发布时间 : 星期四 文章自动控制原理课程设计实验..更新完毕开始阅读
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：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发生某一固定的偏转ψ，
??-k（1?T3*s）?他们之间是由方程可由Nomoto方程表示：?(1?T1*s)*(1?T2*s)。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
1.325*10?6(s?0.028)Gp(s)?s(s?0.091)(s?0.042（)s?0.00041）,罗盘（传感器）的参数为1。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：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：
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Td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Ti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); grid on; hold on;
end legend('k2=1000','k2=2000','k2=3000','k2=4000','k2=5000')
图3 不同K2值的阶跃响应曲线
分析：K2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4:1衰减比得kp=48 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); 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;
图4 衰减比为4：1的衰减曲线
分析： Kp=48，Tk=286s 2）PID:
Kp=60,ti=85.8;td=28.6
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=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); G08=parallel(G07,60); G09=series(G08,G04); G10=feedback(G09,1); step(G10)