采用PID调节器某型鱼雷航向控制系统设计

摘要

    鱼雷是一种能在水中自动推进、自动控制和自动引导的航行器，是攻击水面舰船和潜艇的进攻性水下武器。自动控制系统和制导系统是鱼雷的不可缺少的重要组成部分，对于制导精度和姿态控制中起着举足轻重的作用。鱼雷航向控制系统任务就是保证鱼雷按设定的航向运动，尽可能不受外界干扰，同时在外加一个信号改变原来的航向，并到达保持新的设定航向。随着科技的发展，计算机软硬件、图形及智能模拟等技术均有显著的进步，在工程设计中起到显著作用。鱼雷航向控制系统充分利用计算机的高速运算和处理能力，进行动态系统的建模、分析、设计和仿真。在此背景下，通过以鱼雷的控制性能要求，设计航向控制系统，建立数学模型并进行仿真，根据航向控制系统设计PID控制器,并进行验证。

首先，对鱼雷航向控制系统的组成及基本原理，航向运动的特点做了简要介绍；其次，根据鱼雷的类型、特点和技术指标，从航向系统的控制规律方程和侧向运动的状态方程推导出系统的微分方程，从而建立数学模型组成原理图，并对鱼雷控制系统计算机辅助分析，即稳定性分析、根轨迹分析、频域响应分析、时域响应分析，并用MATLAB软件得到仿真图；最后，采用了对比P、PI、PID控制效果的思路，确定了PID控制器为核心，利用参数整定法确定出能满足要求且可以实现的系统参数，不满足的时候再重新选取参数，进行分析和仿真，直到满足要求为止。通过MATLAB编程和SIMULINK建模，使得加入所设计的控制器后航向控制系统性能达到,,的技术要求，验证了设计下的PID控制器的正确性以及航向系统的可行性，采用PID控制器某型鱼雷航向系统的仿真设计表明，该设计提高了航向控制的准确性和稳定性，改善了系统的性能且具有良好的抗干扰能力。

关键字：鱼雷，航向控制系统，MATLAB软件，PID控制器

ABSTRACT

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

目录

第一章 概 述 1

1.1 文档设计选题的意义 1

1.2 文档设计的任务分析 2

1.3 文档设计的主要技术指标及控制要求 2

第二章 鱼雷及自动控制系统简介 4

2.1 鱼雷及其自动控制系统的发展 4

2.1.1 鱼雷的发明及其特点 4

2.1.2 鱼雷的战斗使命及国内外的发展现状 4

2.2 鱼雷自动控制系统的基本原理与组成 5

2.3 鱼雷自动控制系统的战术技术要求 7

2.3.1 自动控制系统的一般性能指标 7

2.3.2 鱼雷自动控制系统的主要战术指标 8

第三章 鱼雷航向控制系统 11

3.1 鱼雷航向控制的基本原理 11

3.2 鱼雷航向控制系统的动态特性 14

3.2.1 过渡过程的分析 14

3.2.2 利用根轨迹对稳定性进行分析 16

3.2.3 频率特性分析 18

3.3 鱼雷航向控制系统的稳态分析 19

3.3.1 航向控制系统的稳态误差 19

3.3.2 扰动输入的影响 20

第四章 鱼雷控制系统的计算机辅助分析 22

4.1 鱼雷控制系统的稳定性分析 22

4.2 鱼雷控制系统的根轨迹分析 22

4.2.1 根轨迹分析的MATLAB实现 22

4.2.2 鱼雷侧向运动的根轨迹分析 24

4.3 鱼雷控制系统的频域响应分析 25

4.3.1 频域响应分析的MATLAB实现 25

4.3.2 鱼雷侧向运动的稳定性分析 27

4.4 鱼雷控制系统的时域响应分析 30

4.4.1 时域响应分析的MATLAB实现 30

4.4.2 鱼雷航向系统的时域响应分析 31

4.4.3 时域响应分析的Simulink建模分析 33

第五章 某型鱼雷航向控制系统的设计 37

5.1 计算机辅助设计 37

5.2 系统控制方案的对比与说明 37

5.3 PID控制器 40

5.3.1 概述 40

5.3.2 PID控制器参数整定法 40

第六章 采用PID调节器某型鱼雷航向控制系统设计结论 53

致 谢 55

参考文献 56

文档设计小结 57