自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)試驗(yàn)

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自動(dòng)控制原理實(shí)踐報(bào)告

課名：自動(dòng)控制原理應(yīng)用實(shí)踐題目：水翼船渡輪的縱傾角控制

船舶航向的自動(dòng)操舵控制班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：

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(dāng)船的速度逐漸增加，水翼提供的浮力會(huì)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(gè)自動(dòng)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(shè)計(jì)上要求系統(tǒng)使浮力穩(wěn)定不變，相當(dāng)于使縱傾角最小。

航向自動(dòng)操舵儀工作時(shí)存在包括舵機(jī)（舵角）、船舶本身（航向角）在內(nèi)的兩個(gè)反饋回路：舵角反饋和航向反饋。

當(dāng)尾舵的角坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)錯(cuò)誤！未找到引用源。，會(huì)引起船只在參考方向上發(fā)生某一固定的偏轉(zhuǎn)錯(cuò)誤！未找到引用源。。傳遞函數(shù)中帶有一個(gè)負(fù)號(hào)，這是由于尾舵的順時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起船只的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。有此動(dòng)力方程可以看出，船只的轉(zhuǎn)動(dòng)速率會(huì)逐漸趨向一個(gè)常數(shù)，因此假使船只以直線運(yùn)動(dòng)，而尾舵偏轉(zhuǎn)一恒定值，那么船只就會(huì)以螺旋形的進(jìn)入一圓形運(yùn)動(dòng)軌跡。二．實(shí)際控制過程

某水翼船渡輪，自重670t，航速45節(jié)（海里/小時(shí)），可載900名乘客，可混裝轎車、大客車和貨卡，載重可達(dá)自重量。該渡輪可在浪高達(dá)8英尺的海中以航速40節(jié)航行的能力，全靠一個(gè)自動(dòng)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(shè)計(jì)上要求該系統(tǒng)使浮力穩(wěn)定不變，相當(dāng)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(shè)計(jì)要求

試設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)D（s）存在下也能達(dá)到優(yōu)良的性能指標(biāo)。假設(shè)海浪擾動(dòng)D（s）的主頻率為w=6rad/s。

此題要求了“優(yōu)良的性能指標(biāo)〞，沒有具體的量化指標(biāo)，通過網(wǎng)絡(luò)資料的查閱：響應(yīng)超調(diào)量小于10%，調(diào)整時(shí)間小于4s。四．分析系統(tǒng)時(shí)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(diǎn)分布圖，有一極點(diǎn)位于原點(diǎn)，另兩極點(diǎn)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(dòng)）。

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(hào)下的響應(yīng)曲線，如圖可以看出，其調(diào)整時(shí)間ts=196s，而且超調(diào)量為0％。故其試驗(yàn)結(jié)果，不符合要求。

對(duì)于系統(tǒng)的時(shí)域分析，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，而且當(dāng)輸入單位階躍信號(hào)時(shí)響應(yīng)不滿足題目要求。因此要添加控制器來滿足要求。五．控制設(shè)計(jì)

一.使用PID控制器進(jìn)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(yàn)原理圖（未接擾動(dòng)）

2.由理論知識(shí)可知：當(dāng)增加積分參數(shù)Ti時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量減?。划?dāng)Td減小，使得調(diào)整時(shí)間變短。

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

上圖為