自動控制原理課程設計試驗

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自動控制原理實踐報告

課名：自動控制原理應用實踐題目：水翼船渡輪的縱傾角控制

船舶航向的自動操舵控制班級：姓名：學號：

水翼船渡輪的縱傾角控制

一．系統(tǒng)背景簡介

水翼船(Hydrofoil)是一種高速船。船身底部有支架，裝上水翼。當船的速度逐漸增加，水翼提供的浮力會把船身抬離水面(稱為水翼飛航或水翼航行，F(xiàn)oilborne)，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自動穩(wěn)定控制系統(tǒng)。通過主翼上的舵板和尾翼的調整完成穩(wěn)定化操作。該穩(wěn)定控制系統(tǒng)要保持水平飛行地穿過海浪。因此，設計上要求系統(tǒng)使浮力穩(wěn)定不變，相當于使縱傾角最小。

航向自動操舵儀工作時存在包括舵機（舵角）、船舶本身（航向角）在內的兩個反饋回路：舵角反饋和航向反饋。

當尾舵的角坐標偏轉錯誤！未找到引用源。，會引起船只在參考方向上發(fā)生某一固定的偏轉錯誤！未找到引用源。。傳遞函數(shù)中帶有一個負號，這是由于尾舵的順時針的轉動會引起船只的逆時針轉動。有此動力方程可以看出，船只的轉動速率會逐漸趨向一個常數(shù)，因此假使船只以直線運動，而尾舵偏轉一恒定值，那么船只就會以螺旋形的進入一圓形運動軌跡。二．實際控制過程

某水翼船渡輪，自重670t，航速45節(jié)（海里/小時），可載900名乘客，可混裝轎車、大客車和貨卡，載重可達自重量。該渡輪可在浪高達8英尺的海中以航速40節(jié)航行的能力，全靠一個自動穩(wěn)定控制系統(tǒng)。通過主翼上的舵板和尾翼的調整完成穩(wěn)定化操作。該穩(wěn)定控制系統(tǒng)要保持水平飛行地穿過海浪。因此，設計上要求該系統(tǒng)使浮力穩(wěn)定不變，相當于使縱傾角最小。

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程模型，執(zhí)行器模型為F（s）=1/s。三．控制設計要求

試設計一個控制器Gc（s），使水翼船渡輪的縱傾角控制系統(tǒng)在海浪擾動D（s）存在下也能達到優(yōu)良的性能指標。假設海浪擾動D（s）的主頻率為w=6rad/s。

此題要求了“優(yōu)良的性能指標〞，沒有具體的量化指標，通過網(wǎng)絡資料的查閱：響應超調量小于10%，調整時間小于4s。四．分析系統(tǒng)時域1.原系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

num=[50];

den=[180250050];g1=tf(num,den);

[z,p,k]=zpkdata(g1,'v');p1=pole(g1);pzmap(g1)

分析：上圖閉環(huán)極點分布圖，有一極點位于原點，另兩極點位于虛軸左邊，故處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。但還是一種不穩(wěn)定的狀況，所以系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差。2.Simulink搭建未加控制器的原系統(tǒng)（不考慮擾動）。

sys=tf(50,[180250050]);t=0:0.1:1000;step(sys,t)

分析：上圖為輸入為單位階躍信號下的響應曲線，如圖可以看出，其調整時間ts=196s，而且超調量為0％。故其試驗結果，不符合要求。

對于系統(tǒng)的時域分析，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，而且當輸入單位階躍信號時響應不滿足題目要求。因此要添加控制器來滿足要求。五．控制設計

一.使用PID控制器進行參數(shù)整定

在simulink上繪制出參與PID控制器的系統(tǒng)

上圖為添加PID控制器后的試驗原理圖（未接擾動）

2.由理論知識可知：當增加積分參數(shù)Ti時，系統(tǒng)的超調量減小；當Td減小，使得調整時間變短。

3.?先只改變比例環(huán)節(jié)的系數(shù)。通過相應調P的參數(shù)，不斷嘗試P的取值使得輸出穩(wěn)定，找到最正確參數(shù)。

上圖為