自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、上海電力學(xué)院自動(dòng)控制原理實(shí)踐報(bào)告課名： 自動(dòng)控制原理應(yīng)用實(shí)踐 題目： 水翼船渡輪的縱傾角控制 船舶航向的自動(dòng)操舵控制 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 水翼船渡輪的縱傾角控制 一系統(tǒng)背景簡(jiǎn)介水翼船(Hydrofoil)是一種高速船。船身底部有支架，裝上水翼。當(dāng)船的速度逐漸增加，水翼提供的浮力會(huì)把船身抬離水面(稱為水翼飛航或水翼航行， Foilborne)，從而大為減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個(gè)自動(dòng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。通過(guò)主翼上的舵板和尾翼的調(diào)整完成穩(wěn)定化操作。該穩(wěn)定控制系統(tǒng)要保持水平飛行地穿過(guò)海浪。因此，設(shè)計(jì)上要求系統(tǒng)使浮力穩(wěn)定不變，相當(dāng)于使縱傾角最小。航向自動(dòng)操舵儀工作時(shí)存在

2、包括舵機(jī)（舵角）、船舶本身（航向角）在內(nèi)的兩個(gè)反饋回路：舵角反饋和航向反饋。當(dāng)尾舵的角坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)，會(huì)引起船只在參考方向上發(fā)生某一固定的偏轉(zhuǎn)。傳遞函數(shù)中帶有一個(gè)負(fù)號(hào)，這是因?yàn)槲捕娴捻槙r(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起船只的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。有此動(dòng)力方程可以看出，船只的轉(zhuǎn)動(dòng)速率會(huì)逐漸趨向一個(gè)常數(shù)，因此如果船只以直線運(yùn)動(dòng)，而尾舵偏轉(zhuǎn)一恒定值，那么船只就會(huì)以螺旋形的進(jìn)入一圓形運(yùn)動(dòng)軌跡。二實(shí)際控制過(guò)程某水翼船渡輪，自重670t，航速45節(jié)（海里/小時(shí)），可載900名乘客，可混裝轎車、大客車和貨卡，載重可達(dá)自重量。該渡輪可在浪高達(dá)8英尺的海中以航速40節(jié)航行的能力，全靠一個(gè)自動(dòng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。通過(guò)主翼上的舵板和尾翼的調(diào)整完成穩(wěn)定化操

3、作。該穩(wěn)定控制系統(tǒng)要保持水平飛行地穿過(guò)海浪。因此，設(shè)計(jì)上要求該系統(tǒng)使浮力穩(wěn)定不變，相當(dāng)于使縱傾角最小。 上圖：水翼船渡輪的縱傾角控制系統(tǒng)已知，水翼船渡輪的縱傾角控制過(guò)程模型，執(zhí)行器模型為F（s）=1/s。三控制設(shè)計(jì)要求試設(shè)計(jì)一個(gè)控制器Gc（s），使水翼船渡輪的縱傾角控制系統(tǒng)在海浪擾動(dòng)D（s）存在下也能達(dá)到優(yōu)良的性能指標(biāo)。假設(shè)海浪擾動(dòng)D（s）的主頻率為w=6rad/s。本題要求了“優(yōu)良的性能指標(biāo)”，沒(méi)有具體的量化指標(biāo)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資料的查閱：響應(yīng)超調(diào)量小于10%，調(diào)整時(shí)間小于4s。4 分析系統(tǒng)時(shí)域1.原系統(tǒng)穩(wěn)定性分析num=50;den=1 80 2500 50;g1=tf(num,den);z,p

4、,k=zpkdata(g1,'v');p1=pole(g1);pzmap(g1)分析：上圖閉環(huán)極點(diǎn)分布圖，有一極點(diǎn)位于原點(diǎn)，另兩極點(diǎn)位于虛軸左邊，故處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。但還是一種不穩(wěn)定的情況，所以系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。2.Simulink搭建未加控制器的原系統(tǒng)（不考慮擾動(dòng)）。sys=tf(50,1 80 2500 50); t=0:0.1:1000;step(sys,t) 分析：上圖為輸入為單位階躍信號(hào)下的響應(yīng)曲線，如圖可以看出，其調(diào)整時(shí)間ts=196s，而且超調(diào)量為0。故其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不符合要求。對(duì)于系統(tǒng)的時(shí)域分析，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，而且當(dāng)輸入單位階躍信號(hào)時(shí)響應(yīng)不滿足題目要求。因此要添加

5、控制器來(lái)滿足要求。5 控制設(shè)計(jì)一.使用PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定在simulink上繪制出加入PID控制器的系統(tǒng) 上圖為添加PID控制器后的實(shí)驗(yàn)原理圖（未接擾動(dòng)）2.由理論知識(shí)可知：當(dāng)增加積分參數(shù)Ti時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量減?。划?dāng)Td減小，使得調(diào)整時(shí)間變短。3.先只改變比例環(huán)節(jié)的系數(shù)。通過(guò)相應(yīng)調(diào)P的參數(shù)，不斷嘗試P的取值使得輸出穩(wěn)定，找到最佳參數(shù)。 上圖為比例環(huán)節(jié)的系統(tǒng)（已添加擾動(dòng)）分析：僅在比例環(huán)節(jié)下作用，超調(diào)量為2.76%，調(diào)節(jié)時(shí)間為8.31s。調(diào)整時(shí)間過(guò)大，與實(shí)驗(yàn)要求不符合，故繼續(xù)進(jìn)行下一步的調(diào)節(jié)。在加入積分環(huán)節(jié)，當(dāng)增加積分參數(shù)Ti時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量減小。上圖為比例積分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)（已添加擾動(dòng)）分析

6、：Kp越小，其超調(diào)量越大，通過(guò)多次調(diào)節(jié)，得出以上結(jié)果。最后加入微分環(huán)節(jié)，當(dāng)Td減小，使得調(diào)整時(shí)間變短。上圖為PID控制系統(tǒng)（已添加擾動(dòng)） 分析：通過(guò)PID控制系統(tǒng)的調(diào)試，最終得出超調(diào)量為5.86%，調(diào)整時(shí)間為1.9s。具體的數(shù)值求法運(yùn)用程序（見(jiàn)下）g=tf(50,1 80 2500 50)kp=500Ti=1 Td=0.1length(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故最終通過(guò)PID控制系

7、統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)成功通過(guò)不斷的取數(shù)和測(cè)試最終得到以下結(jié)果。分析：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)快速性的調(diào)整，使得系統(tǒng)滿足實(shí)驗(yàn)要求 船舶航向的自動(dòng)操舵控制一船舶自動(dòng)操舵儀背景船舶操縱的自動(dòng)舵12是船舶系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的重要設(shè)備。20世紀(jì)20年代,美國(guó)的Sper2ry和德國(guó)的Ansuchz在陀螺羅徑研制工作取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展后分別獨(dú)立研制出機(jī)械式自動(dòng)舵,它的出現(xiàn)是一個(gè)里程碑,它使人們看到了在船舶操縱方面擺脫體力勞動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的希望,這種自動(dòng)舵稱為第一代。20世紀(jì)50年代,隨著電子學(xué)和伺服機(jī)構(gòu)理論的發(fā)展及應(yīng)用,集控制技術(shù)和電子器件的發(fā)展成果于一體的更加復(fù)雜的第二代自動(dòng)舵問(wèn)世了,這就是著名的PID舵。到了60

8、年代末,由于自適應(yīng)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了發(fā)展,人們注意到將自適應(yīng)理論引入船舶操縱成為可能,瑞典等北歐國(guó)家的一大批科技人員紛紛將自適應(yīng)舵從實(shí)驗(yàn)室裝到實(shí)船上,繼而正式形成了第三代自動(dòng)舵。從80年代開(kāi)始,人們就開(kāi)始尋找類似于人工操舵的方法,這種自動(dòng)舵就是第四代的智能舵。智能舵的控制方法有3種,即專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。隨著全球定位系統(tǒng)等先進(jìn)導(dǎo)航設(shè)備在船舶上裝備,人們開(kāi)始設(shè)計(jì)精確的航跡控制自動(dòng)舵,這種自動(dòng)舵能把船舶控制在給定的計(jì)劃航線上。二控制對(duì)象建模1. 實(shí)踐課題船舶航行時(shí)是利用舵來(lái)控制的，現(xiàn)代的船舶裝備了自動(dòng)操舵儀。其主要功能是自動(dòng)的，高精度的保持或者改變船舶航行方向。當(dāng)自動(dòng)操作儀工作時(shí)

9、，通過(guò)負(fù)反饋的控制方式，不斷把陀螺羅經(jīng)送來(lái)的實(shí)際航向與設(shè)定的航向值比較，將其差值放大以后作為控制信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)航，使船舶能自動(dòng)的保持或者改變到給定的航行上。由于船舶航向的變化由舵角控制，所以在航向自動(dòng)的操舵儀工作時(shí)，存在舵機(jī)，船舶本身在內(nèi)的兩個(gè)反饋回路：舵角反饋和航向反饋。對(duì)于航跡自動(dòng)操舵儀，還需構(gòu)成位置反饋。當(dāng)尾舵的角坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)，會(huì)在引起船只在參考方向發(fā)生某一固定的偏轉(zhuǎn)，他們之間是由方程可由Nomoto方程表示：。傳遞函數(shù)有一個(gè)負(fù)號(hào)，這是因?yàn)槲捕娴捻槙r(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起船只的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由此動(dòng)力方程可以看出，船只的轉(zhuǎn)動(dòng)速率會(huì)逐漸趨向于一個(gè)常數(shù)，因此如果船只以直線運(yùn)動(dòng)，而尾舵偏轉(zhuǎn)一恒定值，那么船

10、只就會(huì)以螺旋形的進(jìn)入一圓形運(yùn)動(dòng)軌跡。把掌舵齒輪看成一簡(jiǎn)單的慣性環(huán)節(jié)，即方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度引起尾舵的偏轉(zhuǎn)。將系統(tǒng)合成。如圖1：圖1 自動(dòng)操舵控制系統(tǒng)已知某950英尺長(zhǎng)的中型油輪，重150000t，其航向受控對(duì)象的表達(dá)式為,羅盤（傳感器）的參數(shù)為1。要求：試設(shè)計(jì)一個(gè)控制器Gc(s)代替原來(lái)的比例控制器，使得控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足要求：超調(diào)量小于5%，調(diào)整時(shí)間小于275s.2.建模：以看出，傳遞函數(shù)中存在一個(gè)右半平面的極點(diǎn)，可以得知該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。結(jié)合實(shí)際情況可以得出原因，就是在大多數(shù)情況下，船舶航行的航向都是不穩(wěn)定的。這意味著，如果船舶以直線航行，并把出船舵固定在對(duì)應(yīng)的位置，那么航向最終會(huì)發(fā)生偏離

11、。因?yàn)榕c不穩(wěn)定性相關(guān)的時(shí)間常數(shù)是非常大的，所以就需要一個(gè)人在發(fā)生航向偏差因此，為了這個(gè)極點(diǎn)，小組內(nèi)討論得出一個(gè)結(jié)論，就是在這個(gè)修改控制系統(tǒng)得出如下控制系統(tǒng)圖2：圖2 修改后的控制器三控制對(duì)象特性分析當(dāng)船舶偏航以后，將船舶轉(zhuǎn)回原航向所需時(shí)間較長(zhǎng)，在航向自動(dòng)控制系統(tǒng)中引入微分控制，保證偏舵速度與偏舵角，從而能較好的克服船舶慣性，提高航向精度。只要調(diào)整微分系數(shù)Td可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶回航快速性的調(diào)整；船舶航行時(shí)，由于受到風(fēng)、流合力的作用，或船舶裝載的不對(duì)稱性等因素形成一舷持續(xù)力矩，使船舶偏航。此時(shí)偏航角很小，在航角靈敏度內(nèi)，但這種很小的偏差角會(huì)引起偏航。為此自動(dòng)舵設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，依靠偏航角的積累值，自動(dòng)的

12、使舵葉從船首尾線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，從而產(chǎn)生一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)船力矩，恰好抵消外界的恒定持續(xù)力矩的作用，這就是積分環(huán)節(jié)，適當(dāng)調(diào)節(jié)Ti即可解決偏航問(wèn)題四PID控制策略的確定與實(shí)現(xiàn)1.確定內(nèi)反饋K2的值： n1=1;d1=1,0.091;G01=tf(n1,d1)z=-0.028;p=-0.042,0.00041;k=1.325e-006;nm1,dm1=zp2tf(z,p,k)G02=tf(nm1,dm1)G03=series(G01,G02);k2=1000:1000:5000for i=1:length(k2) G04=feedback(G03,k2(i) n2=1;d2=1 0; G05=tf(n2,

13、d2); G06=series(G04,G05); k=20; G07=series(G06,k); G08=feedback(G07,1); step(G08); grid on; hold on;end legend('k2=1000','k2=2000','k2=3000','k2=4000','k2=5000')圖3 不同K2值的階躍響應(yīng)曲線分析：K2的值越大越利于系統(tǒng)的穩(wěn)定2.調(diào)試K2=1000的系統(tǒng)：1）比例控制：根據(jù)衰減震蕩法的基本思路，首先控制積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)不發(fā)生作用，單獨(dú)調(diào)整比例參數(shù)，直到出現(xiàn)

14、4:1衰減比得kp=48n1=1;d1=1,0.091;G01=tf(n1,d1)z=-0.028;p=-0.042,0.00041;k=1.325e-006;nm1,dm1=zp2tf(z,p,k)G02=tf(nm1,dm1)G03=series(G01,G02);G04=feedback(G03,1000)n2=1;d2=1 0;G05=tf(n2,d2);G06=series(G04,G05);kp=48;G07=series(G06,kp)；G08=feedback(G07,1);step(G08);grid on;hold on;圖4 衰減比為4：1的衰減曲線分析： Kp=48，T

15、k=286s2）PID: Kp=60,ti=85.8;td=28.6z=-0.028;p=-0.042,-0.091,0.00041;k=1.325e-006;nm1,dm1=zp2tf(z,p,k); G01=tf(nm1,dm1); %Gp(s)G02=feedback(G01,1000); n2=1;d2=1 0;G03=tf(n2,d2);G04=series(G02,G03); %右半部分n3=1;d3=85.8 0; %PID控制G05=tf(n3,d3);n4=28.6 0;d4=2.86 1;G06=tf(n4,d4);G07=parallel(G05,G06);G08=par

16、allel(G07,60);G09=series(G08,G04);G10=feedback(G09,1);step(G10)圖5 PID控制的響應(yīng) 分析：此時(shí)超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間還不滿足要求，反復(fù)調(diào)節(jié)各參數(shù)，很難符合要求所以跟換了K2的數(shù)值，改為5000K2=5000：3）調(diào)節(jié)參數(shù)：Kp:z=-0.028;p=-0.042,-0.091,0.00041;k=1.325e-006;nm1,dm1=zp2tf(z,p,k); G01=tf(nm1,dm1); %Gp(s)G02=feedback(G01,1000); n2=1;d2=1 0;G03=tf(n2,d2);G04=series(G02,

17、G03); %右半部分n3=1;d3=85.8 0; %PID控制G05=tf(n3,d3);n4=28.6 0;d4=2.86 1;G06=tf(n4,d4);G07=parallel(G05,G06);k=20:20:90for i=1:length(k) G08=parallel(G07,k(i); G09=series(G08,G04); G10=feedback(G09,1); figure(1) step(G10) hold onendlegend('20','40','60','80')圖6 調(diào)節(jié)PID的比例范圍響應(yīng)

18、曲線同樣調(diào)節(jié)Ti和Td得Ti=355.8，Td=1208.6，Kp=20。曲線：圖7 K2=1000的最后調(diào)節(jié)結(jié)果分析：調(diào)整時(shí)間偏長(zhǎng)3.調(diào)節(jié)K2=5000的系統(tǒng): 1）比例控制：根據(jù)衰減震蕩法的基本思路，首先控制積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)不發(fā)生作用，單獨(dú)調(diào)整比例參數(shù)，直到出現(xiàn)4:1衰減比得kp=310z=-0.028;p=-0.042,-0.091,0.00041;k=1.325e-006;nm1,dm1=zp2tf(z,p,k); G01=tf(nm1,dm1); %Gp(s)G02=feedback(G01,5000)n2=1;d2=1 0;G03=tf(n2,d2);G04=series(G02

19、,G03);kp=310;G05=series(G04,kp);G06=feedback(G05,1);step(G06);圖8 k2=5000的4：1曲線Kp=310,tk=8992）PID控制:kp=387.5，Ti=26.99，Td=8.99z=-0.028;p=-0.042,-0.091,0.00041;k=1.325e-006;nm1,dm1=zp2tf(z,p,k); G01=tf(nm1,dm1); %Gp(s)G02=feedback(G01,5000)n2=1;d2=1 0;G03=tf(n2,d2);G04=series(G02,G03); %右半部分n3=1;d3=26.97 0;G05=tf(n3,d3);n4=8.99 0;d4=0