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