1、課題設計水下推進器控制系統設計指導老師：薛志斌學生：羅才寶2013年6月14日 立題背景、意義和來源 在壓力巨大、競爭激烈、國際環境復雜的在壓力巨大、競爭激烈、國際環境復雜的21世紀，世紀，特別是面對人口、資源、環境三大方面的難題，海洋特別是面對人口、資源、環境三大方面的難題，海洋已成為人類生存和發展的重要領域，人類迫切需要向已成為人類生存和發展的重要領域，人類迫切需要向海洋進軍。目前，世界諸多國家面臨的不僅是保衛自海洋進軍。目前，世界諸多國家面臨的不僅是保衛自己的領海，更重要的是怎樣開發和利用海洋資源。可己的領海，更重要的是怎樣開發和利用海洋資源。可由于人體自身不能長時間在水下生活或作業的限

2、制，由于人體自身不能長時間在水下生活或作業的限制，就不得不依靠相關航行器來拓展人類在海洋中的活動就不得不依靠相關航行器來拓展人類在海洋中的活動能力進而開發、索取海洋中可利用的資源。能力進而開發、索取海洋中可利用的資源。水下推進水下推進器是水中航行器穩定、安全、可靠運行的關鍵設備，器是水中航行器穩定、安全、可靠運行的關鍵設備，良好的水下推進器控制系統是航行器的機動性、航程、良好的水下推進器控制系統是航行器的機動性、航程、航速等相關性能的有力保證航速等相關性能的有力保證。水下推進器在軍事上的應用實例如圖1和2分別為水下推進器應用于軍事方面的資料圖：圖圖1 潛艇應用于海上戰斗潛艇應用于海上戰斗圖圖2

3、 亮相北京的海豹亮相北京的海豹突擊隊水下推進器突擊隊水下推進器 設計主要內容n第一部分：水下推進器機構設計；n第二部分：水下推進器控制系統設計；n第三部分：水下推進器控制系統模糊 PID自適應控制； n第四部分：基于Simulink的模糊PID自 適應控制的建模與仿真。 第一部分：水下推進器基本機構設計螺旋槳推進器：螺旋槳推進器： 設計研究的是全方位水下推進器，對于螺旋槳推進器的設計設計研究的是全方位水下推進器，對于螺旋槳推進器的設計理論本身是非常復雜的，在此就不詳述了，這里只給出機構的簡理論本身是非常復雜的，在此就不詳述了，這里只給出機構的簡圖如圖圖如圖3 3所示：所示： 圖圖3 3 全方位

4、水下推進器機構模型圖全方位水下推進器機構模型圖第二部分：水下推進器控制系統設計水下推進器控制系統的框架設計進器控制系統的框架設計：轉轉速速調調節節器器信信息息處處理理智智能能單單元元導入導入螺距螺距主主 軸軸合力矩合力矩 圖圖4 4 水下螺旋槳推進器控制系統簡圖水下螺旋槳推進器控制系統簡圖艏部螺旋槳全方位推進器控制系統艏部螺旋槳全方位推進器控制系統第二部分：水下推進器控制系統設計第三部分：水下推進器控制系統 的模糊PID自適應控制 1 1、模糊、模糊PID參數自適應整定控制器的結構：參數自適應整定控制器的結構：如圖如圖5 5所示為模糊所示為模糊PID參數自適應整定控制器原理參數自適應整定控制器

5、原理結構框圖：結構框圖： r rin in + - - e eececy youtoutKKp pKKi iKKd d 圖圖5 5 模糊模糊PID參數自適應整定控制器原理結構圖參數自適應整定控制器原理結構圖第三部分：水下推進器控制系統 的模糊PID自適應控制 2 2、模糊、模糊PID控制的算法：控制的算法：設定模糊設定模糊PID控制參數控制參數Kp p、Ki i、Kd d的整定算式如下：的整定算式如下：pppiiidddkkkkkkkkk 第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 1、模糊控制器的編輯：（1 1）進入）進入FISFIS編輯器編輯器。圖圖6 6 模糊邏輯

6、編輯器編輯界面模糊邏輯編輯器編輯界面第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 （2 2）進入隸屬度函數編輯器。）進入隸屬度函數編輯器。E E、EC的隸屬函數分布曲線和量化區間分別如圖的隸屬函數分布曲線和量化區間分別如圖7 7、圖、圖8 8所示：所示： 圖圖7 7 E隸屬函數分布曲線和量化區間隸屬函數分布曲線和量化區間第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 圖圖8 EC8 EC隸屬函數分布曲線和量化區間隸屬函數分布曲線和量化區間第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 （3）進入規則編輯器。）進入規則編輯器。 圖圖9

7、 9 模糊控制規則編輯器模糊控制規則編輯器第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 2 2、常規、常規PIDPID控制系統控制系統SimulinkSimulink模型的建立與仿真：模型的建立與仿真： 針對被控對象針對被控對象G（s）建立常規）建立常規PID控制系統的階躍響應模型控制系統的階躍響應模型。圖圖1010 常規常規PID控制系統模型控制系統模型第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 常規常規PID控制器對控制對象的速度跟蹤仿真結果如圖控制器對控制對象的速度跟蹤仿真結果如圖11所所示：示：仿真時間time(s)轉速n(r/min)常規

8、PID控制 圖圖11 11 常規常規PID控制系統階躍響應結果控制系統階躍響應結果第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 3 3、模糊控制系統、模糊控制系統Simulink模型的建立與仿真：模型的建立與仿真：針對被控對象針對被控對象G（s）建立模糊控制系統的階躍響應模型。）建立模糊控制系統的階躍響應模型。 圖圖1212 模糊控制系統仿真模型模糊控制系統仿真模型第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 調整好模糊控制器對應參數后，啟動模糊控制器，調整好模糊控制器對應參數后，啟動模糊控制器，并調用模糊控制規則進行仿真，得到的控制對象的速度并調用

9、模糊控制規則進行仿真，得到的控制對象的速度跟蹤仿真結果如圖跟蹤仿真結果如圖1313所示。所示。012P4567891 002 0 04 0 060 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 60 0仿真時間time(s)轉速n(r/min)模糊控制 圖圖1313 模糊控制系統速度階躍響應跟蹤結果模糊控制系統速度階躍響應跟蹤結果第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 4 4、模糊、模糊PID自適應控制系統自適應控制系統Simulink模型的建立與仿真：模型的建立與仿真： 針對被控對象針對被控對象G（s）建立模糊）建立模糊PIDPID參數自適應整定的參數

10、自適應整定的階躍響應控制系統模型如圖階躍響應控制系統模型如圖1313所示。所示。533440s +140s +4000s+800327ransfer Fcn6tep6copeProductKpKiKd1sIntegrator-K-Gain51Gain4-K-Gain31Gain2-K-Gain1-K-GainFuzzy Logic Controllerdu/dtDerivative1du/dtDerivativeAdd1 圖圖1414 模糊模糊PID參數自適應整定控制系參數自適應整定控制系統統第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 得到的控制對象的速度跟蹤仿真結果如

11、圖得到的控制對象的速度跟蹤仿真結果如圖1414所示：所示：012P4567891 002 0 04 0 060 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 60 0仿真時間time(s)轉速n(r/min)模糊PID參數自適應整定控制圖圖1515 模糊模糊PID參數自適應控制系統速度階躍響應跟蹤結果參數自適應控制系統速度階躍響應跟蹤結果 三種控制器的速度跟蹤階躍響應結果比較及分析：三種控制器的速度跟蹤階躍響應結果比較及分析：第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 由圖由圖1111、1313和和1 15可以得出模糊控制器與常規可以得出模糊控制器與常規PI

12、D控制控制器的控制效果相比較而言，超調量更小，并且調節時間器的控制效果相比較而言，超調量更小，并且調節時間更短，系統的穩定性和快速性要好。可就控制的準確性更短，系統的穩定性和快速性要好。可就控制的準確性而言，而言，PID控制的效果要好。模糊控制的效果要好。模糊PID參數自適應整定參數自適應整定控制器克服了模糊控制準確性不高和常規控制器克服了模糊控制準確性不高和常規PID控制超調控制超調量大、快速性差的不足之處，結合二者優點在超調量和量大、快速性差的不足之處，結合二者優點在超調量和調節時間上的控制效果均要比其他兩種控制器的控制效調節時間上的控制效果均要比其他兩種控制器的控制效果好，并且系統更趨平

13、穩，即模糊果好，并且系統更趨平穩，即模糊PID參數自適應整定參數自適應整定控制實現了控制系統穩、準、快三項基本性能，能滿足控制實現了控制系統穩、準、快三項基本性能，能滿足控制要求。控制要求。 模糊模糊PID參數自適應整定控制能進行參數參數自適應整定控制能進行參數自適應調節，從仿真結果曲線圖很容易看出，自適應調節，從仿真結果曲線圖很容易看出，模糊模糊PID自適應控制系統反應靈敏，動作迅自適應控制系統反應靈敏，動作迅速，調節精度提高了，魯棒性也較好，這是速，調節精度提高了，魯棒性也較好，這是常規常規PID控制難以實現的，它的一個很重要控制難以實現的，它的一個很重要的特點就是系統的過渡過程明顯變短，

14、這在的特點就是系統的過渡過程明顯變短，這在實際控制過程中將有重大的意義。實際控制過程中將有重大的意義。 第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應控制的建模與仿真 設計課題水下推進器控制系統設計仿真感悟： 在在Simulink仿真實驗過程中發現，模糊仿真實驗過程中發現，模糊PID參參數自適應整定控制系統中的參數數自適應整定控制系統中的參數Kp p、Ki i、Kd d對系對系統控制效果影響很大，必須要恰當選擇這統控制效果影響很大，必須要恰當選擇這3個參數個參數的論域才能得到良好的控制特性。另外，模糊控的論域才能得到良好的控制特性。另外，模糊控制規則對模糊制規則對模糊PID自適應控制系統中

15、的參數影響自適應控制系統中的參數影響較大，這將直接影響系統的控制效果，應對模糊較大，這將直接影響系統的控制效果，應對模糊控制器的控制器的FIS規則語句的權值和控制規則表作做恰規則語句的權值和控制規則表作做恰當的選擇。當的選擇。設計創新點：設計創新點： 設計課題水下推進器控制系統設計 設計中較全面地分析和比較了模擬設計中較全面地分析和比較了模擬PIDPID和數字和數字PID控控制方法，分別就常規制方法，分別就常規PIDPID控制，模糊控制和模糊控制，模糊控制和模糊PID參數參數自適應整定控制進行了自適應整定控制進行了MATLAB建模與仿真驗證，并詳建模與仿真驗證，并詳細介紹了細介紹了Simulink模糊控制器模塊的編輯。其中，模糊模糊控制器模塊的編輯。其中，模糊PID參數