采用PID調節器某型魚雷航向控制系統設計

摘要

    魚雷是一種能在水中自動推進、自動控制和自動引導的航行器，是攻擊水面艦船和潛艇的進攻性水下武器。自動控制系統和制導系統是魚雷的不可缺少的重要組成部分，對于制導精度和姿態控制中起著舉足輕重的作用。魚雷航向控制系統任務就是保證魚雷按設定的航向運動，盡可能不受外界干擾，同時在外加一個信號改變原來的航向，并到達保持新的設定航向。隨著科技的發展，計算機軟硬件、圖形及智能模擬等技術均有顯著的進步，在工程設計中起到顯著作用。魚雷航向控制系統充分利用計算機的高速運算和處理能力，進行動態系統的建模、分析、設計和仿真。在此背景下，通過以魚雷的控制性能要求，設計航向控制系統，建立數學模型并進行仿真，根據航向控制系統設計PID控制器,并進行驗證。

首先，對魚雷航向控制系統的組成及基本原理，航向運動的特點做了簡要介紹；其次，根據魚雷的類型、特點和技術指標，從航向系統的控制規律方程和側向運動的狀態方程推導出系統的微分方程，從而建立數學模型組成原理圖，并對魚雷控制系統計算機輔助分析，即穩定性分析、根軌跡分析、頻域響應分析、時域響應分析，并用MATLAB軟件得到仿真圖；最后，采用了對比P、PI、PID控制效果的思路，確定了PID控制器為核心，利用參數整定法確定出能滿足要求且可以實現的系統參數，不滿足的時候再重新選取參數，進行分析和仿真，直到滿足要求為止。通過MATLAB編程和SIMULINK建模，使得加入所設計的控制器后航向控制系統性能達到,,的技術要求，驗證了設計下的PID控制器的正確性以及航向系統的可行性，采用PID控制器某型魚雷航向系統的仿真設計表明，該設計提高了航向控制的準確性和穩定性，改善了系統的性能且具有良好的抗干擾能力。

關鍵字：魚雷，航向控制系統，MATLAB軟件，PID控制器

ABSTRACT

...

KEY WORDS:torpedo, course control system, MATLAB software, PID controller

目錄

第一章 概 述1

1.1 畢業設計選題的意義1

1.2 畢業設計的任務分析2

1.3 畢業設計的主要技術指標及控制要求2

第二章 魚雷及自動控制系統簡介4

2.1 魚雷及其自動控制系統的發展4

2.1.1 魚雷的發明及其特點4

2.1.2 魚雷的戰斗使命及國內外的發展現狀4

2.2 魚雷自動控制系統的基本原理與組成5

2.3 魚雷自動控制系統的戰術技術要求7

2.3.1 自動控制系統的一般性能指標7

2.3.2 魚雷自動控制系統的主要戰術指標8

第三章 魚雷航向控制系統11

3.1 魚雷航向控制的基本原理11

3.2 魚雷航向控制系統的動態特性14

3.2.1 過渡過程的分析14

3.2.2 利用根軌跡對穩定性進行分析16

3.2.3 頻率特性分析18

3.3 魚雷航向控制系統的穩態分析19

3.3.1 航向控制系統的穩態誤差19

3.3.2 擾動輸入的影響20

第四章 魚雷控制系統的計算機輔助分析22

4.1 魚雷控制系統的穩定性分析22

4.2 魚雷控制系統的根軌跡分析22

4.2.1 根軌跡分析的MATLAB實現22

4.2.2 魚雷側向運動的根軌跡分析24

4.3 魚雷控制系統的頻域響應分析25

4.3.1 頻域響應分析的MATLAB實現25

4.3.2 魚雷側向運動的穩定性分析27

4.4 魚雷控制系統的時域響應分析30

4.4.1 時域響應分析的MATLAB實現30

4.4.2 魚雷航向系統的時域響應分析31

4.4.3 時域響應分析的Simulink建模分析33

第五章 某型魚雷航向控制系統的設計37

5.1 計算機輔助設計37

5.2 系統控制方案的對比與說明37

5.3 PID控制器40

5.3.1 概述40

5.3.2 PID控制器參數整定法40

第六章 采用PID調節器某型魚雷航向控制系統設計結論53

致 謝55

參考文獻56

畢業設計小結57