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1、 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21)实际控制过程22）控制设计要求3三、控制对象的分析4四、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9六、实验小结15一、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
2、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1)实际控制过程船舶航
3、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，会在引起船只在参考方向上（如正北）发生某一固定的偏转，他们之间是由方程可由Nomoto方程表示：。传递函数有一个负号，这是
4、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（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*106（s+0.028）/s(s+0.091)(s+0.042)(s-0.00041),罗盘（传感器）的参数为1。2）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
5、得控制系统的性能指标满足要求：超调量小于5%；tssigma=0.05;zeta=(log(1/sigma)2)/(pi)2+(log(1/sigma)2)0.5 zeta = 0.6901因为阻尼比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
6、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) num/den = 1325000 s + 37100 - s4 + 0.13259 s3 + 0.0037675 s2 - 1.567e-006 snum=1325000 37100;den=1 0.13259 0.0037675 -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=1325
7、000 37100;d0=1 0.13259 0.0037675 -1.567e-006 0;s1=-0.0175+0.0179i;fai0=180-angle(polyval(n0,s1)/polyval(d0,s1)*180/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：p=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 = 0
8、.1151(6) 校正后的系统的开环传递函数为G（s）=1.325*106（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 s2 + 60287.5 s + 649.25 - s5 + 0.24769 s4
9、 + 0.019029 s3 + 0.00043207 s2 - 1.8036e-007 snum=1325000 60287.5 649.25;den=1 0.24769 0.019029 0.00043207 -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*(2.93e-010);num,den=zp2tf(z,p,k);printsys(num,den)图4.2校正后系统根轨迹 num/den =
10、0.00038823 s2 + 1.7664e-005 s + 1.9023e-007 - s5 + 0.24769 s4 + 0.019029 s3 + 0.00043207 s2 - 1.8036e-007 snum1=0.00038823 1.7664e-005 1.9023e-007;den1=1 0.24769 0.019029 0.00043207 -1.8036e-007 0;num2=1;den2=1;G1=tf(num1,den1);G2=tf(num2,den2);GA=feedback(G1,G2);GATransfer function: 0.0003882 s2 +
11、1.766e-005 s + 1.902e-007-s5 + 0.2477 s4 + 0.01903 s3 + 0.0008203 s2 + 1.748e-005 s + 1.902e-007num=0.0003882 1.766e-005 1.902e-007;den=1 0.2477 0.01903 0.0008203 1.748e-005 1.902e-007;step(tf(num,den)图4.3校正后系统单位阶跃响应由图可知校正后的系统的超调量为45.3%5%，调整时间为271sz=-0.028;p=0,-0.091,-0.042,0.00041;k=1325000;num,den=zp2tf(z,p,k);printsys(num,den) num/den = 1325000 s + 37100 -
