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1、鱼雷控制系统计算机辅助分析设计与仿真（经典控制方法部分） 目录 1 鱼雷侧向运动分析.2 2 鱼雷侧向运动控制器的设计.9 2.1 ZieglerNichols方法设计PID控制器 .9 2.2 解析方法设计PID控制器 .13 2.3 解析方法设计PD控制器.16 2.4 超前补偿控制器设计.18 2.4.1 超前补偿的Bode图设计方法 .19 2.4.2 超前补偿器设计的解析方法.23 2.5 PD控制器与超前补偿器的比较.26 3 滚转通道滞后补偿器设计.26 3.1 滞后补偿器的Bode图设计方法 .27 3.2 滞后补偿器设计的解析方法.30 3.3 PI控制器与滞后补偿器的比较.
2、33 4 鱼雷偏航角速率控制系统的设计.33 5 鱼雷纵向运动控制器设计.36 5.1 定深控制.36 5.2 定角控制.49 6 概述1.50 7 用极点配置方法设计鱼雷控制系统.50 7.3 第一种极点配置方法.50 7.4 第二种极点配置方法：Ackermann法.52 8 全维观测器设计.57 9 降维观测器设计.63 10 线性二次型最优控制理论设计控制系统.70 10.5 连续系统二次型调节器问题的求解.70 10.6 最优输出跟踪.72 11 鱼雷大制导回路仿真.77 12 参考文献.87 1鱼雷控制系统计算机辅助分析设计与仿真（经典控制方法部分） 1 鱼雷侧向运动分析鱼雷侧向运
3、动分析 ( )1rKGsT s =+34(1)( )(1)(1)KsGss T sT s +=+gT2某型鱼雷航向控制系统的原理图如上图所示。其中g为设定航向，T为鱼雷的实际航向，( )1rKGsT s =+为舵机传递函数，34(1)( )(1)(1)Kss T sT s Gs+=+为鱼雷航向传递函数。 -70-60-50-40-30-20-1001020-50-40-30-20-1001020304050 0.160.30.460.60.720.840.920.980.160.30.460.60.720.840.920.98102030405060舵机时间常数0.05Real AxisIma
4、ginary Axis鱼雷控制系统计算机辅助分析设计与仿真（经典控制方法部分） -10-8-6-4-202-25-20-15-10-50510152025 0.040.0850.140.20.270.380.540.80.040.0850.140.20.270.380.540.851015205101520理想舵机动态特性Real AxisImaginary Axis分析两条根轨迹可以看出， 在鱼雷航向控制系统中考虑了舵机的时间常数后， 根轨迹发生了 明显的变化。对于理想舵机来说，系统的增益 Kr 可以任取，只要 Kr0，系统总是稳定的， 而且随着 Kr 的增加，复根的绝对值也随之增大，系统的
5、响应越来越快。然而当 Kr 增大到 一定程度后，再增大 Kr，复根实部的绝对值增加得相当缓慢。由此可见，对提高航向系统 的性能，适当增加 Kr 是必要的；然而 Kr 值不宜过大，因 Kr 值过大，对提高系统响应的性 能并不显著，却对控制装置的工作能力提出了更高的要求，且振荡性能明显增加。因此，在 航向系统设计中，Kr 应选取一个合理值。 3鱼雷控制系统计算机辅助分析设计与仿真（经典控制方法部分） -150-100-50050100Magnitude (dB)10-210-1100101102103-270-225-180-135-90Phase (deg)Bode DiagramFrequen
6、cy (rad/sec)舵机时间常数0.05 理想舵机舵机时间常数为 0.05 时 增益裕度 Gm=15.6 dB 相位裕度 Pm=30.7638 相位穿越频率 Wcg=11.1302 rad 增益穿越频率 Wcp=3.6485 rad 理想舵机时 增益裕度 Gm 无穷大 相位裕度 Pm=41.0810 相位穿越频率 Wcg 无穷大 增益穿越频率 Wcp=3.6891 rad 可见，当舵机时间常数会带来稳定性的下降。 利用 ltiview 对两种舵机情况进行对比。 4鱼雷控制系统计算机辅助分析设计与仿真（经典控制方法部分） Singular ValuesFrequency (rad/sec)S
7、ingular Values (dB)Nichols ChartOpen-Loop Phase (deg)Open-Loop Gain (dB)Nyquist DiagramReal AxisImaginary AxisBode DiagramFrequency (rad/sec)Impulse ResponseTime (sec)AmplitudeStep ResponseTime (sec)Amplitude100-150-100-50050100-270 -225 -180 -135-90-100-50050-15-10-50-300-200-1000100200300100-270-225-180-135-90Phase (deg)-1000100Magnitude (dB)05100246810121405001000150000.511.522.5x 104图 舵机时间常数 0.05（开环） Singular ValuesFrequency (rad/sec)Singular Values (dB)Nichols ChartOpen-Loop Phase (deg)Open-Loop Gain (dB)Nyq
