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自动控制原理实验报告册院系：班级：学号：姓名：目录实验五采样系统研究 (3)实验六状态反馈与状态观测器 (9)实验七非线性环节对系统动态过程的响应 (14)实验五 采样系统研究一、实验目的1. 了解信号的采样与恢复的原理及其过程，并验证香农定理。
2. 掌握采样系统的瞬态响应与极点分布的对应关系。
3. 掌握最少拍采样系统的设计步骤。
二、实验原理1. 采样：把连续信号转换成离散信号的过程叫采样。
2. 香农定理：如果选择的采样角频率s ω，满足max 2ωω≥s 条件（max ω为连续信号频谱的上限频率），那么经采样所获得的脉冲序列可以通过理想的低通滤波器无失真地恢复原连续信号。
3. 信号的复现：零阶保持器是将采样信号转换成连续信号的元件，是一个低通滤波器。
其传递函数：se Ts--14. 采样系统的极点分布对瞬态响应的影响：Z 平面内的极点分布在单位圆的不同位置，其对应的瞬态分量是不同的。
5. 最小拍无差系统：通常称一个采样周期为一拍，系统过渡过程结束的快慢常采用采样周期来表示，若系统能在最少的采样周期内达到对输入的完全跟踪，则称为最少拍误差系统。
对最小拍系统时间响应的要求是：对于某种典型输入，在各采样时刻上无稳态误差；瞬态响应最快，即过渡过程尽量早结束，其调整时间为有限个采样周期。
从上面的准则出发，确定一个数字控制器，使其满足最小拍无差系统。
三、实验内容1. 通过改变采频率s s s T 5.0,2.0,01.0=，观察在阶跃信号作用下的过渡过程。
被控对象模拟电路及系统结构分别如下图所示：图中，1)(/)()(==z E z U z D ，系统被控对象脉冲传递函数为：T T Ts e z e s s e Z z U z Y z G -----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-==)1(4141)()()( 系统开环脉冲传递函数为：T T w e z e Z G z D z G ----===)1(4)()()(系统闭环脉冲传递函数为：)(1)()(z G z G z w w +=Φ在Z 平面内讨论，当采样周期T 变化时对系统稳定性的影响。
一、实验背景随着现代工业和科技的飞速发展，自动控制技术在各个领域得到了广泛应用。
为了使学生更好地理解和掌握自动控制原理及其应用，我们进行了为期两周的自控实验。
本次实验旨在通过实际操作，加深对自动控制原理的理解，提高动手实践能力。
二、实验目的1. 熟悉自动控制实验的基本原理和方法；2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法；3. 学会运用实验仪器进行实验操作和数据分析；4. 提高团队合作意识和解决问题的能力。
三、实验内容1. 典型环节及其阶跃响应实验本实验通过模拟电路，研究了典型环节（比例环节、积分环节、微分环节）的阶跃响应。
通过改变电路参数，分析了参数对系统性能的影响。
2. 二阶系统阶跃响应实验本实验研究了二阶系统的阶跃响应，通过改变系统的阻尼比和自然频率，分析了系统性能的变化。
3. 连续系统串联校正实验本实验研究了连续系统串联校正方法，通过调整校正装置的参数，使系统达到期望的性能指标。
4. 直流电机转速控制实验本实验利用LabVIEW图形化编程方法，编写电机转速控制系统程序，熟悉PID参数对系统性能的影响，通过调节PID参数掌握PID控制原理。
四、实验结果与分析1. 典型环节及其阶跃响应实验通过实验，我们观察到不同环节的阶跃响应曲线。
在比例环节中，随着比例系数的增加，系统的超调量减小，但调整时间增加。
在积分环节中，随着积分时间常数增大，系统的稳态误差减小，但调整时间增加。
在微分环节中，随着微分时间常数增大，系统的超调量减小，但调整时间增加。
2. 二阶系统阶跃响应实验通过实验，我们分析了二阶系统的性能。
在阻尼比小于1时，系统为过阻尼状态，响应速度慢；在阻尼比等于1时，系统为临界阻尼状态，响应速度适中；在阻尼比大于1时，系统为欠阻尼状态，响应速度快。
3. 连续系统串联校正实验通过实验，我们掌握了串联校正方法。
通过调整校正装置的参数，可以使系统达到期望的性能指标。
4. 直流电机转速控制实验通过实验，我们学会了利用LabVIEW图形化编程方法，编写电机转速控制系统程序。
北理工：自动控制实验实验报告汇总控制理论基础实验（基于MATLAB）控制理论基础实验班级：05611001 学号：1120211327 姓名：付予实验时间：周五下午7、8节指导教师：范哲意1控制理论基础实验（基于MATLAB）实验一：控制系统的模型建立一、实验目的1. 掌握利用MATLAB 建立控制系统模型的方法。
2. 掌握系统的各种模型表述及相互之间的转换关系。
3. 学习和掌握系统模型连接的等效变换。
二、实验原理1．系统模型的MATLAB描述 1）传递函数（TF）模型 2)零极点增益(ZPK)模型 3）状态空间（SS）模型 4)三种模型之间的转换2. 系统模型的连接在实际应用中，整个控制系统是由多个单一的模型组合而成，基本的组合方式有串联连接、并联连接和反馈连接。
三、实验内容1. 已知控制系统的传递函数如下2s2?18s?40G(s)?3 2S?5s?8s?6试用MATLAB 建立系统的传递函数模型、零极点增益模型及系统的状态空间方程模型，并绘制系统零极点图。
实验代码： >> num=[2,18,40]; >> den=[1,5,8,6];>> gtf=tf(num,den) >> gzpk=zpk(gtf)2控制理论基础实验（基于MATLAB）>> gss=ss(gtf) >> pzmap(gzpk)实验结果：传递函数模型： gtf =x1 -5 -2 -1.5 x2 4 0 0 >> grid on2 s^2 + 18 s + 40 --------------------- s^3 + 5 s^2 + 8 s + 6零极点增益模型： gzpk =2 (s+5) (s+4) -------------------- (s+3) (s^2 + 2s + 2)状态空间方程模型： gss = a =x1 x2 x3零极点图形：x3 0 1 0 b = u1 x1 4 x2 0 x3 0 c =x1 x2 x3 y1 0.5 1.125 2.5 d = u1 y1 0 3控制理论基础实验（基于MATLAB）2.已知控制系统的状态空间方程如下?0100??0??0010??0??x???ux???0001??0? ????-1-2-3-4???1?y??10200?x试用MATLAB 建立系统的传递函数模型、零极点增益模型及系统的状态空间方程模型，并绘制系统零极点图。
随着科技的不断发展，自动控制技术在工业、交通、医疗等领域得到了广泛应用。
为了提高我们对自动控制理论知识的理解，增强实际操作能力，我们进行了为期两周的自动控制实训。
本次实训旨在通过实际操作，加深对自动控制基本原理、控制系统的设计与调试方法的理解，培养我们的动手能力和团队协作精神。
二、实训内容与过程1. 实训内容本次实训主要包括以下内容：（1）自动控制基本原理的学习：了解自动控制的基本概念、控制系统的类型、传递函数等基本理论。
（2）典型环节的模拟：利用自动控制实训箱模拟典型环节，如比例环节、积分环节、微分环节等，学习各环节的特性及其在控制系统中的作用。
（3）控制系统设计与调试：根据实际需求设计控制系统，并利用实训箱进行调试，观察系统动态响应，分析系统性能。
（4）系统稳定性分析：学习系统稳定性分析方法，如奈奎斯特判据、根轨迹法等，对设计的控制系统进行稳定性分析。
2. 实训过程（1）理论学习：首先，我们对自动控制基本原理进行了深入学习，通过查阅资料、课堂讲解等方式，掌握了相关理论知识。
（2）实训操作：在理论学习的指导下，我们开始进行实训操作。
首先，在实训老师的指导下，熟悉实训箱的各个功能模块，了解各模块的作用。
然后，按照实训指导书的要求，进行典型环节的模拟实验，观察系统动态响应，分析各环节的特性。
（3）控制系统设计与调试：在实训老师的指导下，我们根据实际需求，设计并调试控制系统。
首先，根据系统要求，选择合适的控制器和执行机构。
然后，利用实训箱进行调试，观察系统动态响应，分析系统性能。
在调试过程中，我们遇到了一些问题，通过查阅资料、讨论等方式，最终解决了这些问题。
（4）系统稳定性分析：在控制系统调试完成后，我们利用奈奎斯特判据、根轨迹法等方法对系统进行稳定性分析，确保系统稳定可靠。
1. 实训成果通过本次实训，我们取得了以下成果：（1）掌握了自动控制基本原理，提高了对控制系统的理解。
（2）学会了典型环节的模拟方法，能够根据实际需求进行控制系统设计。
一、实验目的1. 熟悉自动控制系统的基本组成和原理。
2. 掌握常用控制元件的性能和特点。
3. 学会搭建简单的自动控制系统。
4. 通过实验，加深对自动控制理论知识的理解。
二、实验原理自动控制系统是一种通过反馈机制实现被控对象状态控制的系统。
它主要由被控对象、控制器和执行器组成。
控制器根据被控对象的实际状态与期望状态之间的偏差，产生控制信号，驱动执行器实现对被控对象的控制。
三、实验仪器与设备1. 自动控制实训台2. 电源3. 控制器4. 执行器5. 测量仪器四、实验内容1. 搭建简单控制系统（1）根据实验要求，搭建一个简单的自动控制系统，如图1所示。
（2）检查系统连接是否正确，确保各个元件连接牢固。
（3）开启电源，观察系统运行情况。
2. 观察控制过程（1）通过手动调节控制器，使被控对象的输出达到期望值。
（2）观察控制过程，分析控制效果。
3. 改变系统参数（1）改变控制器的参数，观察系统响应的变化。
（2）分析参数变化对系统性能的影响。
4. 故障排除（1）人为制造故障，观察系统响应。
（2）分析故障原因，并排除故障。
五、实验结果与分析1. 搭建简单控制系统通过搭建简单的控制系统，我们掌握了自动控制系统的基本组成和原理。
在实验过程中，我们观察到控制器通过调整控制信号，使被控对象的输出达到期望值。
2. 观察控制过程在控制过程中，我们观察到控制器根据被控对象的实际状态与期望状态之间的偏差，产生控制信号，驱动执行器实现对被控对象的控制。
通过手动调节控制器，我们可以使被控对象的输出达到期望值。
3. 改变系统参数在改变控制器参数的过程中，我们观察到系统响应的变化。
当控制器参数改变时，系统响应速度、稳定性和超调量等性能指标都会发生变化。
这表明控制器参数对系统性能有重要影响。
4. 故障排除在故障排除过程中，我们学会了分析故障原因，并采取相应措施排除故障。
这有助于我们更好地理解自动控制系统的运行原理。
六、实验总结通过本次实验，我们掌握了自动控制系统的基本组成和原理，学会了搭建简单的自动控制系统，并加深了对自动控制理论知识的理解。
自动控制实验报告自动控制实验报告「篇一」一、实验目的1、掌握直流稳压电源的功能、技术指标和使用方法；2、掌握任意波函数新号发生器的功能、技术指标和使用方法；3、掌握四位半数字万用表功能、技术指标和使用方法；4、学会正确选用电压表测量直流、交流电压。
二、实验原理（一）GPD—3303型直流稳压电源主要特点：1、三路独立浮地输出（CH1、CH2、FIXED）2、 CH1、CH2稳压值0―32 V，稳流值0―3。
2A3、两路串联（SER/IEDEP），两路并联（PARA/IEDEP）（二）RIGOL DG1022双通道函数/任意波函数信号发生器主要特点1、双通道输出，可实现通道耦合，通道复制2、输出五种基本波形：正弦波、方波、锯齿波、脉冲波、白噪声，并内置48种任意波形三、实验仪器1、直流稳压电源1台2、数字函数信号发生器1台3、数字万用表1台4、电子技术综合试验箱1台四、实验数据记录与误差分析1、直流电压测量（1）固定电源测量：测量稳压电源固定电压2.5V、3.3V、5V；误差分析：E1=|2.507—2.5|÷2。
5×100%=0.28%E2=|3.318—3。
3|÷3.3×100%=0.55%E3=|5.039—5|÷5×100%=0.78%（2）固定电源测量：测量实验箱的固定电压±5V、±12V、—8V；误差分析：E1=|5.029—5|÷5×100%=0.58%E2=|5.042—5|÷5×100%=0.84%E3=|11.933—12|÷12×100%=0.93%E3=|11.857—12|÷12×100%=0.56%E3=|8.202—8|÷8×100%=2.5%（3）可变电源测量；误差分析：E1=|6.016—6|÷6×100%=0.27%E2=|12.117—12|÷12×100%=0.98% E3=|18.093—18|÷18×100%=0.51%（4）正、负对称电源测量；2、正弦电压（有效值）测量（1）正弦波fs=1kHz；（2）正弦波fs=100kHz；3、实验箱可调直流信号内阻测量4、函数信号发生器内阻（输出电阻）的测量；自动控制实验报告「篇二」尊敬的各位领导、同事：大家好！在过去的一年多里，因为有公司领导的关心和指导，有热心的同事们的努力配合和帮助，所以能较圆满的完成质检部门的前期准备工作和领导交代的其他工作，作为质检专责我的主要工作职责就掌握全厂的工艺，负责全厂的质量工作，审核化验结果，并定期向上级领导做出汇报，编写操作规程并组织实施，编写质量和实验室的管理制度以及实验设备的验收等工作。
一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握自动控制系统的基本分析方法；3. 熟悉自动控制系统的实验操作步骤；4. 分析实验数据，提高对自动控制系统的理解和应用能力。
二、实验原理自动控制系统是一种根据给定输入信号，通过反馈和调节作用，使系统输出信号能够自动跟踪输入信号的系统。
自动控制系统主要由被控对象、控制器和反馈环节组成。
三、实验设备1. 自动控制系统实验箱；2. 数据采集卡；3. 计算机；4. 电源；5. 实验接线板。
四、实验内容1. 自动控制系统组成原理实验；2. 自动控制系统基本分析方法实验；3. 自动控制系统实验操作步骤实验。
五、实验步骤1. 自动控制系统组成原理实验（1）观察实验箱内各模块的连接情况，了解被控对象、控制器和反馈环节的连接方式；（2）按照实验指导书的要求，将实验箱内的模块正确连接；（3）启动实验箱，观察系统运行情况，分析系统组成原理。
2. 自动控制系统基本分析方法实验（1）根据实验指导书的要求，设置实验参数；（2）启动实验箱，进行实验操作；（3）采集实验数据，记录实验结果；（4）分析实验数据，掌握自动控制系统基本分析方法。
3. 自动控制系统实验操作步骤实验（1）按照实验指导书的要求，设置实验参数；（2）启动实验箱，进行实验操作；（3）观察系统运行情况，分析实验操作步骤；（4）记录实验数据，分析实验结果。
六、实验结果与分析1. 自动控制系统组成原理实验实验结果表明，自动控制系统由被控对象、控制器和反馈环节组成，通过反馈和调节作用实现系统输出信号的自动跟踪。
2. 自动控制系统基本分析方法实验实验结果表明，通过实验数据可以分析自动控制系统的稳定性、速度响应、稳态误差等性能指标，从而掌握自动控制系统基本分析方法。
3. 自动控制系统实验操作步骤实验实验结果表明，按照实验指导书的要求进行实验操作，可以顺利完成实验任务，达到实验目的。
七、实验结论1. 通过本次实验，掌握了自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握了自动控制系统基本分析方法；3. 熟悉了自动控制系统的实验操作步骤；4. 提高了分析实验数据、解决实际问题的能力。
一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和原理；2. 掌握自动控制系统的基本分析方法；3. 培养动手操作能力和实验技能；4. 提高对自动控制系统的设计、调试和优化能力。
二、实验原理自动控制系统是一种利用反馈控制原理，使被控对象的输出量能够跟踪给定输入量的系统。
本实验主要研究线性定常系统的稳定性、动态性能和稳态性能。
三、实验设备1. 自动控制实验台；2. 实验仪器：信号发生器、示波器、信号调理器、数据采集卡等；3. 实验软件：MATLAB/Simulink。
四、实验内容1. 系统搭建与调试（1）搭建实验台，连接实验仪器；（2）设置信号发生器，产生不同频率、幅值的信号；（3）调整信号调理器，对信号进行放大、滤波等处理；（4）将处理后的信号输入实验台，观察系统的响应。
2. 稳定性分析（1）根据实验数据，绘制系统的伯德图；（2）根据伯德图，判断系统的稳定性；（3）通过改变系统参数，观察对系统稳定性的影响。
3. 动态性能分析（1）根据实验数据，绘制系统的阶跃响应曲线；（2）根据阶跃响应曲线，分析系统的上升时间、超调量、调节时间等动态性能指标；（3）通过改变系统参数，观察对系统动态性能的影响。
4. 稳态性能分析（1）根据实验数据，绘制系统的稳态误差曲线；（2）根据稳态误差曲线，分析系统的稳态性能；（3）通过改变系统参数，观察对系统稳态性能的影响。
五、实验结果与分析1. 系统搭建与调试通过搭建实验台，连接实验仪器，观察系统的响应，验证了实验系统的可行性。
2. 稳定性分析根据伯德图，判断系统在原参数下的稳定性。
通过改变系统参数，观察对系统稳定性的影响，得出以下结论：（1）系统在原参数下稳定；（2）减小系统参数，系统稳定性提高；（3）增大系统参数，系统稳定性降低。
3. 动态性能分析根据阶跃响应曲线，分析系统的动态性能指标：（1）上升时间：系统在给定输入信号作用下，输出量达到稳态值的80%所需时间；（2）超调量：系统在达到稳态值时，输出量相对于稳态值的最大偏差；（3）调节时间：系统在给定输入信号作用下，输出量达到稳态值的95%所需时间。
实验一 控制系统典型环节的模拟 一、实验目的 (1)熟悉超低频扫描示波器的使用方法。
(2)掌握用运放组成控制系统典型环节的模拟电路。
(3)测量典型环节的阶跃响应曲线。
(4)通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响。
二、实验所需挂件及附件DJK01 、DJK15、双踪慢扫描示波器、万用表三、实验线路及原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图8-1所示。
图中Z 1和Z 2为复数阻抗，它们都是由R 、C 构成。
基于图中A 点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图8-1得：由上式可求得，由下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。
(1)比例环节比例环节的模拟电路如图8-2所示：图8-1 运放的反馈连接图8-2 比例环节(2)惯性环节 (1) )(12Z Z u u S G i o =-=2=410820==12K K Z Z )S (G 111/1/)(21212212+=+⋅=+==TS K CS R R R R CS R CS R Z Z S G取参考值R 1=100K ，R 2=100K ，C=1uF图8-3 惯性环节(3)积分环节式中积分时间常数T=RC,取参考值R=200K ，C=1uF图8-4 积分环节(4)比例微分环节（PD ），其接线图如图及阶跃响应如图8-5所示。
参考值R 1=200K ，R 2=410K ，C=0.1uF）（3 1 1 /1)(12TS RCS R CS Z Z S G ====C R =T , =K (4) 1+= 1+•= 1+==1D 1211211212R R )S T (K )CS R (R R CS /R CS /R R Z Z )S (G D 其中图8-5 比例微分环节 (5)比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图8-6所示。
参考值R 1=100K R 2=200K C=0.1uF图8-6 比例积分环节(6)振荡环节，其原理框图、接线图及单位阶跃响应波形分别如图8-7、8-8所示。
上海电力学院自动控制原理实践报告课名：自动控制原理应用实践题目：水翼船渡轮的纵倾角控制船舶航向的自动操舵控制班级：姓名：学号：水翼船渡轮的纵倾角控制一.系统背景简介水翼船（Hydrofoil）是一种高速船。
船身底部有支架，装上水翼。
当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面（称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne），从而大为减少水的阻力和增加航行速度。
水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。
通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。
该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。
因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（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。
当尾舵的角坐标偏转错误!未找到引用源。
，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误!未找到引用源。
传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。
有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，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。
二.实际控制过程某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。
该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。
通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。
该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。
因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F(s)=1/s 。
三．控制设计要求试设计一个控制器Gc( s),使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D (s)存在下也能达到优良的性能指标。
假设海浪扰动(s)的主频率为w=6rad/s。
本题要求了“优良的性能指标”,没有具体的量化指标,通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%,调整时间小于4s。
四．分析系统时域1. 原系统稳定性分析num=[50];den=[1 80 2500 50];g1=tf(num,den);[z,p,k]=zpkdata(g1,'v');p1=pole(g1);pzmap(g1)分析：上图闭环极点分布图, 有一极点位于原点, 另两极点位于虚轴左边, 故处于临界稳定状态。
但还是一种不稳定的情况,所以系统无稳态误差。
2.Simulink 搭建未加控制器的原系统(不考虑扰动)。
sys=tf(50,[1 80 2500 50]); t=0:0.1:1000;step(sys,t)分析：上图为输入为单位阶跃信号下的响应曲线，如图可以看出，其调整时间ts=196s ，而且超调量为0％。
故其实验结果，不符合要求。
对于系统的时域分析，系统是不稳定的，而且当输入单位阶跃信号时响应不满足题目要求。
因此要添加控制器来满足要求。
五．控制设计一.使用PID控制器进行参数整定在simulink 上绘制出加入PID 控制器的系统上图为添加PID 控制器后的实验原理图（未接扰动）2. 由理论知识可知：当增加积分参数Ti 时，系统的超调量减小；当Td减小，使得调整时间变短。
3.先只改变比例环节的系数。
通过相应调P的参数，不断尝试P的取值使得输出稳定，找到最佳参数。
上图为比例环节的系统（已添加扰动）分析：仅在比例环节下作1.4用，超调量为2.76%, 调节时间为8.31s。
调整时间过大，与实验要求不符合，故继续进行下一步的调节。
在加入积分环节，当增加积分参数Ti时，系统的超调量减小分析：Kp越小，其超调量越大，通过多次调节, 得出以上结果。
最后加入微分环节，当Td减小，使得上图为比例积分环节的系统（已添加扰动）调整时间变短上图为PID 控制系统(已添加扰动)分析：通过PID 控制系统的调试，最终得出超调量为5.86%，调整时间为1.9s 。
具体的数值求法运用程序(见下)g=tf(50,[1 80 2500 50])kp=500Ti=1Td=0.1length(Td)gc=tf(kp*[1.1*Td*Ti Ti+0.1*Td 1],[0.1*Td*Ti Ti 0])ggc=feedback(gc*g,1)step(ggc)hold on ；grid on ；end其中kp=500 ; Ti=1 ; Td=0.1故最终通过PID控制系统的设计完成了实验目的，实验成功通过不断的取数和测试最终得到以下结果。
分析：通过对系统快速性的调整, 使得系统满足实验要求船舶航向的自动操舵控制一•船舶自动操舵仪背景船舶操纵的自动舵[1〜2]是船舶系统中一个不可缺少的重要设备。
20世纪20年代,美国的Sper2ry和德国的Ansuchz在陀螺罗径研制工作取得实质性进展后分别独立研制出机械式自动舵，它的出现是一个里程碑，它使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望，这种自动舵称为第一代。
20世纪50年代，随着电子学和伺服机构理论的发展及应用，集控制技术和电子器件的发展成果于一体的更加复杂的第二代自动舵问世了，这就是著名的PID舵。
到了60年代末，由于自适应理论和计算机技术得到了发展，人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能，瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验 室装到实船上，继而正式形成了第三代自动舵。
从 80年代开始，人们就开始寻找 类似于人工操舵的方法，这种自动舵就是第四代的智能舵。
智能舵的控制方法有 3种,即专家系统、模糊控制和神经网络控制。
随着全球定位系统等先进导航设 备在船舶上装备，人们开始设计精确的航迹控制自动舵，这种自动舵能把船舶控 制在给定的计划航线上。
二•控制对象建模1.实践课题船舶航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，船舶本身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3，会在引起船只在参考方向发生某一固定的偏转书，-k(1 T3*s )(1 T1*s)*(1 T2*s)。
传递函数有一个负号，这是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。
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1：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 61.325*10 (s 0.028)试设计一个控制器Gc(s)代替原来的比例控制器，使得控制系统的性能指标满足 要求：超调量小于5%调整时间小于275s.2.建模：以看出，传递函数中存在一个右半平面的极点， 可以得知该系统是不稳定的。
结 合实际情况可以得出原因，就是在大多数情况下，船舶航行的航向都是不稳定的。
这意味着，如果船舶以直线航行，并把出船舵固定在对应的位置，那么航向最终 会发生偏离。
因为他们之间是由方程可由Nomot o 方程表示:G p (s)s(s 0.091)(s 0.042)(s 0.00041),罗盘(传感器)的参数为1。
要求:鮭兀•弊工与不稳定性相关的时间常数是非常大的，所以就需要一个人在发生航向偏差因此，为了这个极点，小组内讨论得出一个结论，就是在这个修改控制系统得出如下控制系统图2：图2修改后的控制器三•控制对象特性分析当船舶偏航以后，将船舶转回原航向所需时间较长，在航向自动控制系统中引入微分控制，保证偏舵速度与偏舵角，从而能较好的克服船舶惯性，提高航向精度。
只要调整微分系数Td可实现对船舶回航快速性的调整；船舶航行时，由于受到风、流合力的作用，或船舶装载的不对称性等因素形成一舷持续力矩，使船舶偏航。
此时偏航角很小，在航角灵敏度内，但这种很小的偏差角会引起偏航。
为此自动舵设置一个积分环节，依靠偏航角的积累值，自动的使舵叶从船首尾线偏转一个角度，从而产生一个恒定的转船力矩，恰好抵消外界的恒定持续力矩的作用，这就是积分环节，适当调节Ti即可解决偏航问题四.PID控制策略的确定与实现1. 确定内反馈K2的值：n仁[1];d1=[1,0.091];G0仁tf( n1,d1) z=[-0.028];p=[-0.042,0.00041];k=1.325e-006;[ nm1,dm1]=zp2tf(z,p,k) G02=tf( nm1,dm1)G03=series(G01,G02); k2=1000:1000:5000 for i=1:le ngth(k2)G04=feedback(G03,k2(i))n2=1;d2=[1 0];G05=tf( n2,d2);G06=series(G04,G05);k=20;G07=series(G06,k);G08=feedback(G07,1);step(G08);grid on;hold on;end legend('k2=1000','k2=2000','k2=3000','k2=4000','k2=5000')------------ k2-1000 -k2=2000------------ k2=3OOQ------------- k2=4OOD--------------- k2-500050010001500Time图3不同K2值的阶跃响应曲线分析：K2的值越大越利于系统的稳定2. 调试K2=1000的系统：1) 比例控制：根据衰减震荡法的基本思路，首先控制积分环节和微分环节不发生作用，单独调整比例参数，直到出现4:1衰减比得kp=48n1=[1];d 仁[1,0.091];G0仁tf( n1,d1)z=[-0.028];p=[-0.042,0.00041];k=1.325e-006;[n m1,dm1]=zp2tf(z,p,k)G02=tf( nm1,dm1)G03=series(G01,G02);G04=feedback(G03,1000)n2=1;d2=[1 0];G05=tf( n2,d2);G06=series(G04,G05);kp=48;G07=series(G06,kp)；G08=feedback(G07,1);step(G08);grid on;hold on;Step20040CIBOO £001000Time i^ecl图4衰减比为4: 1的衰减曲线分析：Kp=48 , Tk=286s2) PID:Kp=60,ti=85.8;td=28.6z=[-0.028];p=[-0.042,-0.091,0.00041];k=1.325e-006; [n m1,dm1]=zp2tf(z,p,k); G01=tf( nm1,dm1); %Gp(s) G02=feedback(G01,1000); n2=1;d2=[1 0]; G03=tf( n2,d2);G04=series(G02,G03); % 右半部分 n3=1;d3=[85.8 0]; %PID 控制 G05=tf( n3,d3);n4=[28.6 0];d4=[2.86 1]; G06=tf( n4,d4);G07=parallel(G05,G06); G08=parallel(G07,60); G09=series(G08,G04); G10=feedback(G09,1); step(G10)q.8£Q Q tjprsdlwSystem ： CC3 Peak smpliude: 1 55 OvErshcat (%): 55.3 At tim« 1 =39百.20System: G03 Tirre fsec); 425 Amplitude: 1.14图5 PID控制的响应分析：此时超调量和调整时间还不满足要求，反复调节各参数，很难符合要求所以跟换了K2的数值，改为5000K2=5OO03) 调节参数：Kp:z=[-0.028];p=[-0.042,-0.091,0.00041];k=1.325e-006;[n m1,dm1]=zp2tf(z,p,k);G01=tf( nm1,dm1); %Gp(s)G02=feedback(G01,1000);n2=1;d2=[1 0];G03=tf( n2,d2);G04=series(G02,G03); % 右半部分n3=1;d3=[85.8 0]; %PID 控制G05=tf( n3,d3);n4=[28.6 0];d4=[2.86 1];G06=tf( n4,d4);G07=parallel(G05,G06);k=20:20:90for i=1:le ngth(k)G08=parallel(G07,k(i));G09=series(G08,G04);G10=feedback(G09,1);figure(1)step(G10)hold onendlege nd('20','40','60','80')图7 K2=1000的最后调节结果图6调节PID 的比例范围响应曲线同样调节Ti 和Td得 Ti=355.8 , Td=1208.6, Kp=2(。
