自动控制实验Word文档下载推荐.docx
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以航速
40
节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。
通过主翼上的舵板和尾
翼的调整完成稳定化操作。
因此，
设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
上图：
水翼船渡轮的纵倾角控制系统
已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为
F（s）=1/s。
三．控制设计要求
试设计一个控制器
Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动
D
（s）存在下也能达到优良的性能指标。
假设海浪扰动
D（s）的主频率为
w=6rad/s。
本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的
查阅：
响应超调量小于
10%，调整时间小于
4s。
四．分析系统时域
1.原系统稳定性分析
num=[50];
den=[1
80
2500
50];
g1=tf（num,den）;
[z,p,k]=zpkdata（g1,'
v'
）;
p1=pole（g1）;
pzmap（g1）
分析：
上图闭环极点分布图，有一极点位于原点，另两极点位于虚轴左边，
故处于临界稳定状态。
但还是一种不稳定的情况，所以系统无稳态误差。
2.Simulink
搭建未加控制器的原系统（不考虑扰动）。
sys=tf（50,[1
50]）;
t=0:
0.1:
1000;
step（sys,t）
上图为输入为单位阶跃信号下的响应曲线，如图可以看出，其调整
时间
ts=196s，而且超调量为
0％。
故其实验结果，不符合要求。
对于系统的时域分析，系统是不稳定的，而且当输入单位阶跃信号时响应不满足
题目要求。
因此要添加控制器来满足要求。
五．控制设计
一.使用
PID
控制器进行参数整定
在
simulink
上绘制出加入
控制器的系统
上图为添加
控制器后的实验原理图（未接扰动）
2.由理论知识可知：
当增加积分参数
Ti
时，系统的超调量减小；
当
Td
减小，使得调整时间变短。
3.①先只改变比例环节的系数。
通过相应调
P
的参数，不断尝试
的
取值使得输出稳定，找到最佳参数。
上图为比例环节的系统（已添加扰动）
仅在比例环节
下作用，超调量为
2.76%，调节时间为
8.31s。
调整时间过大，
与实验要求不符合，
故继续进行下一步的调节。
②在加入积分环节，当增加积分参数
时，系统的超调量减小。
上图为比例积分环节的系统（已添加扰动）
Kp
越小，其超调
量越大，通过多次调节，
得出以上结果。
③最后加入微分环
节，当
减小，使
得调整时间变短。
上图为
控制系统（已添加扰动）
通过
控制系统的调试，最终得出超调量为
5.86%，调整时
间为
1.9s。
具体的数值求法运用程序（见下）
g=tf（50,[1
50]）
kp=500
Ti=1
Td=0.1
length（Td）
gc=tf（kp*[1.1*Td*Ti
Ti+0.1*Td
1],[0.1*Td*Ti
0]）
ggc=feedback（gc*g,1）
step（ggc）
hold
on；
grid
end
其中kp=500；
Ti=1
；
故最终通过
控制系统的设计完成了实验目的，实验成功
通过不断的取数和测试最终得到以下结果。
通过对系统快速性的调整，
使得系统满足实验要求
一．船舶自动操舵仪背景
船舶操纵的自动舵[1～2]是船舶系统中一个不可缺少的重要设备。
20
世纪
年代,美国的
Sper2ry
和德国的
Ansuchz
在陀螺罗径研制工作取得实质性进展
后分别独立研制出机械式自动舵,它的出现是一个里程碑,它使人们看到了在船
舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望,这种自动舵称为第一代。
50
年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发
展成果于一体的更加复杂的第二代自动舵问世了,这就是著名的
舵。
到了
60
年代末,由于自适应理论和计算机技术得到了发展,人们注意到将自适应理论引
入船舶操纵成为可能,瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验
室装到实船上,继而正式形成了第三代自动舵。
从
年代开始,人们就开始寻找
类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第四代的智能舵。
智能舵的控制方法有
3
种,即专家系统、模糊控制和神经网络控制。
随着全球定位系统等先进导航设
备在船舶上装备,人们开始设计精确的航迹控制自动舵,这种自动舵能把船舶控
制在给定的计划航线上。
二．控制对象建模
1.
实践课题
船舶航行时是利用舵来控制的，现代的船舶装备了自动操舵仪。
其主要功
能是自动的，高精度的保持或者改变船舶航行方向。
当自动操作仪工作时，通过
负反馈的控制方式，不断把陀螺罗经送来的实际航向与设定的航向值比较，将其
差值放大以后作为控制信号来控制舵机的转航，使船舶能自动的保持或者改变到
给定的航行上。
由于船舶航向的变化由舵角控制，所以在航向自动的操舵仪工作
时，存在舵机，船舶本身在内的两个反馈回路：
对于航迹
自动操舵仪，还需构成位置反馈。
当尾舵的角坐标偏转δ，会在引起船只在参考方向发生某一固定的偏转ψ，
ψ
他们之间是由方程可由
Nomoto
方程表示：
δ
=
-
k（1+
T3*
s）
（1+
T1*
s）
*
T
2
。
传递函数
有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。
由此动力
方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向于一个常数，因此如果船只以直线运
动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。
把掌
舵齿轮看成一简单的惯性环节，即方向盘转动的角度引起尾舵的偏转。
将系统合
成。
如图
1：
图
1
自动操舵控制系统
已知某
950
英尺长的中型油轮，重
150000t，其航向受控对象的表达式为
s（s
+
0.091）（s
0.042（s
0.00041）,罗盘（传感器）的参数为
1。
要求：
Gp
（s）
1.325
*10-6
（s
0.028）
）
Gc（s）代替原来的比例控制器，使得控制系统的性能指标满足
超调量小于
5%，调整时间小于
275s.
2.建模：
以看出，传递函数中存在一个右半平面的极点，可以得知该系统是不稳定的。
结
合实际情况可以得出原因，就是在大多数情况下，船舶航行的航向都是不稳定的。
这意味着，如果船舶以直线航行，并把出船舵固定在对应的位置，那么航向最终
会发生偏离。
因为与不稳定性相关的时间常数是非常大的，所以就需要一个人在
发生航向偏差因此，为了这个极点，小组内讨论得出一个结论，就是在这个修改
控制系统得出如下控制系统图
2：
修改后的控制器
三．控制对象特性分析
当船舶偏航以后，将船舶转回原航向所需时间较长，在航向自动控制系统中
引入微分控制，保证偏舵速度与偏舵角，从而能较好的克服船舶惯性，提高航向
精度。
只要调整微分系数
可实现对船舶回航快速性的调整；
船舶航行时，由
于受到风、流合力的作用，或船舶装载的不对称性等因素形成一舷持续力矩，使
船舶偏航。
此时偏航角很小，在航角灵敏度内，但这种很小的偏差角会引起偏航。
为此自动舵设置一个积分环节，依靠偏航角的积累值，自动的使舵叶从船首尾线
偏转一个角度，从而产生一个恒定的转船力矩，恰好抵消外界的恒定持续力矩的
作用，这就是积分环节，适当调节
即可解决偏航问题
四．PID
控制策略的确定与实现
1.确定内反馈
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=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）;
on;
end
legend（'
k2=1000'
'
k2=2000'
k2=3000'
k2=4000'
k2=5000'
不同
值的阶跃响应曲线
的值越大越利于系统的稳定
2.调试
K2=1000
的系统：
1）比例控制：
根据衰减震荡法的基本思路，首先控制积分环节和微分环节不发
生作用，单独调整比例参数，直到出现
4:
衰减比得
kp=48
G04=feedback（G03,1000）
kp=48;
G07=series（G06,kp）；
4
衰减比为
4：
的衰减曲线
Kp=48，Tk=286s
2）PID:
Kp=60,ti=85.8;
td=28.6
p=[-0.042,-0.091,0.00041];
[nm1,dm1]=zp2tf（z,p,k）;
G01=tf（nm1,dm1）;
%Gp（s）
G02=feedback（G01,1000）;
G03=tf（n2,d2）;
G04=series（G02,G03）;
%右半部分
n3=1;
d3=[85.8
%PID
控制
G05=tf（n3,d3）;
n4=[28.6
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）
5
控制的响应
此时超调量和调整时间还不满足要求，反复调节各参数，很难符合要
求所以跟换了
的数值，改为
K2=5000：
3）调节参数：
Kp:
k=20:
20:
90
length（k）
G08=parallel（G07,k（i））;
figure
（1）
on
20'
40'
60'
80'
6
调节
的比例范围响应曲线
同样调节
和
Td
得
Ti=355.8，Td=1208.6，Kp=20。
曲线：
7
的最后调节结果
调整时间偏长
3.调节
K2=5000
的系统:
kp=310
G02=feedback（G01,5000）
kp=310;
G05=series（G04,kp）;
G06=feedback（G05,1）;
step（G06）;
k2=5000
的
曲线
Kp=310,tk=899
2）PID
控制:
kp=387.5，Ti=26.99，Td=8.99
d3=[26.97
n4=[8.99
d4=[0.899
G08=parallel（G07,387.5）;
9
调整曲线
3）同样参数调整：
Kp=250，Ti=306.97，Td=2748.99
d3=[306.97
n4=[2748.99
G08=parallel（G07,250）;
10
的最终调节结果
五．实验小结
在本次试验中，我们通过大量的调试
pid
控制器的参数，达到了控制系统稳定的
控制器。
对于
控制器的调试方法也有所了解。
只是在调试
控制器的
过程中，对于系统稳定性，控制器参数调试等方面，pid
控制器这一方法会显得
比较繁琐。
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