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鱼雷自动控制系统第二版教学设计一、教学目的本教学设计旨在通过让学生了解鱼雷自动控制系统的基本原理和组成部分，培养学生对鱼雷自动控制系统的设计、实现和运维能力。
教学内容涵盖鱼雷自动控制系统的软件和硬件实现，以及鱼雷自动控制算法的设计和优化。
二、教学内容1. 鱼雷自动控制系统概述讲解鱼雷自动控制系统的基本原理和组成部分，其中包括传感器、执行器、控制板和算法等。
2. 传感器和执行器介绍鱼雷自动控制系统中常用的传感器和执行器，如水声定位仪、陀螺仪、加速度计以及鱼雷发射器等。
3. 控制板和程序设计讲解鱼雷自动控制系统中的控制板和程序设计，其中包括单片机的选择、程序设计的基本框架以及编程语言等。
4. 鱼雷自动控制算法介绍鱼雷自动控制算法的基本原理和实现方式，其中包括PID控制和滤波算法等。
5. 鱼雷自动控制系统的实现和优化实现鱼雷自动控制系统，并对其进行优化和测试。
三、教学方法本课程采用“讲授 + 实践”相结合的教学方式。
讲授部分教师采用PPT展示，同时结合实际的案例进行讲解，以便让学生更加深入地了解系统的实现过程；实践部分采用课程作业加实验的形式进行，让学生自行设计、实现和调试鱼雷自动控制系统。
四、考核方式本课程的考核方式采用课堂成绩和课程作业加实验成绩的综合评估方式。
课堂成绩占总成绩的40%，课程作业加实验成绩占总成绩的60%。
其中，课程作业占40%，实验成绩占20%。
五、参考资料•《控制工程设计基础》•《现代控制理论与应用》•《基础电子技术》•《计算机程序设计》六、总结通过本次鱼雷自动控制系统的教学，学生可以掌握设计、实现和运维鱼雷自动控制系统的能力，也可以了解到传感器、执行器、控制板和算法等各方面的知识。
希望本教学设计能够帮助学生更好地了解鱼雷自动控制系统的实现过程，并在各自领域得到更深入的发展。
本科毕业设计论文题目采用超前/滞后补偿方案某型鱼雷航向控制系统设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间毕业一．题目采用超前/滞后补偿方案某型鱼雷航向控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和理论加深理解，掌握控制系统设计的基本方法，培养独立开展设计工作的能力。
要求在毕业设计中：1．了解鱼雷航向运动的特征及对控制系统的要求，使用MATLAB软件设计采用超前/滞后补偿方案的某型鱼雷航向控制系统；2．开展控制系统方案论证，建立系统数学模型，使用MATLAB软件进行鱼雷航向控制系统分析；3．设计控制规律，进行参数计算和选择；4．进行数学仿真，验证设计；5．撰写毕业设计论文。
三、主要技术指标1、相稳定裕度Pm≥45°2、超调 ＜25%3、过渡过程时间t≤2ss4、无静差。
四、进度和要求1. 1-3周：收集查阅资料；2. 4-6周：完成总体方案设计和建模；3. 7-8周：完成系统分析和控制规律设计；4. 9-11周：完成仿真验证及修改；5. 12-13周：完成毕业设计论文.五、主要参考书及参考资料[1]徐德民，吴旭光.鱼雷自动控制系统.西北工业大学出版社，2001（10）.[2]徐德民，严卫生.鱼类控制系统计算机辅助分析设计与仿真.西北工业大学出版社，2000（5）.[3]薛定宇.陈阳泉等.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用.清华大学出版社，2008.[4]王正林，王胜开，陈国顺.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社，2005(5).[5]石秀华，王晓娟.水中兵器概论(鱼雷分册). 西北工业大学出版社，2005（1）.[6]薛定宇, 陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用. 清华大学出版社2002（4）.[7]孟庆玉, 张静远, 宋保维. 鱼雷作战效能分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.[8] 沈哲. 鱼雷引信与战斗部技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.[9]高立娥,康凤举,张金涛,车妍琳.基于Simulink的鱼雷控制系统仿真 [期刊论文] -计算机仿真,2005(02).[10]詹致祥, 陈景熙. 鱼雷航行力学[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1990.学生指导教师系主任摘要鱼雷是一种能在水中自主推进、自动控制和自行引导的水下航行器，具有速度快、航程远、隐蔽性好、命中率高等特点。
鱼雷自动控制系统试卷1一、概念题（每小题5分；共30） 1、鱼雷弹道的袋形深度 2、小扰动线性化 3、自由角 4、横舵管制 5、半实物仿真实验 6、捷联式惯导系统二、简答题（每小题6分，共30分）1、对没有横滚控制的鱼雷，试述鱼雷总统设计时重心侧移和重心下移的作用。
2、为了减小回旋横滚，往往将直鳍舵设计成什么样子？解释这种设计对回旋横滚的作用。
3、绘制鱼雷自动控制系统原理框图。
4、铰链力矩指什么？有什么作用？5、简述回旋运动对深度误差的影响。
三、控制系统的状态方程为（20分）⎪⎩⎪⎨⎧=+=•CXY bUAX X 其中，⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=1210061000A ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=001b ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=321x x x X []001=C试用极点配置方法，确定反馈增益矩阵[]321k k k K =，使闭环系统的特征值为2*1-=λ，j +-=1*2λ，j --=1*3λ 四、鱼雷横滚控制系统如下图所示：（20分）图中，鱼雷横滚控制系统的开环传递函数为])[()1()(0441212001v A s J s s k v A k s G mx x mx ωδδλ+++= 试用渐近稳定频域判据,求该非线性系统的渐近稳定条件。
答案一、概念题（每小题5分；共30）1、答：指鱼雷发射后的航行过程中跳离水面的现象。
一般是不允许鱼雷跳水的，因为跳水不仅破坏了鱼雷的隐蔽性，而且也会影响某些部件工作可靠性。
2、在小扰动条件下，在“工作点”附近略去高阶小量，将物理过程的非线性关系简化为线性关系。
3、自由角指为了使鱼雷在设定深度上航行，必须保持平衡，可在鱼雷发射之前预先将横舵转动一个角度，这个预先设定的横舵角习惯上称为自由角。
4、管制指在鱼雷初始航行阶段，将横舵锁定在某一范围或一定的角度上。
5、所谓半实物仿真，就是将系统的一部分用实际装置，另一部分用数学模型在计算机省运行，并用适当的实验设备将实际装置于计算机连接起来。
在鱼雷控制系统的半实物仿真实验中，一般控制装置采用实物，鱼雷运动的动力学特性采用失效模型在计算机上运行，再用运动模拟转台和深度伺服系统将两者连接起来。
6、捷联式惯性导航系统是一个信息处理系统，就是把鱼雷上安装的惯性仪表所测量的鱼雷运动信息，经过计算机处理成所需要的导航和控制信息。
计算的内容和要求，根据捷联惯导的应用和功能要求的不同而有很大的差别。
二、简答题（每小题6分，共30分）1、答：重心侧移是双桨失衡的补偿措施，使重心侧移对纵轴的力矩抵消失衡力矩；重心下移是为了增加鱼雷直航时的横滚稳定性，从而消除扰动所产生的横滚，但重心下移导致了回旋横滚。
2、答：设计成垂直鳍上小下大，垂直舵是上大下小。
在鱼雷做回旋运动时，直鳍受到的流体动力指向回旋的方向，上小下大的直鳍受到的力矩与横滚力矩相反，而由于回旋是由于打舵产生的，直舵产生的流体动力与回旋方向相反，上大下小的舵受到的力矩也与横滚力矩相反。
3、4、作用于舵面上的流体动力相对于舵面铰链轴的力矩通常称为铰链力矩。
鱼雷的舵面是由舵机进行操纵的，为了计算舵的强度和确定操纵鱼雷运动时舵机所应给出的力，需知道作用于舵面上的力和力矩。
5、当鱼雷在水面内作回旋运动时，会产生水平方向的离心力作用在鱼雷上，当存在直航横倾时，这一惯性力并不垂直于直鳍平面。
因此，其沿鱼雷立轴方向的分力方向向下，因此，破坏了无横倾时的平衡状态，使平衡攻角和平衡舵角都发生了变换。
平衡舵角是由深控装置和设定的自由角给出的，而且自由角是在发射前预先设定的。
设定时无法估计横滚角的确切值，一般只能按照无横滚情况设定。
于是，当存在横滚角时，鱼雷就不能保持在设定深度上稳定航行。
对于装有惯性深控装置的鱼雷作水平回旋运动时，还可通过惯性深控装置的“耦合”使侧向运动对纵向运动产生影响而导致回旋过深。
三、（20分）判断系统是否可控，即判断n b A AB Brank n =-][1 是否成立，结果是系统可控，故满足可配置条件。
现计算系统的特征多项式：s s s s s sA sI 7218121006100det )det(23++=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-+-=-进而计算∏=++=++-++=-=3123**7218)1)(1)(2()()(i i s s s j s j s s s s a λ 于是，可求得[]14664][2*21*10*0--=---=a a a a a a k再来技术变换阵[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=-00101121187211872011800100101610010100121221a a a b Ab bA P ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=1441811210100P[][]122018614144181121010014664--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----==P k k于是，140-=k ，1861=k ，12202-=k四、（20分）由于开环传递函数为])[()1()(0441212001v A s J s s k v A k s G mx x mx ωδδλ+++= 根据继电控制系统的频域判据：第一条：如果0>n b 且11b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。
由于这里0=n b ，不符合条件。
第二条：如果0=n b ，01>-n b ，12/-->n n n b b a ，且12b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。
可得0)(4410>+λωx mx J v A 时闭环继电系统渐近稳定。
鱼雷自动控制系统试卷2一、填空题（每空1分，共39分）1．鱼雷的控制装置主要由、、、四个部分组成。
2．地面坐标系与雷体坐标系之间的位置可用、、三个角度来确定。
雷体坐标系和速度坐标系之间的位置可用、来确定。
地面坐标系和速度坐标系之间的位置可用、、三个角度来确定。
3．鱼雷所受的俯仰力矩与流体动力参数、、有关。
4．鱼雷空间一般运动方程组由、、三部分组成。
鱼雷空间一般运动方程组简化的常用方法是和。
5．在总体设计时，对于没有横滚控制的鱼雷，为了补偿双螺旋桨产生的失衡力矩，可采用的措施；为了增加鱼雷直航时的横滚稳定性，可采用的措施；为了减小回旋横滚，还采用了垂直鳍舵不对称配置。
这种配置方式是垂直鳍，垂直舵是，前者可以直航横滚角，回旋横滚角；后者可以直航横滚角，回旋横滚角。
6．测量鱼雷的姿态可用自由度陀螺仪，它主要利用陀螺的特性；测量鱼雷转动的角速度可用自由度陀螺仪，它主要利用陀螺的特性。
7．舵机按操舵的功用可分为：、、；按采用的能源可分为：电动舵机、和。
电动舵机的伺服功率放大器一般由和两部分组成。
二、简答题（每小题6分，共24分）1、解释鱼雷弹道的袋形深度的概念；2、鱼雷为什么要设定自由角？3、说明横滚对鱼雷航行的影响。
4、鱼雷的深度控制系统中，深度调节系数y c 和纵倾调节系数θc 对系统稳定性有什么样的影响？三、控制系统传递函数为（19分）)2)(1(10)()(++=s s s s U s Y 试用极点配置方法，确定反馈增益矩阵[]321k k k K =，使闭环系统的特征值为2*1-=λ，j +-=1*2λ，j --=1*3λ四、鱼雷航向控制系统如下图所示：（18分）图中，鱼雷航向控制系统的开环传递函数为)1)(1()1()(43+++=s T s T s s k s G ψψψτ试用渐近稳定频域判据,求该非线性系统的渐近稳定条件。
答案一、填空题（每空1分，共38分）1．设定和/或指令装置；敏感元件；信息处理器；伺服机构2．俯仰角θ；偏航角ψ；横滚角ϕ；攻角α；侧滑角β；弹道倾角Θ；弹道偏角ψ；倾斜角Φ3．鱼雷的速度v ；攻角α；横舵偏角e δ4．鱼雷运动学方程；鱼雷动力学方程；几何学方程；线性化；分组 5．重心侧移；重心下移；上小下大；上大下小；增大；减小；减小；减小 6．双；定轴；单；进动7．横舵机；直舵机；差动舵机；气动舵机；液压舵机；功率放大器；伺服电动机二、简答题（每小题6分，共24分）1、指鱼雷发射后形成的袋形弹道的最大深度，水上发射时，袋形深度指从水面到鱼雷最大下潜深度的距离，水下发射时，袋形深度指发射重心线到鱼雷最大下潜深度的距离。
2、自由角指为了使鱼雷在设定深度上航行，必须保持平衡，可在鱼雷发射之前预先将横舵转动一个角度，这个预先设定的横舵角习惯上称为自由角。
由于加入自由角后，当鱼雷在设定深度上航行时，其攻角和舵角分别等于平衡攻角和平衡舵角，所以消除了深度偏差。
3、横倾角的存在引起航行偏差，航行偏差随横倾角的增大而增大；横倾角的存在将使鱼雷左右回旋时回旋半径不对称，回旋半径不对称性随直航横倾的增大而增大；横倾的存在将导致自导系统作用距离减小。
4、y c 过大，纵倾调节作用相对于深度条件作用就可以忽略不计，会使系统稳定性变坏；y c 过小，鱼雷受到扰动之后，其运动可能是稳定的，但却不能恢复到原来的定深线上，而是稳定在一个新的深度上航行，深度偏差的值取决于初始条件，因此y c 不能太大，也不能太小。
θc 过大，纵倾调节作用所占的比重增加，深度调节作用相对纵倾调节作用非常小，可忽略不计，系统变得不稳定。
θc 过小，纵倾调节系统的开环传递函数特征根在右半S 平面，系统也不稳定，因此θc 不能太大，也不能太小。
三、（20分）由于在传递函数中没有零极点对消现象，所以该单输入－单输出系统是完全可控和完全可观测的。
其可控标准形实现为u x x x x x x⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡100320100010321321 反馈向量k 可写成[]21k k k k =闭环系统的特征方程为()()02301223=+++++k k k λλλ 按给定极点，系统的特征方程应为0464)1)(1)(2(23=+++=-++++λλλλλλj j令上面两式中λ的同次项的系数相等，可得40=k ，41=k ，12=k四、（18分）由于开环传递函数为)1)(1()1()(43+++=s T s T s s k s G ψψψτ根据继电控制系统地频域判据：第一条：如果0>n b 且11b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。
由于这里0=n b ，不符合条件。
第二条：如果0=n b ，01>-n b ，12/-->n n n b b a ，且12b s b n n ++- 的零点有负实部，则系统渐近稳定。
可得如果ψτ<+)/(4343T T T T ，则闭环继电控制系统是渐近稳定的。
鱼雷自动控制系统试卷3一、填空题（每空1分，共30分）1．鱼雷的弹道包括 、 、 、 、 、 六个阶段。
