1、第八章 鱼雷自动控制系统设计8-1 概述 第六、第七章中，用经典控制理论分析了鱼雷三通道自动控制系统，即航向控制系统、横滚控制系统，深度和纵倾控制系统的动态特性和稳态特性，这种方法称为分析法。本章是根据控制系要求的性能指标，用经典控制理论设计鱼雷的三个通道控制系统。用古典控制理论设计控制系统的方法称为综合法（又称为试凑法）。这种方法取决于设计者的理论水平、实际经验等，设计的控制系统性能不好，进行修正后，再重新进行计算设计研究，可能要经过多次反复，才能达到比较满意的结果。典型系统的工程化设计方法，是设计鱼雷控制系统行之有效的方法，可以达到比较满意的结果。典型系统的工程化设计方法的基础是典型的型系
2、统和典型的系统。1.典型系统的工程设计；2.非典型系统的典型化；3.鱼雷航向控制系统的典型化设计；4.鱼雷深度控制系统的典型化设计；5.反馈校正及其参数选择；6.鱼雷横滚控制系统的设计。8-2 鱼雷自动控制系统设计的一般步骤n根据设计任务书，确定控制系统的性能指标n选择系统方案、设计控制规律n确定所采用的技术n软硬件与结构设计n硬件的工程实现n仿真实验n海上航行试验8-3 鱼雷自动控制系统设计的基本问题n稳定问题（1）稳定雷体轴在空间的角位置或角速度（2）改善雷体角运动的阻尼特性（3）稳定鱼雷的静态传递系数及动态特性（4）保证鱼雷质心运动的稳定性n跟踪问题8-4 鱼雷横滚控制系统的设计鱼雷横滚
3、控制系统的一般要求：幅值稳定裕度：相角稳定裕度：（阻尼系数：）L6dB40600.6 一、性能要求二、雷体横滚特性 1.67()=s(s+1)(0.141)KGsTss式中，mx0mxA vKAx144mx 0JTA v1.67()=()()=s(s+1)(0.141)4.96(0.141)(0.141)ppcK KKG sG s G sTssKssss22110.6,42114.96440.360.144.962.971.671.67pKTKTKTKK式中，1.67,4.96pKK0.1()L dB17.14T120/dB dec40/dB dec1020lg4.45K 2020c90o18
4、0oc()c()c 20lg13.1K 8-5 鱼雷航向控制系统的典型化设计一、鱼雷航向控制系统结构图鱼雷航向控制系统结构图如图8.8所示()CG s-034(1)(1)(1)(1)nkssTsTsTs()E s()gs()Ts图8.8 鱼雷航向控制系统结构图其中，。，01.09n 1.31k0.3531.48T 40.107T 0.05T112.86z1310.68pT2419.35pT3120pT二、鱼雷航向控制系统控制器的参数选择v1按典型的型系统设计（要求 ）（1）首先将雷体传递函数按高频小惯性环节进行简化处理（如图8.9所示）0.707图8.9 雷体航向运动简化传递函数bode图（2
5、）计控制器参数一般情况下，将时间常数大的环节抵消掉。11322(1)()(,)(1)pcCccckT SGsTTTT s100342(1)(1)3.18()(1)(1)(1)(1)(0.1571)(0.1571)pCpCK T SnK KnKsKG ssTsTsT ssTsssss0341.43(0.351)1.43(0.351)()(1.481)(0.1071)(0.051)(1.481)(0.1571)(1)(1)(1)ssGssssssssnss T ST s航向典型型系统的频率特性如图8.10所示。，因为 ，所以 ，131.48CTT20.35cT0pkn k k041(0.51)pk
6、n k kT0.70712 KT0.5KT 0.53.180.157k 03.182.231.09 1.31pkkn k图8.10 按典型系统设计的航向控制系统bode图422()65142oCarctg v2按典型的型系统设计控制器参数首先将雷体传递函数按低频大惯性环节和高频小惯性环节进行简化处理：0322241.43(0.351)1.43(0.351)()(1.481)(0.1071)(0.051)(1.481)(0.1571)(1)1.43(0.351)13.18(0.351)1.48(0.1571)(1)(0.1571)ssGssssssssn ksTsssss T sss简化图如图8
7、.11所示。()CpGsk40.352.230.157hT2222412.23 113.1822 2.230.157hkh T03302.07 1.483.06,2.141.09 1.311.43ppk n kkTkkTn k图8.11 按典型2系统设计的航向控制系统bode图8-6 鱼雷纵向控制系统设计鱼雷深度控制系统结构图鱼雷深度控制系统（串行控制系统）结构图如图8.12所示()CG s-034212(1)(1)(1)(1)(1)ynksss TsTsTs()yE s()yH s()TH s图8.12 鱼雷深度控制系统结构图双环控制鱼雷深度双环控制规律为:鱼雷深度双环控制系统原理如图8.1
8、8所示。()()()()eysG s CY sCs一、鱼雷深度双环控制系统原理8.18 鱼雷双环控制原理图图中，02.84()10.051nGsT ss12(1)4(0.331)()(1)(1)(1.221)(0.121)KssGss T sT ssss034(1)(1)23.5(0.211)(0.061)()(1)(0.331)yvssssGsssss02.84n 4K023.5v 0.05T0.05T0.3311.22T 30.2140.06 设计环控制系统的原则是先内环，后外环。内环设计时先不考虑外环，使内环达到一定的相角稳定裕度和幅值稳定裕度。（1）内环的开环传递函数为先设 =1，上式
9、为 012(1)()(1)(1)(1)K C nsW ss TsT sT sC012(1)11.36(0.331)()(1)(1)(1)(1.221)(0.121)(0.051)11.36(0.331)(1.221)(0.171)K C nssW ss TsT sT sssssssss二、双环控制系统设计Cv 1.的确定式中，1130.331110.821.22T2115.880.17T（2）画BODE图上面开环传递函数的BODE图如图8.19所示。上下移动幅频特性曲线，使相位稳定裕度大于 ，此时，40o1.05C3.5c图8.19 内环开环传递函数BODE图2.的确定（1）求内环的闭环传递函
10、数yC0012012012320121200032321(1)(1)(1)(1)()(1)(1)(1)(1)1(1)(1)1(1)(1)()11(1)1n Ksn Kss T sT ssC n Kss T sT sC n Kss T sT ssCC n KTTTTsssC n KC n KC n KsCa sa sa s（2）求系统的开环传递函数003434323232132132(1)(1)(1)(1)()(1)(1)23.4(0.211)(0.061)(0.0760.690.851)yyyC vC vssssCCG ss a sa sa ss a sa sa sCssssss串联校正一、反
11、馈校正系统的特点v1.电深控装置的小回路电路原理图如图8.15所示图8.15电深控装置的小回路电路原理图v2.电深控装置的小回路结构图8.16所示图8.16 电深控装置的小回路结构图1()(1)mmKG ssT s-Ug(s)Uf(s)()1dfsH ss-U0(s)0010203()()()()UsUsUsUs设01()()gUsUs 式中，02()()fU sU s03()()()()111ffdfffcfcRR CSsUsUsUsUsR CssRCs 0()()(1)mfmKUsUss T s11(1)()()1()()1(1)1mmmdmfKs T sG sG sKsG s H ss
12、T ss222(1)(1)(1)(1)1()111(1)(21mfmfmdmfmdmfmfmdmdfKss T ssKKsKTTsssKKKss T sT s将校正后的系统与原系统进行比较得(1)新增加的 一阶微分环节影响系统的高频特性，因为 的值比较小。(2)将原来系统的一阶惯性环节改变为二阶震荡环节，在 较小的情况下，极端值 原系统改变为 ，但是惯性环节时间常数变小，11;112(1)2m ffmm dm dm fm dTTKKTKKTKKT式 中，(1)fsff0f1(1)1mmdmmdKKTssK ，相当于 ，幅频特性的频段延长，增加了系统的稳定度。二、用作图法绘制反馈校正幅频特性曲线
13、的简便方法1()(1)mmKG ss T s-Ug(s)Uf(s)()1dfsH ss-U0(s)图8.16 电深控装置的小回路结构图1mmdTTK20/dB dec系统的开环传递函数等于内环的开环传递函数114(1)()(0.51)()102.71()()11(0.51)(0.0271)(1)1mmmdmfKs T sG sssG sKssG s H sssss T ss1()()1G s H s 当时，111()2.7()0.02711dfG sssH sss1()()1G s H s 当时，14()()(1)(0.51)mmKG sG ss T sss1()()1G s H s 当时，1(1)(1)(1)(1)mdm dmfmfKsKs T ssT ss图8.17 反馈校正简化幅频特性曲线21.6mdkmKT结论：反馈校正的实质是将原系统校正成典型的型系统11(),1(1)(1)cdmmdKKG ss TsTssK延长了 斜率的幅频特性曲线，增加了系统的稳定裕度。校正后:21.6mdkmKT20/dB dec
