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， 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

2、作時存在包括舵機（舵角）、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) 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(zhuǎn) 錯誤！未找到引用源。 。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

3、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)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 。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 4

4、s。四分析系統(tǒng)時域1. 原系統(tǒng)穩(wěn)定性分析num=50;den=1 80 2500 50;g1=tf（num,den）;z,p,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)定的情況，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(50,1 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下的響應曲線，如圖可以看出，其調(diào)整 時間 ts=196

5、s ，而且超調(diào)量為 0。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?。划?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 2.76

6、%， 調(diào)節(jié)時間為 8.31s 。調(diào) 整時間過大，與實驗要 求不符合，故繼續(xù)進行 下一步的調(diào)節(jié)。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 調(diào)整時間變短。上圖為 PID 控制系統(tǒng)（已添加擾動）分析：通過 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 間為 1.9s 。具體的數(shù)值求法運用程序(見下)g=tf(50,1 80 2500 50)kp=500Ti=1Td=0.1length(Td)gc=tf(kp*1.1*Td*Ti

7、 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 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 1 2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)

8、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。 20 世紀 50 年代, 隨著電子學和伺服機構理論的發(fā)展及應用 , 集控制技術和電子器件的發(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

9、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

10、：舵角反饋和航向反饋。對于航跡 自動操舵儀，還需構成位置反饋。當尾舵的角坐標偏轉(zhuǎn) ，會在引起船只在參考方向發(fā)生某一固定的偏轉(zhuǎn) ，-k(1 T3* s) 他們之間是由方程可由 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)一恒定值， 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

11、英尺長的中型油輪，重 150000t ，其航向受控對象的表達式為Gp (s)s(s 0.091)(s 0.042() s 0.00041), 羅盤(傳感器)的參數(shù)為 1。要求：1.325* 10 6(s 0.028)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

12、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：圖 2 修改后的控制器 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。

13、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. 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=1000:1000:5000 for i=1:length(k2)G04=f

14、eedback(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 legend('k2=1000','k2=2000','k2=3000','k2=4000','k2=5000')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

15、：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=48 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); 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(G

16、07,1);step(G08);grid on; hold on;圖4 衰減比為 4： 1的衰減曲線 分析： Kp=48 ，Tk=286s2) PID:Kp=60,ti=85.8;td=28.6 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,G03); % 右半部分 n3=1;d3=85.8 0; %PID 控制G05=tf(n3,

17、d3); n4=28.6 0;d4=2.86 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=-0.028;p=-0.042,-0.091,0.00041;k=1.325e-006; nm1,dm1=zp2tf(z,p,k);G01=tf(nm

18、1,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);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 onen

19、dlegend('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=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 z=-0.028;p=-0.042,-0.091,0.00041;k=1.325e-006;nm1,dm1=zp2t

20、f(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);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=8.99 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(G01,5000)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);