优秀毕业设计论文(水下推进器控制系统设计)罗才宝--PPT

1、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 在压力巨大、竞争激烈、国际环境复杂的在压力巨大、竞争激烈、国际环境复杂的21世纪，世纪，特别是面对人口、资源、环境三大方面的难题，海洋特别是面对人口、资源、环境三大方面的难题，海洋已成为人类生存和发展的重要领域，人类迫切需要向已成为人类生存和发展的重要领域，人类迫切需要向海洋进军。目前，世界诸多国家面临的不仅是保卫自海洋进军。目前，世界诸多国家面临的不仅是保卫自己的领海，更重要的是怎样开发和利用海洋资源。可己的领海，更重要的是怎样开发和利用海洋资源。可由于人体自身不能长时间在水下生活或作业的限

2、制，由于人体自身不能长时间在水下生活或作业的限制，就不得不依靠相关航行器来拓展人类在海洋中的活动就不得不依靠相关航行器来拓展人类在海洋中的活动能力进而开发、索取海洋中可利用的资源。能力进而开发、索取海洋中可利用的资源。水下推进水下推进器是水中航行器稳定、安全、可靠运行的关键设备，器是水中航行器稳定、安全、可靠运行的关键设备，良好的水下推进器控制系统是航行器的机动性、航程、良好的水下推进器控制系统是航行器的机动性、航程、航速等相关性能的有力保证航速等相关性能的有力保证。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 潜艇应用于海上战斗潜艇应用于海上战斗图图2

3、 亮相北京的海豹亮相北京的海豹突击队水下推进器突击队水下推进器 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桨推进器：螺旋桨推进器： 设计研究的是全方位水下推进器，对于螺旋桨推进器的设计设计研究的是全方位水下推进器，对于螺旋桨推进器的设计理论本身是非常复杂的，在此就不详述了，这里只给出机构的简理论本身是非常复杂的，在此就不详述了，这里只给出机构的简图如图图如图3 3所示：所示： 图图3 3 全方位

4、水下推进器机构模型图全方位水下推进器机构模型图第二部分：水下推进器控制系统设计水下推进器控制系统的框架设计进器控制系统的框架设计：转转速速调调节节器器信信息息处处理理智智能能单单元元导入导入螺距螺距主主 轴轴合力矩合力矩 图图4 4 水下螺旋桨推进器控制系统简图水下螺旋桨推进器控制系统简图艏部螺旋桨全方位推进器控制系统艏部螺旋桨全方位推进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参数自适应整定控制器的结构：参数自适应整定控制器的结构：如图如图5 5所示为模糊所示为模糊PID参数自适应整定控制器原理参数自适应整定控制器

5、原理结构框图：结构框图： r rin in + - - e eececy youtoutKKp pKKi iKKd d 图图5 5 模糊模糊PID参数自适应整定控制器原理结构图参数自适应整定控制器原理结构图第三部分：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：设定模糊设定模糊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：pppiiidddkkkkkkkkk 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）进入FISFIS编辑器编辑器。图图6 6 模糊逻辑

6、编辑器编辑界面模糊逻辑编辑器编辑界面第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 （2 2）进入隶属度函数编辑器。）进入隶属度函数编辑器。E E、EC的隶属函数分布曲线和量化区间分别如图的隶属函数分布曲线和量化区间分别如图7 7、图、图8 8所示：所示： 图图7 7 E隶属函数分布曲线和量化区间隶属函数分布曲线和量化区间第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 图图8 EC8 EC隶属函数分布曲线和量化区间隶属函数分布曲线和量化区间第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 （3）进入规则编辑器。）进入规则编辑器。 图图9

7、 9 模糊控制规则编辑器模糊控制规则编辑器第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 2 2、常规、常规PIDPID控制系统控制系统SimulinkSimulink模型的建立与仿真：模型的建立与仿真： 针对被控对象针对被控对象G（s）建立常规）建立常规PID控制系统的阶跃响应模型控制系统的阶跃响应模型。图图1010 常规常规PID控制系统模型控制系统模型第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 常规常规PID控制器对控制对象的速度跟踪仿真结果如图控制器对控制对象的速度跟踪仿真结果如图11所所示：示：仿真时间time(s)转速n(r/min)常规

8、PID控制 图图11 11 常规常规PID控制系统阶跃响应结果控制系统阶跃响应结果第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 3 3、模糊控制系统、模糊控制系统Simulink模型的建立与仿真：模型的建立与仿真：针对被控对象针对被控对象G（s）建立模糊控制系统的阶跃响应模型。）建立模糊控制系统的阶跃响应模型。 图图1212 模糊控制系统仿真模型模糊控制系统仿真模型第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 调整好模糊控制器对应参数后，启动模糊控制器，调整好模糊控制器对应参数后，启动模糊控制器，并调用模糊控制规则进行仿真，得到的控制对象的速度并调用

9、模糊控制规则进行仿真，得到的控制对象的速度跟踪仿真结果如图跟踪仿真结果如图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仿真时间time(s)转速n(r/min)模糊控制 图图1313 模糊控制系统速度阶跃响应跟踪结果模糊控制系统速度阶跃响应跟踪结果第四部分：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自适应控制系统自适应控制系统Simulink模型的建立与仿真：模型的建立与仿真： 针对被控对象针对被控对象G（s）建立模糊）建立模糊PIDPID参数自适应整定的参数

10、自适应整定的阶跃响应控制系统模型如图阶跃响应控制系统模型如图1313所示。所示。533440s +140s +4000s+800327ransfer Fcn6tep6copeProductKpKiKd1sIntegrator-K-Gain51Gain4-K-Gain31Gain2-K-Gain1-K-GainFuzzy Logic Controllerdu/dtDerivative1du/dtDerivativeAdd1 图图1414 模糊模糊PID参数自适应整定控制系参数自适应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 得到的控制对象的速度跟踪仿真结果如

11、图得到的控制对象的速度跟踪仿真结果如图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仿真时间time(s)转速n(r/min)模糊PID参数自适应整定控制图图1515 模糊模糊PID参数自适应控制系统速度阶跃响应跟踪结果参数自适应控制系统速度阶跃响应跟踪结果 三种控制器的速度跟踪阶跃响应结果比较及分析：三种控制器的速度跟踪阶跃响应结果比较及分析：第四部分：基于Simulink的模糊PID 自适应控制的建模与仿真 由图由图1111、1313和和1 15可以得出模糊控制器与常规可以得出模糊控制器与常规PI

12、D控制控制器的控制效果相比较而言，超调量更小，并且调节时间器的控制效果相比较而言，超调量更小，并且调节时间更短，系统的稳定性和快速性要好。可就控制的准确性更短，系统的稳定性和快速性要好。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参数自适应整定参数自适应整定控制器克服了模糊控制准确性不高和常规控制器克服了模糊控制准确性不高和常规PID控制超调控制超调量大、快速性差的不足之处，结合二者优点在超调量和量大、快速性差的不足之处，结合二者优点在超调量和调节时间上的控制效果均要比其他两种控制器的控制效调节时间上的控制效果均要比其他两种控制器的控制效果好，并且系统更趋平

13、稳，即模糊果好，并且系统更趋平稳，即模糊PID参数自适应整定参数自适应整定控制实现了控制系统稳、准、快三项基本性能，能满足控制实现了控制系统稳、准、快三项基本性能，能满足控制要求。控制要求。 模糊模糊PID参数自适应整定控制能进行参数参数自适应整定控制能进行参数自适应调节，从仿真结果曲线图很容易看出，自适应调节，从仿真结果曲线图很容易看出，模糊模糊PID自适应控制系统反应灵敏，动作迅自适应控制系统反应灵敏，动作迅速，调节精度提高了，鲁棒性也较好，这是速，调节精度提高了，鲁棒性也较好，这是常规常规PID控制难以实现的，它的一个很重要控制难以实现的，它的一个很重要的特点就是系统的过渡过程明显变短，

14、这在的特点就是系统的过渡过程明显变短，这在实际控制过程中将有重大的意义。实际控制过程中将有重大的意义。 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仿真实验过程中发现，模糊仿真实验过程中发现，模糊PID参参数自适应整定控制系统中的参数数自适应整定控制系统中的参数Kp p、Ki i、Kd d对系对系统控制效果影响很大，必须要恰当选择这统控制效果影响很大，必须要恰当选择这3个参数个参数的论域才能得到良好的控制特性。另外，模糊控的论域才能得到良好的控制特性。另外，模糊控制规则对模糊制规则对模糊PID自适应控制系统中

15、的参数影响自适应控制系统中的参数影响较大，这将直接影响系统的控制效果，应对模糊较大，这将直接影响系统的控制效果，应对模糊控制器的控制器的FIS规则语句的权值和控制规则表作做恰规则语句的权值和控制规则表作做恰当的选择。当的选择。设计创新点：设计创新点： 设计课题水下推进器控制系统设计 设计中较全面地分析和比较了模拟设计中较全面地分析和比较了模拟PIDPID和数字和数字PID控控制方法，分别就常规制方法，分别就常规PIDPID控制，模糊控制和模糊控制，模糊控制和模糊PID参数参数自适应整定控制进行了自适应整定控制进行了MATLAB建模与仿真验证，并详建模与仿真验证，并详细介绍了细介绍了Simulink模糊控制器模块的编辑。其中，模糊模糊控制器模块的编辑。其中，模糊PID参数