鱼雷自动控制系统实验指导书

鱼雷自动控制系统实验指导书
杨惠珍张福斌编
西北工业大学航海学院
前言
“鱼雷自动控制系统”是西北工业大学航海学院自动化专业的特色专业课，其实用性和工程性很强。

实验教学是该课程教学的重要环节之一，通过实验教学激发学生的学习兴趣，激励学习积极性，培养学生的创造性。

根据这一原则，我们为“鱼雷自动控制系统”课程设置了四个实验，其中基础实验2个，综合实验2个。

通过鱼雷控制系统的分析与设计基础实验，使学生理解和掌握课堂理论教学的内容；通过半实物仿真试验，使学生了解鱼雷控制系统工程研制的手段和方法；通过驾驶仪控制率及程序设计实验，培养主观能动性，启发学生的创新精神和意识。

该实验指导书概述了实验的目的、原理、步骤和实验报告要求。

学生在实验前应根据指导书所述实验内容，掌握和了解鱼雷自动控制系统和自动控制理论等相关知识，掌握MATLAB软件和C语言的基本编程技术。

实验过程中，注意观察和提问。

实验报告一般包括实验名称、实验目的、方案设计、数据分析和结果讨论等内容，反映了学生对知识的理解和应用能力，是成绩考核的重要依据。

实验一 鱼雷深度控制系统分析
一、实验目的
（1）了解鱼雷深度控制系统的基本组成和基本原理。

（2）掌握具有俯仰角信号的鱼雷深控系统原理，了解控制参数y c 和c θ对系统稳定性的影响。

二、实验原理
鱼雷深度控制系统是由鱼雷、设定装置、测量与反馈装置、校正装置、横舵伺服机构等组成的闭环反馈控制系统，其作用是保证鱼雷在发射以后或航行过程中，能自动达到战术所要求的航行深度，并能克服各种干扰保证鱼雷在所要求的深度上稳定航行，或者操纵鱼雷按照预先设定的程序或自导指令自动变换航行深度。

图1所示是一种俯仰角、深度双闭环鱼雷深度控制系统。

图1 双环控制的深控系统原理结构图
其中，θc 为纵倾调节系数，y c 为深度调节系数，105.01)(+=s s G δ，)112.0)(122.1(133.00.4)(+++=s s s s s G θ， )
133.0()106.0)(121.0(41.0)('++-+=s s s s s G y 。

y c 的值反映了深控装置对深度偏差的自动控制能力，也反映了由深度控制作用所产生的输出在全部输出重所占的比重。

y c 值愈大，深度控制作用所引起的影响也就愈强，但过大的y c 值亦会使系统的稳定性变坏，甚至不稳定。

c θ起着保证系统稳定工作的作用，在惯性深控装置中，c θ的值即不能过小，也不能过大，应该有一个最佳值或在某一范围内取值，是系统达到最佳稳定状态。

三、实验步骤
当y c =1、c θ=3，y c =0.5、c θ=0.75，y c =0.1、c θ=0.3时，求：
（1）应用MATLAB 工具绘制深度系统根轨迹图和开环频率特性曲线；
（2）要求鱼雷定深在80米，应用MATLAB 软件求出深控系统响应曲线；
四、实验报告要求
（1）对比分析不同y c 和c θ条件下，深控系统的根轨迹图和频率特性曲线；
（2）对比分析不同y c 和c θ条件下，深控系统的响应曲线；
（3）总结y c 和c θ系数对鱼雷深度控制系统稳定性的影响。

实验二 鱼雷航向控制系统设计
一、实验目的
（1）加深对航向控制系统原理的理解。

（2）掌握比例式航向控制系统航向控制参数C ψ和航向角速率传递系数C ψ的确定方法，使系统的幅值裕量大于10dB ，相位裕量大于40°，超调量不大于5%，静态误差小于5%。

二、实验原理
某型鱼雷的航向控制系统的原理方框图如图2所示，其中鱼雷为受控对象，航向陀螺是一个二自由度陀螺仪，作为测量元件，用以敏感鱼雷纵轴相对于设定航向的偏离ψ，并产生相应的控制信号s u ，加到舵机上，舵机推动直舵偏转，从而操纵鱼雷运动。

图2 航向控制系统原理框图
由于鱼雷的相对阻尼较小，时间常数较大，如果控制规律为r r K δψ=，直舵角仅随偏航角ψ而变化，其稳定性受到限制，过渡过程比较缓慢，动态品质和稳态精度都不够理想，不能满足高性能鱼雷的要求。

为了改善控制的性能，在航向控制规律中，引入偏航角速率ψ，以增大航向系统的阻尼作用。

因此，航向控制规律可写为如下形式，即
r r C C ψδ∆ψψ=+
图3 比例式航向控制系统原理结构图
比例式航向控制系统原理结构如图3所示。

在图3中，c ψ为设定航向或指令航向；
()510.051
K G s T s s δδδ==++为舵机的传递函数； ()()()()()()()
341 1.310.35111 1.4810.1071K s s G s T s T s s s ψψψτ++==++++航向角速率传递函数； G ψ和G ψ分别为航向偏角传递系数和航向角速率传递系数。

根据鱼雷动力学特性的分析可知，鱼雷航向偏转时，应先具有偏航角速度ψ，然后才有航向角的变化。

在航向控制规律中引入了偏航角速率ψ信号，就可以在航向角偏离之前转动舵面，使舵角偏转超前航向角的变化。

自动驾驶仪按偏航角速率ψ的大小偏转垂直舵，在鱼雷上就产生了与角速率ψ方向相反的力矩，这个力矩与流体动力的阻尼力矩相同，起到了阻尼的作用，使鱼雷的流体动力阻尼得以补偿。

三、实验步骤
（1）阻尼回路分析与参数选择
简化的阻尼回路的原理结构如图4所示。

图4 阻尼回路原理框图
航向角速率阻尼回路开环传递函数为
()()()()
()()()341111C K K s W s C G s G s T s T s T s ψψδψψψψδδτ+==+++
按照保证()W s ψ回路的相位裕量γ＞40°的要求，应用MATLAB 工具作出C ψ=1时的Bode 图曲线，从中找出()γω=-135°时所对应的c ω，把c ω作为()L ψω的截止频率，然后使纵坐标向上或向下移动的距离等于20lg C ψ，求出与截止频率c ω相
对应的C ψ。

（2）航向控制回路的分析与参数选择
比例式航向控制系统的开环传递函数为
()()()()()222222112121C K s C K s C W s s s T s T s s T s T s ψψψψψψψψψ
ψψψψττΦξξ++===++++
式中，1K K K C K K δψ
ψψδψ=+，1T ψ=T T C K K K K ψδψψδψτξ++=。

应用MATLAB 工具做出C ψ=1时的Bode 图曲线，从中找出()γω=-120°时所对应的c ω，把c ω作为()L ψω的截止频率，然后使纵坐标向上或向下移动的距离等于20lg C ψ，求出与截止频率c ω相对应的C ψ。

（3）检验系统响应单位阶跃函数的动态特性，计算系统超调量、稳态误差、调节时间等指标。

四、实验报告要求
（1）确定比例式航向控制系统航向控制参数C ψ和航向角速率传递系数C ψ的详细过程；
（2）角速率阻尼回路的Bode 图；
（3）航向控制系统的Bode 图，校正后系统的根轨迹曲线；
（4）航向控制系统的阶跃响应曲线。

实验三 鱼雷控制系统控制规律验证
一、实验目的
（1）加深对鱼雷控制系统原理的理解。

（2）观察纵向控制参数y c 、c θ和侧向控制参数C ψ、C ψ对控制效果的影响。

二、实验原理
某型鱼雷控制系统结构如图5所示。

由一台高性能嵌入式计算机完成全部控制功能，惯性测量组件（航向陀螺和垂直陀螺）测量航向角ψ、俯仰角θ和横滚角ϕ，通讯采用RS-232C 接口；转速计测量雷体系ox 轴x v ，同样采用RS-232C 接口；深度传感器通过测量水压获得航行深度y 信息，输出为模拟电压信号；操舵机构接收控制计算机给出的操舵指令模拟信号，由电动伺服机构驱动直舵机和横舵机动作；供电控制器管理各组部件的供电，控制计算机给出“停车”数字信号时，切断各设备电源；扳机给出“开始航行”的数字信号，作为开始航行控制的指令。

图5 某型鱼雷控制系统结构图
航向控制规律为
r r C C ψδ∆ψψ=+
其中，c ψψψ∆=-为航向偏差，c ψ为参考航向指令，ψ为偏航角速度，r δ为直舵角，C ψ为航向控制参数和C ψ为航向角速率传递系数。

深度控制规律为
e y C C y θδθ=+
其中，c y H H =-为深度偏差，c H 为参考深度指令，θ为俯仰角，e δ为横舵角，C θ为俯仰角控制参数和y C 为深度控制参数。

根据鱼雷控制规律验证的需要，用软件模拟硬件设备的工作特性，为控制计算机建立一个完整的仿真运行环境。

分析控制计算机的数据处理过程，仿真系统应实现以下功能：
（1）完成鱼雷空间运动方程的实时积分解算；
（2）采集舵角指令信号；
（3）模拟惯性测量组件（航向陀螺和垂直陀螺）的实时数据输出；
（4）模拟转速计的实时数据输出；
（5）模拟深度传感器的实时数据输出；
（6）输出“航行开始”并检测“停车”数字信号。

选用配备了2个串行通讯端口的高性能工控机作为实时仿真计算机，并安装多功能数据采集卡以实现模拟、数字信号的输入输出，构成仿真计算机＋控制计算机的双机仿真系统，如图6所示。

其中，仿真计算机完成的任务包括：①鱼雷运动模型的实时仿真计算；②将仿真得到的鱼雷航向角和姿态角ψ、θ、ϕ按惯性测量组件（航向陀螺和垂直陀螺）的输出格式从RS-232C 串口1输出；③将仿真得到的雷体系速度信号按转速计的数据输出格式从RS-232C 串口2输出；④将仿真得到的深度信号y 按深度和电压的比例系数以模拟电压的形式输出；⑤从模拟电压采样端口读入舵角信号，经过舵机模型的解算后作为AUV 运动模型的控制输入；⑥开始模型解算时输出“航行开始”数字信号；⑦检测“停车”信号结束仿真；⑧实现良好的人机界面，实现模型参数的输入、模型的初始化、仿真算法的选择、初始运动参数变化曲线的显示、仿真数据的保存等功能。

多功能数据采集卡采用32位PCI 总线接口多功能数据采集卡。

串口1用于
模拟惯性测量组件（航向陀螺和垂直陀螺），仿真开始后输出航向、姿态数据；串口2用于模拟转速计，仿真开始后输出速度数据。

图6 验证系统结构图
控制规律验证的流程如图7所示，图8为验证过程中的程序运行截图。

图7 控制规律验证的流程
图8 仿真界面
三、实验步骤
（1）输入鱼雷模型参数；
（2）输入模型的初始状态；
（3）输入航向和深度的控制规律；
（4）输入开始仿真指令；
（5）仿真结果分析。

四、实验报告要求
（1）简述鱼雷控制系统控制规律验证的基本原理；
（2）分析控制规律中各控制参数对系统控制效果的影响。

实验四鱼雷控制系统半实物仿真演示实验
一、实验目的
（1）了解鱼雷控制半实物仿真系统的基本原理。

（2）了解鱼雷控制半实物仿真系统的主要设备及其原理。

（3）了解鱼雷控制系统建模及控制规律的设计与工程化。

（4）观察鱼雷控制系统半实物仿真实验过程，比较数学仿真与半实物仿真的结果。

二、实验原理
参与仿真实验的主要设备及其功能有：
●ADI/RTS6205实时仿真计算机：计算鱼雷动力学、运动学、目标运动学
及鱼雷与目标的相对运动方程，输出鱼雷姿态和深度等信号，接收舵角
信号，形成闭环仿真计算；
●三轴转台：接收仿真机的角度和角速度信号，模拟鱼雷姿态变化，给陀
螺仪等敏感元件提供信息；
●水压仿真器：接收仿真机的深度信号，通过油压动态变化，给鱼雷深度
传感器提供航行深度信号；
●负载力矩仿真器：复现对舵面的流体动力作用；
鱼雷控制半实物仿真实验的基本原理如图9所示：
图9 鱼雷控制系统半实物仿真实验原理图
鱼雷半实物仿真的基本工作原理是将参试的实物，如深度传感器安装在水压仿真器上，陀螺等敏感组件安装在三轴转台上，舵机组件上安装在舵负载仿真器。

ADI实时计算机从A/D接口读取三个舵角信号，然后解算鱼雷的运动方程，解算完毕即将鱼雷有关的状态信息通过反射内存板输出给转台控制柜和仿真接口控制台，转台控制柜驱动转台模拟鱼雷的姿态运动；鱼雷航行深度的模拟信号则送给水压仿真器，由其来重现鱼雷的航行深度。

放置在转台上的敏感组件感受鱼雷的姿态及其变化，而水压仿真器上的深度传感器则感受鱼雷航行的深度，自动驾驶仪根据这些信号控制舵机组件操舵，在舵机组件操舵的同时，由舵负载仿真器模拟舵负载。

最后舵角传感器将舵角信号通过A/D送给ADI仿真主机，重新解算鱼雷动力学方程，开始下一个周期的仿真。

仿真结果由宿主计算机实时显示仿真曲线。

三、实验步骤
第一步：简述控制系统半实物仿真实验的基本过程；
第二步：在实时仿真机中进行鱼雷控制系统全数学仿真，观察数学仿真实验的弹道曲线；
第三步：演示鱼雷控制系统半实物仿真开环实验，转台和水压仿真器跟踪仿真机的输出信号，具体步骤如下：
（1）仿真主机设置鱼雷发射条件：，，，，，设置仿真步长T，仿真时间，并按此条件计算闭环解，记录，，，及，，等。

（2）转台、水压仿真器供电，液压站启动。

（3）在零输出条件下，转台输出角调零，水压仿真器输出压力调至0.03MPa （相当于3m）。

（4）仿真机置于开环调试程序下，接通A／D，D／A，D／D，TTL等接口开关。

（5）仿真机运行开环调试程序，向外围仿真设备传送初值信号，转台、水压仿真器分别输出相应初始转角，，和压力。

（6）继续运行开环调试程序至仿真结束，记录转台、水压仿真器动态变化量，并与数字仿真结果对比，确认结果正确，进入下一步工作程序。

（7）仿真机置于闭环调试下，执行步骤与开环调试相同，确认结果与数字仿真结果一致，可进入下一步闭环试验程序。

第四步：演示鱼雷控制系统半实物仿真闭环实验全过程，观察半实物仿真实验的弹道曲线，具体步骤如下：
（1）执行开环调试的（1）至（4）步操作。

（2）仿真机置于闭环试验程序，设置初始状态，接通A／D，D／A，D／D及TTL接口，转台接收初值信号，转动至初始状态，水压仿真器输出压力0.03MPa。

（3）产品供电，敏感组件和舵机进入工作状态。

（4）自动驾驶仪检测台发出仿真开始信号，并经A／D接口输入到仿真机。

（5）仿真机一旦采集到仿真开始信号，便立刻转入闭环动态循环程序，此时应密切注意各设备工作状态，观察实时图形显示，并作好相关记录。

（6）经过若干秒后，自动驾驶仪检测台发出仿真停止信号，仿真机进入保持状态，其它各设备断油源，断电源。

（7）仿真机将内存相关数据转存于磁盘文件。

四、实验报告要求
（1）简述鱼雷控制半实物仿真实验的基本原理。

（2）阐述各参试设备的主要功能。

（3）对比数学仿真和半实物仿真的结果，总结二者的区别。

实验五自主船控制实航实验
一、实验目的
1了解自主船控制实航实验的目的和意义；
2掌握自主船系统的组成及工作原理，了解各控制装置和传感器的工作特性；
3掌握自主船控制实航实验的步骤和方法。

二、实验设备及仪器
自主船控制系统包括船上控制系统和岸上控制系统两部分。

船上控制系统主要由PC104工控机、姿态传感器、GPS接收机、电机控制模块、推力电机和无线串口通讯模块组成；岸上控制系统由普通PC机和无线串口模块组成。

它们的具体型号如下：
1、PC104工控机
自主船的PC104工控机主要有CPU模块、D/A转换和I/O模块及串口扩展模块几部分。

（1）CPU模块：基于PC104总线，工作频率为66MHz～133MHz，通过总线与其他模块通信，用来实时解算控制指令和各个任务的合理调度。

（2）串口扩展模块：采用串口模块-EMM-4M-XT（PC/104外围板卡系列），扩展四个串口，选其中的两个串口，跳线成RS-232，用作GPS、方位参考系统的数据采集。

（3）D/A转换和I/O模块：采用DMM-16-AT(PC104数采模块)，分别通过其I/O 口和D/A口输出继电器和电机控制信号。

2、GPS
GPS采用XW GPS1000接收机。

它是一款高精度、高动态、高性能的GPS接收机。

在无SA时，自主定位精度可达2m CEP，数据更新率可达20Hz。

它实时为控制系统提供船的经纬度、速度等信息。

3、 姿态传感器
姿态传感器采用MTI 微型AHRS 系统。

它是一个微型的测量姿态和航向的系统，内部处理器功耗低，输出的航向角没有漂移，同时提供经过校准的三轴加速度，角速度以及磁场强度。

它实时为控制系统提供船的姿态信息。

4、 无线串口通讯模块
无线串口模块采用XStream RS-232/485 RF 调制解调器。

它负责接收岸上控制系统的控制指令，并将经纬度、姿态、速度等信息反馈给岸上控制系统，便于监控。

5、 电机控制模块和信号隔离器
电机控制模块和信号隔离器采用MMT-DC 12DP50BL 直流电机控制模块和MMT-VID 信号隔离器。

电机控制模块的输入电压为DC 12V ，输出电压为DC 0～12V ，最大输出电流为DC50A ，调速比为1:80。

电机控制模块将PC104工控机输出的控制信号转化为实际电机驱动电压，并输出给电机。

三、自主船系统的工作原理 岸上主控计算机岸上控制系统船
上
控
制
系
统
控
制
器左右推力电机GPS 接收机姿态传感器
无线串口通信船上控制系统
图 1自主船系统的工作原理
自主船系统的基本工作原理如图1所示。

首先，岸上控制系统设置相关控制参数，并将开始指令发送给船上控制系统；其次，船上控制系统在接收到开始指令后通过串口实时采集GPS 接收机、姿态传感器的相关信息，并对这些信息进行解析，然后将船上控制系统将解析到的航行状态信息反馈给岸上控制系统；最后，岸上控制系统根据所得到的航行状态信息和设计的控制算法完成对控制参数的解算，并将控制指令发送给船上控制系统，船上控制系统根据控制指令输出电
机控制信号，控制电机运转，从而实现对船运动的控制。

四、实验内容
（一）航向角跟踪控制实验
1、配置岸上控制系统的无线串口模块，运行岸上控制系统终端软件，
连接串口；
2、打开船上控制系统的“开机”按钮，设置控制参数和参考航向角，
发送“开始航行”指令；
3、船上控制系统和岸上控制系统一旦采集到“开始航行”信号，便立刻转入闭
环动态循环程序，此时应密切注意各设备工作状态，观察自主船的实时动向，并作好相关记录；
4、实验完成时，发送“停止航行”信号，自主船停止航行，关闭船上控制系统
的“开机”按钮，其它各设备断电源；
5、保存相关航行轨迹、姿态、控制信号数据。

（二）航路点跟踪控制实验
1、配置岸上控制系统的无线串口模块，运行岸上控制系统终端软件，
连接串口；
2、打开船上控制系统的“开机”按钮，设置控制参数和航路点信息，
发送“开始航行”指令；
3、船上控制系统和岸上控制系统一旦采集到“开始航行”信号，便立刻转入闭
环动态循环程序，此时应密切注意各设备工作状态，观察自主船的实时动向，并作好相关记录；
4、实验完成时，发送“停止航行”信号，自主船停止航行，关闭船上控制系统
的“开机”按钮，其它各设备断电源；
5、保存相关航行轨迹、姿态、控制信号数据。

五、实验报告要求
1、画出自主船相应的轨迹、姿态、控制信号曲线。

2、分析实验设备、控制算法和实验环境三方面对实验结果的影响。

参考文献：
[1] 徐德民等编著，《鱼雷自动控制系统》（第二版），西北工业大学出版社，2001
年
[2] 胡寿松主编，《自动控制原理》，国防工业出版社，1996年。