毕业设计论文(水下推进器控制系统设计)罗才宝--PPT课件.ppt

课题设计水下推进器控制系统设计指导老师：薛志斌学生：罗才宝2013年6月14日 立题背景、意义和来源 在在压压力巨大、力巨大、竞竞争激烈、国争激烈、国际环际环境复境复杂杂的的21世世纪纪，特特别别是面是面对对人口、人口、资资源、源、环环境三大方面的境三大方面的难题难题，海洋，海洋已成已成为为人人类类生存和生存和发发展的重要展的重要领领域，人域，人类类迫切需要向迫切需要向海洋海洋进军进军。目前，世界。目前，世界诸诸多国家面多国家面临临的不的不仅仅是保是保卫卫自自己的己的领领海，更重要的海，更重要的是是怎怎样样开开发发和利用海洋和利用海洋资资源。可源。可由于人体自身不能由于人体自身不能长时间长时间在水下生活或作在水下生活或作业业的限制，的限制，就不得不依靠相关航行器来拓展人就不得不依靠相关航行器来拓展人类类在海洋中的活在海洋中的活动动能力能力进进而开而开发发、索取海洋中可利用的、索取海洋中可利用的资资源。源。水下推水下推进进器是器是水中水中航行器航行器稳稳定、安全、可靠运行的关定、安全、可靠运行的关键设备键设备，良好的水下推良好的水下推进进器控制系器控制系统统是航行器的机是航行器的机动动性、航程、性、航程、航速等相关性能的有力保航速等相关性能的有力保证证。水下推进器在军事上的应用实例如图1和2分别为水下推进器应用于军事方面的资料图：图图1 潜艇潜艇应应用于海上用于海上战战斗斗图2 亮相北京的海豹亮相北京的海豹突突击队水下推水下推进器器 设计主要内容n第一部分：水下推进器机构设计；n第二部分：水下推进器控制系统设计；n第三部分：水下推进器控制系统模糊 PID自适应控制；n第四部分：基于Simulink的模糊PID自 适应控制的建模与仿真。第一部分：水下推进器基本机构设计螺旋螺旋桨推推进进器器：设计设计研究的是全方位水下推研究的是全方位水下推进进器，器，对对于螺旋于螺旋桨桨推推进进器的器的设计设计理理论论本身是非常复本身是非常复杂杂的，在此就不的，在此就不详详述了述了，这这里只里只给给出机构出机构的的简简图图如如图图3 3所示：所示：液液压压缸缸连连接杆接杆外外侧转盘侧转盘内内侧转盘侧转盘推推进进器器轴轴叶片叶片变变速杆速杆 图图3 3 全方位水下推全方位水下推进进器机构模型器机构模型图图第二部分：水下推进器控制系统设计水下推进进器控制系器控制系统统的框架的框架设计：液液压压伺服系伺服系统统1 1液液压压伺服系伺服系统统3 3运运动动转转盘盘机机械械传传动动艏艏部部电电流流调调节节器器功功放放装装置置电电机机控控制制机机构构电电机机减减速速器器 水水下下航航行行器器电电流流传传感器感器转转速速传传感器感器艉部螺旋艉部螺旋桨桨全方位推全方位推进进器控制系器控制系统统艉艉部部液液压压伺服系伺服系统统2 2转速速调节器器信信息息处理理智智能能单元元导入入螺距螺距主主 轴合力矩合力矩 图图4 4 水下螺旋水下螺旋桨桨推推进进器控制系器控制系统简图统简图艏部螺旋艏部螺旋桨全方位推全方位推进器控制系器控制系统第二部分：水下推进器控制系统设计第三部分：水下推进器控制系统 的模糊PID自适应控制 1 1、模糊模糊PID参数自适参数自适应应整定控制器的整定控制器的结结构构：如如图图5 5所示所示为为模糊模糊PID参数自适参数自适应应整定控制器原理整定控制器原理结结构框构框图图：PID控制器模糊推理模糊推理对对象象d/dtd/dt r rin in +-e eececy youtoutKKp pKKi iKKd d 图图5 5 模糊模糊PID参数自适参数自适应应整定控制器原理整定控制器原理结结构构图图第三部分：水下推进器控制系统 的模糊PID自适应控制 2 2、模糊模糊PID控制的算法控制的算法：设定模糊定模糊PID控制参数控制参数Kp p、Ki i、Kd d的整定算式如下：的整定算式如下：第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 1、模糊控制器的编辑：（1 1）进入入FISFIS编辑器器。图图6 6 模糊模糊逻辑编辑逻辑编辑器器编辑编辑界面界面第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 （2 2）进进入隶属度函数入隶属度函数编辑编辑器。器。E E、EC的隶属函数分布曲的隶属函数分布曲线线和量化区和量化区间间分分别别如如图图7 7、图8 8所示：所示：图图7 7 E隶属函数分布曲隶属函数分布曲线线和量化区和量化区间间第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 图8 8 ECEC隶属函数分布曲隶属函数分布曲线线和量化区和量化区间间第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 （3）进入入规则编辑器。器。图图9 9 模糊控制模糊控制规则编辑规则编辑器器第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 2 2、常常规规PIDPID控制系控制系统统SimulinkSimulink模型的建立与仿真模型的建立与仿真：针对针对被控被控对对象象G（s）建立常）建立常规规PID控制系控制系统统的的阶跃阶跃响响应应模型模型。图图1010 常常规规PID控制系控制系统统模型模型第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 常常规规PID控制器控制器对对控制控制对对象的速度跟踪仿真象的速度跟踪仿真结结果如果如图图11所所示：示：图图11 11 常常规规PID控制系控制系统阶跃统阶跃响响应结应结果果第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 3 3、模糊控制系模糊控制系统统Simulink模型的建立与仿真模型的建立与仿真：针对针对被控被控对对象象G（s）建立模糊控制系）建立模糊控制系统统的的阶跃阶跃响响应应模型模型。图图1212 模糊控制系模糊控制系统统仿真模型仿真模型第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 调调整好模糊控制器整好模糊控制器对应对应参数后，启参数后，启动动模糊控制器模糊控制器，并并调调用模糊控制用模糊控制规则进规则进行仿真，得到的控制行仿真，得到的控制对对象的速度象的速度跟踪仿真跟踪仿真结结果如果如图图1313所示。所示。图图1313 模糊控制系模糊控制系统统速度速度阶跃阶跃响响应应跟踪跟踪结结果果第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 4 4、模糊模糊PID自适自适应应控制系控制系统统Simulink模型的建立与仿真模型的建立与仿真：针对针对被控被控对对象象G（s）建立模糊）建立模糊PIDPID参数自适参数自适应应整定的整定的阶跃阶跃响响应应控制系控制系统统模型如模型如图图1313所示所示。图图1414 模糊模糊PID参数自适参数自适应应整定控制系整定控制系统统第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 得到的控制得到的控制对对象的速度跟踪仿真象的速度跟踪仿真结结果如果如图图1414所示所示：图图1515 模糊模糊PID参数自适参数自适应应控制系控制系统统速度速度阶跃阶跃响响应应跟踪跟踪结结果果 三种控制器的速度跟踪三种控制器的速度跟踪阶跃阶跃响响应结应结果比果比较较及分析及分析：第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 由由图图1111、1313和和1 15可以可以得得出模糊控制器与常出模糊控制器与常规规PID控制控制器的控制效果相比器的控制效果相比较较而言，超而言，超调调量更小，并且量更小，并且调节时间调节时间更短，系更短，系统统的的稳稳定性和快速性要好。可就控制的准确性定性和快速性要好。可就控制的准确性而言，而言，PID控制的效果要好。模糊控制的效果要好。模糊PID参数自适参数自适应应整定控整定控制器克服了模糊控制准确性不高和常制器克服了模糊控制准确性不高和常规规PID控制超控制超调调量量大、快速性差的不足之大、快速性差的不足之处处，结结合二者合二者优优点在超点在超调调量和量和调调节时间节时间上的控制效果均要比其他两种控制器的控制效果上的控制效果均要比其他两种控制器的控制效果好，并且系好，并且系统统更更趋趋平平稳稳，即模糊，即模糊PID参数自适参数自适应应整定控整定控制制实现实现了控制系了控制系统稳统稳、准、快三、准、快三项项基本性能，能基本性能，能满满足控足控制要求。制要求。模糊模糊PID参数自适参数自适应应整定控制能整定控制能进进行参数行参数自适自适应调节应调节，从仿真，从仿真结结果曲果曲线图线图很容易看出，很容易看出，模糊模糊PID自适自适应应控制系控制系统统反反应应灵敏，灵敏，动动作迅作迅速，速，调节调节精度提高了，精度提高了，鲁鲁棒性也棒性也较较好，好，这这是是常常规规PID控制控制难难以以实现实现的，它的一个很重要的，它的一个很重要的特点就是系的特点就是系统统的的过过渡渡过过程明程明显变显变短，短，这这在在实际实际控制控制过过程中将有重大的意程中将有重大的意义义。第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 设计课题水下推进器控制系统设计仿真感悟：在在Simulink仿真仿真实验过实验过程中程中发现发现，模糊，模糊PID参参数自适数自适应应整定控制系整定控制系统统中的参数中的参数Kp p、Ki i、Kd d对对系系统统控制效果影响很大，必控制效果影响很大，必须须要恰当要恰当选择这选择这3个参数个参数的的论论域才能得到良好的控制特性。另外，模糊控域才能得到良好的控制特性。另外，模糊控制制规则对规则对模糊模糊PID自适自适应应控制系控制系统统中的参数影响中的参数影响较较大，大，这这将直接影响系将直接影响系统统的控制效果，的控制效果，应对应对模糊控模糊控制器的制器的FIS规则语规则语句的句的权值权值和控制和控制规则规则表作做恰当表作做恰当的的选择选择。设计创设计创新点新点：设计课题水下推进器控制系统设计 设计设计中中较较全面地分析和比全面地分析和比较较了模了模拟拟PIDPID和数字和数字PID控控制方法，分制方法，分别别就常就常规规PIDPID控制，模糊控制和模糊控制，模糊控制和模糊PID参数参数自适自适应应整定控制整定控制进进行了行了MATLAB建模与仿真建模与仿真验证验证，并，并详详细细介介绍绍了了Simulink模糊控制器模模糊控制器模块块的的编辑编辑。其中，模糊。其中，模糊PID参数自适参数自适应应整定控制在参考文献整定控制在参考文献1212的基的基础础上上进进行行了改了改进进，比，比较较、分析仿真、分析仿真结结果可以得出果可以得出设计设计出的控制系出的控制系统统更能适更能适应应水下水下环环境的要求，境的要求，为为水下推水下推进进器控制系器控制系统统提提供了一套可以在供了一套可以在实际实际控制控制过过程中采用的控制方法或理程中采用的控制方法或理论论支持及研究支持及研究动动向。向。各位老师辛苦了！设计课题水下推进器控制系统设计恳请各位老师提问、指正！