自動控制原理課程設計實驗

1、上海電力學院自動控制原理實踐報告課名：自動控制原理度用實踐MMj水翼船渡輪的縱傾角控制船舶航向的自動操舵捽制班級：姓名：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， 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自動穩(wěn)定控制系統(tǒng)。通過主翼上的舵板 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）

2、、船舶本身（航向角）在內(nèi)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(zhuǎn)串，會引起船只在參考方向上發(fā)生某一固定的偏轉(zhuǎn) 中。 傳遞函數(shù)中帶有一個負號，這是因為尾舵的順時針的轉(zhuǎn)動會引起船只的逆時針轉(zhuǎn) 動。有此動力方程可以看出，船只的轉(zhuǎn)動速率會逐漸趨向一個常數(shù)，因此如果船只以直線運動，而尾舵偏轉(zhuǎn)一包定值，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(diào)整完成穩(wěn)

3、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。娘師角丁® a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/so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76擾動D(s)的主頻率為w=6rad/s。本題要求了 “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(diào)量小于10%,調(diào)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=1 80 250

4、0 50;g1=tf(num,den);z,p,k=zpkdata(g1,'v');p1=pole(g1);pzmap(g1)Ferri I AxnS包鼻u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)定的情況，所以系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差。搭建未加控制器的原系統(tǒng)（不考慮擾動）。StepHSi n<£ Wbwsys=tf(50,1 80 2500 50);t=0二1000;step(sys,t)2U LDTime生吧U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(diào)整 時間ts=196s,而且超調(diào)量為0

5、%。故其實驗結(jié)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.使用PID控制器進行參數(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(diào)量減小；當Td減小，使得調(diào)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(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）分析：僅在比例環(huán)節(jié)下 作用，超調(diào)量為,調(diào) 節(jié)時間為。調(diào)整時間過 大，與實驗要求不符 合，故繼續(xù)進行

6、下一步 的調(diào)節(jié)。上圖為比例積分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)（已添加擾動）分析：Kp越小，其超調(diào) 量越大，通過多次調(diào)節(jié)， 得出以上結(jié)果。最后加入微分環(huán)節(jié)，當Td減小，使得在加入積分環(huán)節(jié)，當增加積分參數(shù) Ti時，系統(tǒng)的超調(diào)量減小調(diào)整時間變短上圖為PID控制系統(tǒng)（已添加擾動）白技££0-IC。Hu田詠.Ttnei'seeli分析：通過PID控制系統(tǒng)的調(diào)試，最終得出超調(diào)量為,調(diào)整時間為具體的數(shù)值求法運用程序(見下)g=tf(50,1 80 2500 50)kp=500Ti=1Td=length(Td)gc=tf(kp*Td*Ti Ti+*Td 1,*Td*Ti Ti 0)ggc=feedba

7、ck(gc*g,1)step(ggc)hold on；grid on；end其中 kp=500; Ti=1 ; Td=故最終通過PID控制系統(tǒng)的設計完成了實驗目的，實驗成功 通過不斷的取數(shù)和測試最終得到以下結(jié)果。分析：通過對系統(tǒng)快速性的調(diào)整, 使得系統(tǒng)滿足實驗要求船舶航向的自動操舵控制一 .船舶自動操舵儀背景船舶操縱的自動舵12是船舶系統(tǒng)中一個不可缺少的重要設備。20世紀 20年代,美國的Sper2ry和德國的Ansuchz在陀螺羅徑研制工作取得實質(zhì)性進展后 分別獨立研制出機械式自動舵，它的出現(xiàn)是一個里程碑，它使人們看到了在船舶操 縱方面擺脫體力勞動實現(xiàn)自動控制的希望，這種自動舵稱為第一代。2

8、0世紀50 年代，隨著電子學和伺服機構(gòu)理論的發(fā)展及應用，集控制技術(shù)和電子器件的發(fā)展成果于一體的更加復雜的第二代自動舵問世了 ，這就是著名的PID舵。到了 60年代 末,由于自適應理論和計算機技術(shù)得到了發(fā)展，人們注意到將自適應理論引入船舶 操縱成為可能，瑞典等北歐國家的一大批科技人員紛紛將自適應舵從實驗室裝到 實船上，繼而正式形成了第三代自動舵。從80年代開始，人們就開始尋找類似于人 工操舵的方法，這種自動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)絡控制。隨著全球定位系統(tǒng)等先進導航設備在船舶上 裝備，人們開始設計精確的航跡控制自動舵，這種自動舵能把船舶控制在給定的

9、計 劃航線上。二.控制對象建模1.實踐課題船舶航行時是利用舵來控制的，現(xiàn)代的船舶裝備了自動操舵儀。其主要功 能是自動的，高精度的保持或者改變船舶航行方向。 當自動操作儀工作時，通過 負反饋的控制方式，不斷把陀螺羅經(jīng)送來的實際航向與設定的航向值比較，將其差值放大以后作為控制信號來控制舵機的轉(zhuǎn)航，使船舶能自動的保持或者改變到 給定的航行上。由于船舶航向的變化由舵角控制，所以在航向自動的操舵儀工作 時，存在舵機，船舶本身在內(nèi)的兩個反饋回路：舵角反饋和航向反饋。對于航跡 自動操舵儀，還需構(gòu)成位置反饋。當尾舵的角坐標偏轉(zhuǎn)6 ,會在引起船只在參考方向發(fā)生某一固定的偏轉(zhuǎn)也， _ -k (1 T3*s)他們之

10、間是由方程可由Nomoto方程表示： (1 T1*s)*(1 T2*s)。傳遞函數(shù) 有一個負號，這是因為尾舵的順時針的轉(zhuǎn)動會引起船只的逆時針轉(zhuǎn)動。由此動力方程可以看出，船只的轉(zhuǎn)動速率會逐漸趨向于一個常數(shù)， 因此如果船只以直線運 動，而尾舵偏轉(zhuǎn)一包定值，那么船只就會以螺旋形的進入一圓形運動軌跡。把掌 舵齒輪看成一簡單的慣性環(huán)節(jié)，即方向盤轉(zhuǎn)動的角度引起尾舵的偏轉(zhuǎn)。 將系統(tǒng)合 成。如圖1:圖1自動操舵控制系統(tǒng)已知某950英尺長的中型油輪，重150000t,其航向受控對象的表達式為Gp(s)1.325* 10 6(s 0.028)s(s 0.091)(s 0.042)(S 0.00041)，羅盤(傳感

11、器)的參數(shù)為1。要求：試設計一個控制器Gc(s代替原來的比例控制器，使得控制系統(tǒng)的性能指標滿足要求：超調(diào)量小于5%,調(diào)整時間小于275s.2建模：以看出，傳遞函數(shù)中存在一個右半平面的極點， 可以得知該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。結(jié) 合實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應的位置，那么航向最終 會發(fā)生偏離。因為與不穩(wěn)定性相關的時間常數(shù)是非常大的， 所以就需要一個人在 發(fā)生航向偏差因此，為了這個極點，小組內(nèi)討論得出一個結(jié)論，就是在這個修改 控制系統(tǒng)得出如下控制系統(tǒng)圖2:D,T J -0Ln.(l+TSXl*T;s圖2修改后的控

12、制器三控制對象特性分析當船舶偏航以后，將船舶轉(zhuǎn)回原航向所需時間較長，在航向自動控制系統(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 可實現(xiàn)對船舶回航快速性的調(diào)整；船舶航行時，由于受到風、流合力的作用，或船舶裝載的不對稱性等因素形成一舷持續(xù)力矩，使船舶偏航。此時偏航角很小，在航角靈敏度內(nèi)，但這種很小的偏差角會引起偏航。為此自動舵設置一個積分環(huán)節(jié)，依靠偏航角的積累值，自動的使舵葉從船首尾線偏轉(zhuǎn)一個角度，從而產(chǎn)生一個恒定的轉(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)，適當調(diào)節(jié)Ti 即可解決偏航問題四.PID控制策略的確定與實現(xiàn)1 .

13、確定內(nèi)反饋K2 的值：n1=1;d1=1,;G01=tf(n1,d1)z=;p=,;k=;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,d2);G06=series(G04,G05);k=20;G07=series(G06,k);G08=feedback(G07,1);step(G08);grid on;hold on;end Iegend('k2=1000'

14、,'k2=2000','k2=3000','k2=4000','k2=5000')Step Response050010001500Time (secj圖3不同K2值的階躍響應曲線分析：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，單獨調(diào)整比例參數(shù)，直到出現(xiàn) 4:1衰減比得kp=48n1=1;d1=1,;G01=tf(n1,d1)z=；P=,；k=；nm1,dm1=zp2tf(z,p,k)G02=tf(nm1,dm1)G03=series(

15、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e.4.2,8Q-6 4 2 0 o,o.utJ8HCI 后分析：Kp=48, Tk=286s2) PID:Kp=60,ti=;td=z=;p=,;k=;nm1,dm1=zp2tf(z,p,k);G01=tf(nm1,dm1);%Gp(s)G02=feedback(G01,1

16、000);n2=1;d2=1 0;G03=tf(n2,d2);G04=series(G02,G03);%半部分n3=1;d3= 0;%PID 控制G05=tf(n3,d3);n4= 0;d4= 1;G06=tf(n4,d4);G07=parallel(G05,G06);G08=parallel(G07,60);G09=series(G08,G04);G10=feedback(G09,1);step(G10)圖5 PID控制的響應分析：此時超調(diào)量和調(diào)整時間還不滿足要求， 反復調(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=;p=,;k=;nm1

17、,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= 0;%PID 控制G05=tf(n3,d3);n4= 0;d4= 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

18、)hold onendlegend('20','40','60','80')圖6調(diào)節(jié)PID的比例范圍響應曲線同樣調(diào)節(jié)Ti和Td得 Ti=, Td=, Kp=20 曲線:5001000200025001500Tine fsecj圖7 K2=1000的最后調(diào)節(jié)結(jié)果分析：調(diào)整時間偏長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，單獨調(diào)整比例參數(shù)，直到出現(xiàn) 4:1衰減比得kp=310%Gp(s)z=；P=,；k=； nm1,dm1=zp2tf(z,p,k); G01=tf(nm1

19、,dm1);G02=feedback(G01,5000) n2=1;d2=1 0;G03=tf(n2,d2);G04=series(G02,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=, Ti= Td=z=;p=,;k=;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= 0;G05=tf(n3,d3);n4= 0;d4= 1;G06=t