而且航向偏差随横倾角的增大而增大。

6．通常，鱼雷纵向运动的弹道主要有两种形式， 和 。

7．按控制规律来讲，鱼雷深控系统主要有两种：具有信号的深控系统以及具有和信号的深控系统。

8．鱼雷定常水平回旋运动时，会产生深度误差，一种是由于横滚破坏了纵向平衡关系，通过误差而引起，另一种是由于回旋时存在，使得惯性深控装置的摆锤受到离心力轴向分量的影响而产生。

9．和同属于纵向运动控制。

10．陀螺的基本特性是性和性。

11．加速度计用于鱼雷不仅可以测量鱼雷的运动加速度，而且可以测量鱼雷的角和角。

二、简答题（每小题6分，共30分）
5、简述液压舵机的优点；
6、产生深度误差的原因主要有哪些？
7、说明串联校正和反馈校正的优缺点。

8、横滚对自导系统有什么影响？
9、鱼雷运动的稳定性是控制鱼雷沿基准弹道航行的前提，为此应保证哪些条
件？
三、画出继电控制系统处于正规开关模式（两种）、分离模式、滑动模式在点附近的几种可能轨线图（20分）。

四、请对下面的鱼雷控制系统半实物仿真结构框图进行解释？（20分）
答案
一、填空题（每空1分，共30分）
1．空中弹道；初始非控弹道；搜索弹道；导引弹道；末攻击弹道；再搜索弹道2．俯仰角θ；偏航角ψ；横滚角ϕ；攻角α；侧滑角β；弹道倾角Θ；弹道偏角ψ；倾斜角Φ
δ
3．鱼雷的速度；侧滑角β；直舵偏角
r
4．增加
5．正比；反比；正比
6．定深航行；定角爬潜
7．俯仰角；垂直速度；垂直加速度
8．自由角；侧滑角
9．深度；俯仰角
10．定轴；进动
11．俯仰角；横滚角
二、简答题（每小题6分，共24分）
4、液压舵机是以高原油为能源的执行机构。

它和电动舵机、气动舵机相比，具
有功率增益大、转动惯量小，输出力矩大，运转平稳、快速性好、结构紧凑、重量轻、体积小、灵敏度高、控制功率小和承受负载大等优点。

5、自由角设定误差的影响、航速变化的影响、制造公差的影响、回旋运动的影
响等。

3、串联校正比反馈校正简单，也比较易于对信号进行各种必要形式的变换。

反馈校正所需元件数较串联校正为少，反馈信号通常由系统输出端或放大器输出级供给，信号是从高功率点传向低功率点，一般无线附加放大器。

此外反馈校正尚可消除系统原有部分参数波动对系统性能的影响。

4、鱼雷没有横倾时，自导系统的水平波束处于水平位置，如果鱼雷存在横倾角，
自导波束也随之转动了同一角度，从而使某些波束（多波束系统）或波束的某部分角度指向海底或海面，这样就增大了对混响和鱼雷自噪声的接受。

为
了使自导系统不致产生误动作，就需要提高门限电平。

鱼雷可能出现的横倾越大，门限电平需要越高。

而门限电平的提高，意味着自导作用距离的降低。

所以，在一定技术水平条件下，横倾的存在将导致自导系统作用距离的减小，或者说，在维持作用距离不变的条件下，必须降低其它技术指标，如降低鱼雷的航行速度或使系统复杂化。

5、（1）稳定雷体轴在空间的角位置或角速度；
（2）改善雷体角运动的阻尼特性，提高其过渡过程的品质；
（3）稳定鱼雷的静态传递系数及动态特性；
（4）保证鱼雷质心运动的稳定性
三、（20分） 四、（20分）
为了比较精确地定量分析鱼雷在各种条件下控制系统的过渡过程，一般可以采用计算机仿真的方法进行研究。

把实际系统的运动规律用适当数学模型表达出来，它们通常是一组微分方程或差分方程。

然而任何数学模型都是对实际系统的近似描述，于系统的真实情况总有一定的差别。

但是，完全用实际系统进行分析研究，不仅要花费大量的人力、物力、试验周期很长，而且要大量记录所需的数据也很困难，特别是不能直接观察和掌握系统的运行发展过程，一旦系统出现故障、失稳，往往造成是否严重的损失。

因此，实际研究工作中，发展了所谓半实物仿真的方法。

就是将系统的一部分用实际装置，另一部分用数学模型在计算机上运行，并用适当的实验设备将实际装置与计算机连接起来。

这是一种十分重要的实验室研究方法。

图示系统就是一种半实物仿真系统。

其中自动驾驶仪采用实物，鱼雷运动的正规开关模式 正规开关模式 分离开关模式 滑动开关模式 图1 在“点”附近的几种可能的轨迹
+∑Γ00ξξ>>00ξξ<>+∑Γ00ξξ><00ξξ<<+∑Γ00ξξ>⎧⎨>⎩0ξξ⎧⎨<⎩相同∑Γ00ξ><ξξ<⎧⎨>⎩相反ξ(x )=0 ξ(x )=0
动力学特性采用数学模型在计算机上运行，再用运动模拟转台和运动伺服系统将两者联系起来。

对于深度控制来说，由计算机求解鱼雷的纵向运动方程组，并将计算出的鱼雷深度输送给DAV11（D/A转换器），通过接口控制台将深度信号送至水压仿真器，自动驾驶仪就会得到深度信号。

同时，计算机解算出鱼雷的姿态，通过转台控制柜来控制三轴转台，模拟鱼雷的俯仰运动，装在三轴转台上的自动驾驶仪就可以感受到鱼雷的纵向姿态，并根据控制规律操纵横舵机，横舵机的动作由舵角传感器来感知，舵角信号以电压的形式返回到计算机，这样就形成了鱼雷纵向闭环控制系统。

与此同时，计算机将计算的鱼雷运动参数也以电压的形式送给显示和记录装置。

横向运动的仿真过程与纵向运动相似。

鱼雷自动控制系统试卷4
一、概念题（每题5分，共30分）
1、欧拉角
2、捷联式惯导系统
3、自由角
4、失衡力矩
5、鱼雷弹道的袋形深度
6、舵角管制
二、简答题（每小题6分，共30分）
1、说明陀螺仪（分为单自由度和双自由度）的基本原理及在鱼雷自动控制系统中的应用。

2、比较电动舵机和液压舵机的优缺点。

3、采用加速度计或摆锤测量鱼雷的俯仰角时，鱼雷航行初期阶段的加速度对控制系统有何影响，使用中如何克服？
4、分别写出具有俯仰角信号和具有垂直速度和垂直加速度信号的鱼雷深控系统控制方程。

5、讨论输入参考信号分别为单位阶跃信号、单位斜坡信号和单位加速度信号时，比例式航向控制系统的稳态误差与控制参数K
的关系。

Ψ
三、控制系统传递函数为（20分）
)
2)(1(15)()(++=s s s s U s Y 试用极点配置方法，确定反馈增益矩阵[]321k k k K =，使闭环系统的特征值为
3*1-=λ，j +-=1*
2λ，j --=1*3λ
四、鱼雷横滚控制系统如下图所示：（20分） 图中，鱼雷横滚控制系统的开环传递函数为]
)[()1()(0441212001v A s J s s k v A k s G mx x mx ωδδλ+++= 试用渐近稳定频域判据,求该非线性系统的渐近稳定条件。

答案
一、概念题（每小题5分；共30分）
1、欧拉角：地面坐标系与雷体坐标系之间的位置可用航向角、俯仰角和横滚角三个角度来确定，称为欧拉角。

2、捷联式惯导系统：捷联式惯性导航系统是一个信息处理系统，就是把鱼雷上安装的惯性仪表所测量的鱼雷运动信息，经过计算机处理成所需要的导航和控制信息。

计算的内容和要求，根据捷联惯导的应用和功能要求的不同而有很大的差别。

3、自由角：自由角指为了使鱼雷在设定深度上航行，必须保持平衡，可在鱼雷发射之前预先将横舵转动一个角度，这个预先设定的横舵角习惯上称为自由角。

由于加入自由角后，当鱼雷在设定深度上航行时，其攻角和舵角分别等于平衡攻角和平衡舵角，所以消除了深度偏差。

4、失衡力矩：螺旋桨转动时，流体对纵轴产生的力矩将引起雷体滚动，为了消
除这种滚动，鱼雷都采用双桨对转，并且在设计时尽可能使双桨转矩平衡，如果双桨不能完全平衡，其转矩之差称为失衡力矩。

5、鱼雷弹道的袋形深度：指鱼雷发射后形成的袋形弹道的最大深度，水上发射时，袋形深度指从水面到鱼雷最大下潜深度的距离，水下发射时，袋形深度指发射重心线到鱼雷最大下潜深度的距离。

6、舵角管制：管制指在鱼雷初始航行阶段，将横舵锁定在某一范围或一定的角度上，防止鱼雷在发射后的初期出现跳水或下潜过深，使鱼雷能迅速到达设定的航行深度。

二、简答题（每小题6分，共30分）
1、说明陀螺仪（分为单自由度和双自由度）的基本原理及在鱼雷自动控制系统中的应用。

答：单自由度陀螺仪利用了陀螺仪的进动性，在鱼雷自动控制系统中用于测量角速度；双自由度陀螺仪利用了陀螺仪的定轴性，在鱼雷自动控制系统中用于测量鱼雷航向角相对设定航向的偏差以及俯仰角和横滚角。

2、比较电动舵机和液压舵机的优缺点。

答：电动舵机操舵功率小，舵机重量少，加工精度、装配调整、材料选用上没有特殊的困难，成本较低，另外电动舵机的可靠性和可维护性好，还较易实现多通道的控制。

电动机的快速性和比功率较液压或气动作动筒来说是要差一些。

但采用校正环节或非线性控制设计方法，可以使电动舵机满足鱼雷控制系统的要求。

而且电动舵机所需的能源比气动或液压舵机容易实现，线路的铺设和改装也很方便。

液压舵机是以高压油为能源的执行机构。

它和电动舵机、气动舵机相比、具有功率增益大、转动惯量小，输出力矩大、运转平稳、快速性好、结构紧凑、重量轻、体积小、灵敏度高、控制功率小和承受负载大等优点。

3、采用加速度计或摆锤测量鱼雷的俯仰角时，鱼雷航行初期阶段的加速度对控制系统有何影响，使用中如何克服？
答：鱼雷发射后，在水中初期航行阶段，鱼雷是加速的，速度变化范围较大。

起初，鱼雷的速度低于额定航行速度，其后在推力作用下，鱼雷航行速度逐渐增加，直至达到额定航速。

在加速过程中，由于惯性力的作用，摆锤将产生不规则运动，
容易引起鱼雷跳水或下潜过深。

为了防止鱼雷在发射后的初期阶段出现跳水或下潜过深(袋深)，使鱼雷能迅速到达设定的航行深度，对于采用惯性深控装置的鱼雷，在初期航行阶段，要将横舵加以“管制”，即将横舵锁定在某一范围或一定的角度上。

所以，在发射后的某一段距离上，鱼雷的运动为非操纵的。

4、分别写出具有俯仰角信号和具有垂直速度和垂直加速度信号的鱼雷深控系统控制方程。

答：具有俯仰角信号的鱼雷深控系统控制方程：θδθk y k y e +=
具有垂直速度和垂直加速度信号的鱼雷深控系统控制方程：y k y
k y k y y y e ++=δ 5、讨论输入参考信号分别为单位阶跃信号、单位斜坡信号和单位加速度信号时，比例式航向控制系统的稳态误差与控制参数K Ψ的关系。

答：①当输入信号为单位阶跃信号，即1()g s s
ψ=时， 2
1001()lim lim 0g ss s s r r s s s s e s K K s K K νννψψψ+→→===++ ②当输入信号为单位斜坡信号时，即21()g s s ψ=
时， 212001
()1lim lim g ss s s r r r s s s s e s K K s K K K K νννψψ
ψψ+→→===++ ③当输入信号为单位加速度信号时，即31()g s s ψ=
时， 213001
()lim lim g ss s s r r s s s s e s K K s K K νννψψ
ψ+→→===∞++ 三、控制系统传递函数为（20分）
)
2)(1(10)()(++=s s s s U s Y 试用极点配置方法，确定反馈增益矩阵[]321k k k K =，使闭环系统的特征值为
2*1-=λ，j +-=1*
2λ，j --=1*3λ
答：
由于在传递函数中没有零极点对消现象，所以该单输入－单输出系统是完全
可控和完全可观测的。

其可控标准形实现为u x x x x x x ⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡100320100010321321 反馈向量k 可写成：[]210k k k k =
闭环系统的特征方程为：()()02301223=+++++k k k λλλ
按给定极点，系统的特征方程应为
0464)1)(1)(2(23=+++=-++++λλλλλλj j
令上面两式中λ的同次项的系数相等，可得
40=k ，41=k ，12=k
四、（20分）四、鱼雷横滚控制系统如下图所示：（20分） 图中，鱼雷横滚控制系统的开环传递函数为]
)[()1()(0441212001v A s J s s k v A k s G mx x mx ωδδλ+++= 试用渐近稳定频域判据,求该非线性系统的渐近稳定条件。

答：由于开环传递函数为]
)[()1()(0441212001v A s J s s k v A k s G mx x mx ωδδλ+++= 根据继电控制系统的频域判据：
第一条：如果0>n b 且11b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。

由
于这里0=n b ，不符合条件。

第二条：如果0=n b ，01>-n b ，12/-->n n n b b a ，且12b s b n n ++- 的零点有
负实部，则系统渐近稳定。

可得
0)
(4410>+λωx mx J v A 时闭环继电系统渐近稳定。

鱼雷自动控制系统试卷5
一、概念题（每小题5分；共30分）
1、失衡力矩
2、鱼雷弹道的袋形深度
3、自由角
4、横舵管制
5、半实物仿真实验
6、小扰动线性化
二、简答题（每小题6分，共30分）
1、鱼雷的控制装置（自动驾驶仪）包括哪些组成部分，画出原理框图，并简述鱼雷控制装置的工作原理？
2、鱼雷的敏感元件有哪些，分别用于测量鱼雷的什么运动状态，使用中有哪些需要注意的地方？
3、为什么对鱼雷运动方程进行分组，分组后的子系统分别包括哪些运动状态，对应的控制输入是什么？
4、鱼雷的深度控制系统中，深度调节系数y c 和纵倾调节系数θc 对系统稳定性有什么样的影响？
5、试分析舵机的时间常数对比例式航向控制系统的稳定性的影响？
三、（20分）鱼雷航向控制系统的状态方程
X AX bU Y CX
⎧=+⎨=⎩ 式中，，，[]100C =，
1y X ψβω⎡⎤=⎣⎦，r U δ=,
试确定反馈增益矩阵K ，使闭环控制系统的特征方程为
363611)(23*0*11*1*+++=++++=--s s s a s a s
a s s D n n n 四、（20分）鱼雷航向继电控制系统如下图所示： 图中，鱼雷航向控制系统的开环传递函数为)1)(1()
1()(43+++=s T s T s s k s G ψψψτ
答案
一、概念题（每小题5分；共30分）
1、失衡力矩：螺旋桨转动时，流体对纵轴产生的力矩将引起雷体滚动，为了消除这种滚动，鱼雷都采用双桨对转，并且在设计时尽可能使双桨转矩平衡，如果双桨不能完全平衡，其转矩之差xp M ∆称为失衡力矩。

2、鱼雷弹道的袋形深度：指鱼雷发射后形成的袋形弹道的最大深度，水上发射时，袋形深度指从水面到鱼雷最大下潜深度的距离，水下发射时，袋形深度指发射重心线到鱼雷最大下潜深度的距离。

3、自由角：自由角指为了使鱼雷在设定深度上航行，必须保持平衡，可在鱼雷发射之前预先将横舵转动一个角度，这个预先设定的横舵角习惯上称为自由角。

由于加入自由角后，当鱼雷在设定深度上航行时，其攻角和舵角分别等于平衡攻角和平衡舵角，所以消除了深度偏差。

4、横舵管制：管制指在鱼雷初始航行阶段，将横舵锁定在某一范围或一定的角B C ⎰
K
A g ψψe δem
δ+em δ-X。