1、精選優質文檔-傾情為你奉上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定控制系統。通過主翼上的舵板和尾翼的調整完成穩定化操作。該穩定控制系統要保持水平飛行地穿過海浪。因此，設計上要求系統使浮力穩定不變，相當于使縱傾角最小

2、。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，會引起船只在參考方向上發生某一固定的偏轉。傳遞函數中帶有一個負號，這是因為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，因此如果船只以直線運動，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（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節航行的能力，全靠一個自動穩定控制系統。通過主翼上的舵

3、板和尾翼的調整完成穩定化操作。該穩定控制系統要保持水平飛行地穿過海浪。因此，設計上要求該系統使浮力穩定不變，相當于使縱傾角最小。 上圖：水翼船渡輪的縱傾角控制系統已知，水翼船渡輪的縱傾角控制過程模型，執行器模型為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在海浪擾動D（s）存在下也能達到優良的性能指標。假設海浪擾動D（s）的主頻率為w=6rad/s。本題要求了“優良的性能指標”，沒有具體的量化指標，通過網絡資料的查閱：響應超調量小于10%，調整時間小于4s。4 分析系統時域1.原系統穩定性分析num=50;den=1 80 2500 50;g1=tf

4、(num,den);z,p,k=zpkdata(g1,'v');p1=pole(g1);pzmap(g1)分析：上圖閉環極點分布圖，有一極點位于原點，另兩極點位于虛軸左邊，故處于臨界穩定狀態。但還是一種不穩定的情況，所以系統無穩態誤差。2.Simulink搭建未加控制器的原系統（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，其調整時間ts=196s，而且超調量為0。故其實驗結果，不符合要求。對于系統的時域分析，系統是不穩定的，而且當輸入單位階躍信號時響應

5、不滿足題目要求。因此要添加控制器來滿足要求。5 控制設計一.使用PID控制器進行參數整定在simulink上繪制出加入PID控制器的系統 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Ti時，系統的超調量減小；當Td減小，使得調整時間變短。3.先只改變比例環節的系數。通過相應調P的參數，不斷嘗試P的取值使得輸出穩定，找到最佳參數。 上圖為比例環節的系統（已添加擾動）分析：僅在比例環節下作用，超調量為2.76%，調節時間為8.31s。調整時間過大，與實驗要求不符合，故繼續進行下一步的調節。在加入積分環節，當增加積分參數Ti時，系統的超調量減小。上圖為比例積分環

6、節的系統（已添加擾動）分析：Kp越小，其超調量越大，通過多次調節，得出以上結果。最后加入微分環節，當Td減小，使得調整時間變短。上圖為PID控制系統（已添加擾動） 分析：通過PID控制系統的調試，最終得出超調量為5.86%，調整時間為1.9s。具體的數值求法運用程序（見下）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

7、.1故最終通過PID控制系統的設計完成了實驗目的，實驗成功通過不斷的取數和測試最終得到以下結果。分析：通過對系統快速性的調整，使得系統滿足實驗要求 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性進展后分別獨立研制出機械式自動舵,它的出現是一個里程碑,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展及應用,集控制技術和電子器件的發展成果于一體的更加復雜的第二代自動舵問世了,這就

8、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、模糊控制和神經網絡控制。隨著全球定位系統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

9、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，還需構成位置反饋。當尾舵的角坐標偏轉，會在引起船只在參考方向發生某一固定的偏轉，他們之間是由方程可由Nomoto方程表示：。傳遞函數有一個負號，這是因為尾舵的順時針的轉動會引起船只的逆時針轉動。由此動力方程可以看出，船只的轉動速率會逐漸趨向于一個常數，因此如果船只以直線運動，

10、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。把掌舵齒輪看成一簡單的慣性環節，即方向盤轉動的角度引起尾舵的偏轉。將系統合成。如圖1：圖1 自動操舵控制系統已知某950英尺長的中型油輪，重t，其航向受控對象的表達式為,羅盤（傳感器）的參數為1。要求：試設計一個控制器Gc(s)代替原來的比例控制器，使得控制系統的性能指標滿足要求：超調量小于5%，調整時間小于275s.2.建模：以看出，傳遞函數中存在一個右半平面的極點，可以得知該系統是不穩定的。結合實際情況可以得出原因，就是在大多數情況下，船舶航行的航向都是不穩定的。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

11、最終會發生偏離。因為與不穩定性相關的時間常數是非常大的，所以就需要一個人在發生航向偏差因此，為了這個極點，小組內討論得出一個結論，就是在這個修改控制系統得出如下控制系統圖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，將船舶轉回原航向所需時間較長，在航向自動控制系統中引入微分控制，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。只要調整微分系數Td可實現對船舶回航快速性的調整；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力矩，使船舶偏航。此時偏航角很小，在航角靈敏度內，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節，依靠偏航角的

12、積累值，自動的使舵葉從船首尾線偏轉一個角度，從而產生一個恒定的轉船力矩，恰好抵消外界的恒定持續力矩的作用，這就是積分環節，適當調節Ti即可解決偏航問題四PID控制策略的確定與實現1.確定內反饋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

13、=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的穩定2.調試K2=1000的系統：1）比例控制：根據衰減震蕩法的基本思路，首先控制積分環節和微分環節不發生作用，單獨調整比例

14、參數，直到出現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：

15、Kp=48，Tk=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);

16、G08=parallel(G07,60);G09=series(G08,G04);G10=feedback(G09,1);step(G10)圖5 PID控制的響應 分析：此時超調量和調整時間還不滿足要求，反復調節各參數，很難符合要求所以跟換了K2的數值，改為5000K2=5000：3）調節參數：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=seri

17、es(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 onendlegend('20','40','60','80')圖6 調節PID

18、的比例范圍響應曲線同樣調節Ti和Td得Ti=355.8，Td=1208.6，Kp=20。曲線：圖7 K2=1000的最后調節結果分析：調整時間偏長3.調節K2=5000的系統: 1）比例控制：根據衰減震蕩法的基本思路，首先控制積分環節和微分環節不發生作用，單獨調整比例參數，直到出現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=ser

19、ies(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=8.99z=-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=0.899 1