自动控制原理课程设计实验

上海电力学院

自动控制原理实践报告

课名： 自动控制原理应用实践 题目： 水翼船渡轮的纵倾角控制

船舶航向的自动操舵控制 班级： 姓名： 学号：

水翼船渡轮的纵倾角控制

一．系统背景简介

水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。船身底部有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行， Foilborne)，从而大为减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。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。

航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。

当尾舵的角坐标偏转错误！未找到引用源。，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误！未找到引用源。。传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，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。 二．实际控制过程

某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速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。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。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 80 2500 50]); t=0:0.1:1000; step(sys,t)

分析：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PID控制器的系统

上图为添加PID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.?先只改变比例环节的系数。通过相应调P的参数，不断尝试P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）

分析：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。

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