優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì))羅才寶--PPT

1、課題設(shè)計(jì)水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：薛志斌學(xué)生：羅才寶2013年6月14日 立題背景、意義和來(lái)源 在壓力巨大、競(jìng)爭(zhēng)激烈、國(guó)際環(huán)境復(fù)雜的在壓力巨大、競(jìng)爭(zhēng)激烈、國(guó)際環(huán)境復(fù)雜的21世紀(jì)，世紀(jì)，特別是面對(duì)人口、資源、環(huán)境三大方面的難題，海洋特別是面對(duì)人口、資源、環(huán)境三大方面的難題，海洋已成為人類生存和發(fā)展的重要領(lǐng)域，人類迫切需要向已成為人類生存和發(fā)展的重要領(lǐng)域，人類迫切需要向海洋進(jìn)軍。目前，世界諸多國(guó)家面臨的不僅是保衛(wèi)自海洋進(jìn)軍。目前，世界諸多國(guó)家面臨的不僅是保衛(wèi)自己的領(lǐng)海，更重要的是怎樣開(kāi)發(fā)和利用海洋資源。可己的領(lǐng)海，更重要的是怎樣開(kāi)發(fā)和利用海洋資源。可由于人體自身不能長(zhǎng)時(shí)間在水下生活或作業(yè)的限

2、制，由于人體自身不能長(zhǎng)時(shí)間在水下生活或作業(yè)的限制，就不得不依靠相關(guān)航行器來(lái)拓展人類在海洋中的活動(dòng)就不得不依靠相關(guān)航行器來(lái)拓展人類在海洋中的活動(dòng)能力進(jìn)而開(kāi)發(fā)、索取海洋中可利用的資源。能力進(jìn)而開(kāi)發(fā)、索取海洋中可利用的資源。水下推進(jìn)水下推進(jìn)器是水中航行器穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，器是水中航行器穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，良好的水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)是航行器的機(jī)動(dòng)性、航程、良好的水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)是航行器的機(jī)動(dòng)性、航程、航速等相關(guān)性能的有力保證航速等相關(guān)性能的有力保證。水下推進(jìn)器在軍事上的應(yīng)用實(shí)例如圖1和2分別為水下推進(jìn)器應(yīng)用于軍事方面的資料圖：圖圖1 潛艇應(yīng)用于海上戰(zhàn)斗潛艇應(yīng)用于海上戰(zhàn)斗圖圖2

3、 亮相北京的海豹亮相北京的海豹突擊隊(duì)水下推進(jìn)器突擊隊(duì)水下推進(jìn)器 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容n第一部分：水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；n第二部分：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；n第三部分：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)模糊 PID自適應(yīng)控制； n第四部分：基于Simulink的模糊PID自 適應(yīng)控制的建模與仿真。 第一部分：水下推進(jìn)器基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)螺旋槳推進(jìn)器：螺旋槳推進(jìn)器： 設(shè)計(jì)研究的是全方位水下推進(jìn)器，對(duì)于螺旋槳推進(jìn)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)研究的是全方位水下推進(jìn)器，對(duì)于螺旋槳推進(jìn)器的設(shè)計(jì)理論本身是非常復(fù)雜的，在此就不詳述了，這里只給出機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)理論本身是非常復(fù)雜的，在此就不詳述了，這里只給出機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖如圖圖如圖3 3所示：所示： 圖圖3 3 全方位

4、水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)模型圖全方位水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)模型圖第二部分：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)進(jìn)器控制系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器信信息息處處理理智智能能單單元元導(dǎo)入導(dǎo)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(jìn)器控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖水下螺旋槳推進(jìn)器控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖艏部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)艏部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)第二部分：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三部分：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng) 的模糊PID自適應(yīng)控制 1 1、模糊、模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制器的結(jié)構(gòu)：參數(shù)自適應(yīng)整定控制器的結(jié)構(gòu)：如圖如圖5 5所示為模糊所示為模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制器原理參數(shù)自適應(yīng)整定控制器

5、原理結(jié)構(gòu)框圖：結(jié)構(gòu)框圖： r rin in + - - e eececy youtoutKKp pKKi iKKd d 圖圖5 5 模糊模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制器原理結(jié)構(gòu)圖參數(shù)自適應(yīng)整定控制器原理結(jié)構(gòu)圖第三部分：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng) 的模糊PID自適應(yīng)控制 2 2、模糊、模糊PID控制的算法：控制的算法：設(shè)定模糊設(shè)定模糊PID控制參數(shù)控制參數(shù)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(yīng)控制的建模與仿真 1、模糊控制器的編輯：（1 1）進(jìn)入）進(jìn)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(yīng)控制的建模與仿真 （2 2）進(jìn)入隸屬度函數(shù)編輯器。）進(jìn)入隸屬度函數(shù)編輯器。E E、EC的隸屬函數(shù)分布曲線和量化區(qū)間分別如圖的隸屬函數(shù)分布曲線和量化區(qū)間分別如圖7 7、圖、圖8 8所示：所示： 圖圖7 7 E隸屬函數(shù)分布曲線和量化區(qū)間隸屬函數(shù)分布曲線和量化區(qū)間第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 圖圖8 EC8 EC隸屬函數(shù)分布曲線和量化區(qū)間隸屬函數(shù)分布曲線和量化區(qū)間第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 （3）進(jìn)入規(guī)則編輯器。）進(jìn)入規(guī)則編輯器。 圖圖9

7、 9 模糊控制規(guī)則編輯器模糊控制規(guī)則編輯器第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 2 2、常規(guī)、常規(guī)PIDPID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)SimulinkSimulink模型的建立與仿真：模型的建立與仿真： 針對(duì)被控對(duì)象針對(duì)被控對(duì)象G（s）建立常規(guī)）建立常規(guī)PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)模型控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)模型。圖圖1010 常規(guī)常規(guī)PID控制系統(tǒng)模型控制系統(tǒng)模型第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 常規(guī)常規(guī)PID控制器對(duì)控制對(duì)象的速度跟蹤仿真結(jié)果如圖控制器對(duì)控制對(duì)象的速度跟蹤仿真結(jié)果如圖11所所示：示：仿真時(shí)間time(s)轉(zhuǎn)速n(r/min)常規(guī)

8、PID控制 圖圖11 11 常規(guī)常規(guī)PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 3 3、模糊控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)Simulink模型的建立與仿真：模型的建立與仿真：針對(duì)被控對(duì)象針對(duì)被控對(duì)象G（s）建立模糊控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)模型。）建立模糊控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)模型。 圖圖1212 模糊控制系統(tǒng)仿真模型模糊控制系統(tǒng)仿真模型第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 調(diào)整好模糊控制器對(duì)應(yīng)參數(shù)后，啟動(dòng)模糊控制器，調(diào)整好模糊控制器對(duì)應(yīng)參數(shù)后，啟動(dòng)模糊控制器，并調(diào)用模糊控制規(guī)則進(jìn)行仿真，得到的控制對(duì)象的速度并調(diào)用

9、模糊控制規(guī)則進(jìn)行仿真，得到的控制對(duì)象的速度跟蹤仿真結(jié)果如圖跟蹤仿真結(jié)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(shí)間time(s)轉(zhuǎn)速n(r/min)模糊控制 圖圖1313 模糊控制系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)跟蹤結(jié)果模糊控制系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)跟蹤結(jié)果第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 4 4、模糊、模糊PID自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)Simulink模型的建立與仿真：模型的建立與仿真： 針對(duì)被控對(duì)象針對(duì)被控對(duì)象G（s）建立模糊）建立模糊PIDPID參數(shù)自適應(yīng)整定的參數(shù)

10、自適應(yīng)整定的階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)模型如圖階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)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(shù)自適應(yīng)整定控制系參數(shù)自適應(yīng)整定控制系統(tǒng)統(tǒng)第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 得到的控制對(duì)象的速度跟蹤仿真結(jié)果如

11、圖得到的控制對(duì)象的速度跟蹤仿真結(jié)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(shí)間time(s)轉(zhuǎn)速n(r/min)模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制圖圖1515 模糊模糊PID參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)跟蹤結(jié)果參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)跟蹤結(jié)果 三種控制器的速度跟蹤階躍響應(yīng)結(jié)果比較及分析：三種控制器的速度跟蹤階躍響應(yīng)結(jié)果比較及分析：第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)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(guī)可以得出模糊控制器與常規(guī)PI

12、D控制控制器的控制效果相比較而言，超調(diào)量更小，并且調(diào)節(jié)時(shí)間器的控制效果相比較而言，超調(diào)量更小，并且調(diào)節(jié)時(shí)間更短，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性要好?？删涂刂频臏?zhǔn)確性更短，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性要好。可就控制的準(zhǔn)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(shù)自適應(yīng)整定參數(shù)自適應(yīng)整定控制器克服了模糊控制準(zhǔn)確性不高和常規(guī)控制器克服了模糊控制準(zhǔn)確性不高和常規(guī)PID控制超調(diào)控制超調(diào)量大、快速性差的不足之處，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)在超調(diào)量和量大、快速性差的不足之處，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)在超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間上的控制效果均要比其他兩種控制器的控制效調(diào)節(jié)時(shí)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(tǒng)更趨平

13、穩(wěn)，即模糊果好，并且系統(tǒng)更趨平穩(wěn)，即模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定參數(shù)自適應(yīng)整定控制實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快三項(xiàng)基本性能，能滿足控制實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快三項(xiàng)基本性能，能滿足控制要求。控制要求。 模糊模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制能進(jìn)行參數(shù)參數(shù)自適應(yīng)整定控制能進(jìn)行參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從仿真結(jié)果曲線圖很容易看出，自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從仿真結(jié)果曲線圖很容易看出，模糊模糊PID自適應(yīng)控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅自適應(yīng)控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速，調(diào)節(jié)精度提高了，魯棒性也較好，這是速，調(diào)節(jié)精度提高了，魯棒性也較好，這是常規(guī)常規(guī)PID控制難以實(shí)現(xiàn)的，它的一個(gè)很重要控制難以實(shí)現(xiàn)的，它的一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程明顯變短，

14、這在的特點(diǎn)就是系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程明顯變短，這在實(shí)際控制過(guò)程中將有重大的意義。實(shí)際控制過(guò)程中將有重大的意義。 第四部分：基于Simulink的模糊PID 自適應(yīng)控制的建模與仿真 設(shè)計(jì)課題水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真感悟： 在在Simulink仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，模糊仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，模糊PID參參數(shù)自適應(yīng)整定控制系統(tǒng)中的參數(shù)數(shù)自適應(yīng)整定控制系統(tǒng)中的參數(shù)Kp p、Ki i、Kd d對(duì)系對(duì)系統(tǒng)控制效果影響很大，必須要恰當(dāng)選擇這統(tǒng)控制效果影響很大，必須要恰當(dāng)選擇這3個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)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(guī)則對(duì)模糊制規(guī)則對(duì)模糊PID自適應(yīng)控制系統(tǒng)中

15、的參數(shù)影響自適應(yīng)控制系統(tǒng)中的參數(shù)影響較大，這將直接影響系統(tǒng)的控制效果，應(yīng)對(duì)模糊較大，這將直接影響系統(tǒng)的控制效果，應(yīng)對(duì)模糊控制器的控制器的FIS規(guī)則語(yǔ)句的權(quán)值和控制規(guī)則表作做恰規(guī)則語(yǔ)句的權(quán)值和控制規(guī)則表作做恰當(dāng)?shù)倪x擇。當(dāng)?shù)倪x擇。設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)： 設(shè)計(jì)課題水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中較全面地分析和比較了模擬設(shè)計(jì)中較全面地分析和比較了模擬PIDPID和數(shù)字和數(shù)字PID控控制方法，分別就常規(guī)制方法，分別就常規(guī)PIDPID控制，模糊控制和模糊控制，模糊控制和模糊PID參數(shù)參數(shù)自適應(yīng)整定控制進(jìn)行了自適應(yīng)整定控制進(jìn)行了MATLAB建模與仿真驗(yàn)證，并詳建模與仿真驗(yàn)證，并詳細(xì)介紹了細(xì)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(shù)