自控课程设计
上海电力学院 控制原理应用课程设计 课 号： 240325504 专 业：测控技术与仪器（电站方向） 班 级： 2012153 班 姓 名：徐建红 学 号： 20122600 指导教师：贾再一 一、船舶航向的自动操舵控制系统介绍. 2 二、实践课题 2 1)实际控制过程 2 2）控制设计要求 3 三、控制对象的分析 3 四、控制对象的设计（根轨迹设计与实现）. 4 五、使用 rltool 工具实现期望系统 8 六、实验小结 15 1 一、船舶航向的自动操舵控制系统介绍一、船舶航向的自动操舵控制系统介绍 自动操舵仪，是能自动控制舵机（见舵设备）以保持船舶按规定航向航行的 设备。又称自动操舵装置。它是在通常的操舵装置上加装自动控制部分而成。其 工作原理是：根据罗经显示的船舶航向和规定的航向比较后所得的航向误差信 号，即偏航信号，控制舵机转动舵并产生合适的偏舵角，使船在舵的作用下，转 向规定的航向。 自动操舵仪具有自动操舵和手动操舵两种工作方式。船舶在大海 中直线航行时， 采用自动操舵方式， 可减轻舵工劳动强度和提高航向保持的精度， 从而相应缩短航行时间和节省能源；船舶在能见度不良或进出港时，采用手动操 舵方式，具有灵活、机动的特点。 第一台在船上安装使用的自动操舵仪由德国的安许茨公司于 1920 年初研制 成功。此后经历了三个发展时期，有三代产品。第一代为机械式自动操舵仪，第 二代为 50 年代出现的机电式自动操舵仪， 第三代是 70 年代出现的自适应自动操 舵仪。 二、实践课题二、实践课题 1)1)实际控制过程实际控制过程 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（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。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上（如正北）发生某一固 定 的 偏 转 ψ ， 他 们 之 间 是 由 方 程 可 由Nomoto方 程 表 示 ： -k（1T3*s） (1T1*s)*(1T2*s) 。传递函数有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转 2 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（因为转动的速率为常数）。 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。如图所示： 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Gp （s）=1.325*10^6（s+0.028）/s(s+0.091)(s+0.042)(s-0.00041) ,罗盘（传感 器）的参数为 1。 2 2）控制设计要求）控制设计要求 试设计一个控制器 Gc(s)代替原来的比例控制器，使得控制系统的性能指标 满足要求：①超调量小于 5%；②tssigma=0.05;zeta=(((log(1/sigma))^2)/((pi)^2+(log(1/sigma))^2))^0.5 zeta = 0.6901 因为阻尼比ζ≥0.6901，所以取阻尼比为0.7；系统的过渡过程时间与系统的阻 尼比和无阻尼自然频率的关系，选择wn=0.025.运行主导极点命令： zeta=0.7;wn=0.025;d=[1 2*zeta*wn wn*wn];roots(d) ans = -0.0175 + 0.0179i -0.0175 - 0.0179i (2)绘制原来的根轨迹图，如下图，由图可知未校正系统的根轨迹位于 S 平面的 右半平面。不通过主导极点，并且主导极点在原根轨迹的左侧，所以选择超前校 正。 z=[-0.028];p=[0,-0.091,-0.042,0.00041];k=1325000;[num,den]=zp2tf(z, p,k); printsys(num,den) 4 num/den = 1325000 s + 37100 ------------------------------------------------ s^4 + 0.13259 s^3 + 0.0037675 s^2 - 1.567e-006 s num=[132500037100];den=[10.132590.0037675-1.567e-006 0];rlocus(num,den) 图 4.1 原系统根轨迹 (3)计算超前校正装置应产生的超前相角命令： n0=[132500037100];d0=[10.132590.0037675-1.567e-006 0];s1=-0.0175+0.0179i;fai0=180-angle(polyval(n0,s1)/polyval(d0,s1))*1 80/pi fai0 = 79.6031 (4)将超前校正网络的零点配置在预期主导极点的正下方，取z=0.0175；由相角 条件可知，期望极点与校正装置极点的相角应该满足等式：θp=10.3969。 (5)过主导极点，做角度为 10.3969°的直线，计算直线与实轴的交点： p=abs(real(s1))+(abs(imag(s1))/tan(10.3969*pi/180)) p = 5 0.1151 (6)校正后的系统的开环传递函数为 G（s）=1.325*10^6（s+0.028） （s+0.0175） /s(s+0.091)(s+0.042)(s-0.00041)(s+0.1151),绘制校正后的系统的根轨迹， 如 下图，通过滑动鼠标获得期望主导极点处得幅值 K，得到 K= z=[-0.028;-0.0175];p=[0;-0.091;-0.042;0.00041;-0.1151];k=1325000; [num,den]=zp2tf(z,p,k); printsys(num,den) num/den = 1325000 s^2 + 60287.5 s + 649.25 ----------------------------------------------------------------- s^5 + 0.24769 s^4 + 0.019029 s^3 + 0.00043207 s^2 - 1.8036e-007 s num=[132500060287.5649.25];den=[10.247690.0190290.00043207 -1.8036e-007 0];rlocus(num,den) （7）系统校验动态性能指标，并绘制系统校正后的阶跃响应。 z=[-0.028;-0.0175];p=[0;-0.091;-0.042;0.00041;-0.1151];k=1325000* (2.9
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