鱼雷自动控制系统教学课件全套全单元

1、韦微义托儿所执教：韦微义第一章 绪论教学课件鱼雷自动控制系统第一章 绪论鱼雷弹道的不同阶段对控制的要求鱼雷控制系统的基本原理与组成鱼雷控制系统的战技指标1-1 鱼雷及其自动控制系统的发展鱼雷是一种能在水中自主推进、自动控制、自动导引的水下航行器，是用以攻击水面或水下目标的水中兵器。现代鱼雷是一种复杂的高新技术武器，具有速度快、航程远、隐蔽性好、命中率高和破坏威力大等特点，是水中的导弹。鱼雷控制系统的发展经历了机械-电气式结构，到电子式自动驾驶仪，再到现代的计算机控制系统，并向着信息化、综合化、智能化、高精度方向发展。1-2 鱼雷弹道与控制空投反潜鱼雷弹道示意图 (1) 非操纵运动（空中弹道、初

2、始非控弹道）中，不加控制，舵角为零或预先设定常值，称为非操纵运动。 (2) 在搜索弹道和非自导鱼雷的末攻击弹道中，按预先给定的程序航行，舵角取决于实际弹道与战术基准弹道的偏差。 (3) 在制导鱼雷的导引（追踪）弹道和末攻击弹道中，舵角取决于目标运动和鱼雷运动两种信息。 鱼雷制导系统对规定的战术基准弹道参数、实际弹道参数以及目标运动参数进行综合处理，给出操舵的控制信号，由舵机驱动舵面偏转以控制鱼雷的实际运动。1-3 鱼雷自动控制系统的基本原理与组成敏感元件测量鱼雷的实际运动参数，并输出相应信号同运动参数的设定值进行比较，当鱼雷偏离规定的战术基准弹道时，即产生偏差信号，经信息处理装置（自动驾驶仪）

3、综合放大后，成为符合控制规律的信号，操纵伺服机构（称为舵机），使舵面产生相应偏转。分为深度控制、航向控制和横滚控制。1-4 鱼雷自动控制系统的战术技术要求1.航向设定及航向准确性与机动性 为了保证所需的命中概率，必须要求鱼雷航行有一定的准确性，航向准确性以航向偏差来衡量。航向偏差用鱼雷航行过程中其重心相对目标点的侧向偏移与航程的比值百分数来表示。 鱼雷航向的准确性，取决于鱼雷的流体动力特性、结构总体特性、横滚以及航向控制装置的性能等。 鱼雷航向的机动性一般用旋回角速度和最小旋回半径来衡量。2.深度设定及航行深度的准确性与机动性 鱼雷航行深度的准确性以航深偏差来表示，航深偏差是指鱼雷实际航行深度

4、与所设定深度之差值。鱼雷航深容许偏差一般规定有平均深偏与深度波动两项指标。 航行深度的准确性，主要取决于深控装置的性能及可靠性，同时也与动力装置的性能、弹道形式(直航或旋回)以及鱼雷结构总体特性、平衡质量等有关。3.对初始弹道的战术技术要求(1) 调整距离指鱼雷初始弹道所航行的距离，也称初期非稳定段距离，一般愈短愈好。(2) 袋形深度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(简称袋深)是从水面到鱼雷最大下潜深度的距离。水下发射时，袋深是从发射中心线到鱼雷最大下潜深度的距离。(3) 跳水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

5、性，而且也会影响某些部件工作可靠性。4.鱼雷的横滚 为了保证自导、引信和控制等系统有良好的工作条件，鱼雷航行时的横滚角应愈小愈好，但不可能为零，鱼雷横滚角容许值有两项指标；平均值和波动幅值。未安装横滚控制系统的鱼雷，要求其横滚角的平均值不大于5，波动幅值不大于15。对于横滚角要求严格的鱼雷(一般为自导鱼雷)，必须采用横滚控制系统，以便将横滚角限制在容许范围内，谢谢欣赏韦微义托儿所执教：韦微义第八章 鱼雷自控制系统设计教学课件第八章 鱼雷自动控制系统设计8-1 概述 第六、第七章中，用经典控制理论分析了鱼雷三通道自动控制系统，即航向控制系统、横滚控制系统，深度和纵倾控制系统的动态特性和稳态特性，

6、这种方法称为分析法。 本章是根据控制系要求的性能指标，用经典控制理论设计鱼雷的三个通道控制系统。用古典控制理论设计控制系统的方法称为综合法（又称为试凑法）。这种方法取决于设计者的理论水平、实际经验等，设计的控制系统性能不好，进行修正后，再重新进行计算设计研究，可能要经过多次反复，才能达到比较满意的结果。 典型系统的工程化设计方法，是设计鱼雷控制系统行之有效的方法，可以达到比较满意的结果。 典型系统的工程化设计方法的基础是典型的型系统和典型的系统。 1.典型系统的工程设计； 2.非典型系统的典型化； 3.鱼雷航向控制系统的典型化设计； 4.鱼雷深度控制系统的典型化设计； 5.反馈校正及其参数选择

7、； 6.鱼雷横滚控制系统的设计。 8-2 鱼雷自动控制系统设计的一般步骤根据设计任务书，确定控制系统的性能指标选择系统方案、设计控制规律确定所采用的技术软硬件与结构设计硬件的工程实现仿真实验海上航行试验8-3 鱼雷自动控制系统设计的基本问题稳定问题（1）稳定雷体轴在空间的角位置或角速度（2）改善雷体角运动的阻尼特性（3）稳定鱼雷的静态传递系数及动态特性（4）保证鱼雷质心运动的稳定性跟踪问题8-4 鱼雷横滚控制系统的设计鱼雷横滚控制系统的一般要求：幅值稳定裕度：相角稳定裕度：（阻尼系数： ） 一、性能要求二、雷体横滚特性 式中， ，式中， 8-5 鱼雷航向控制系统的典型化设计一、鱼雷航向控制系统

8、结构图鱼雷航向控制系统结构图如图8.8所示图8.8 鱼雷航向控制系统结构图其中， ， ， ， ， ， 。 ， ， ， 二、鱼雷航向控制系统控制器的参数选择1按典型的型系统设计（要求 ）（1）首先将雷体传递函数按高频小惯性环节进行简化处理（如图8.9所示）图8.9 雷体航向运动简化传递函数bode图（2）计控制器参数一般情况下，将时间常数大的环节抵消掉。航向典型型系统的频率特性如图8.10所示。 ， ， ，因为 ， ，所以 ， ， 图8.10 按典型系统设计的航向控制系统bode图2按典型的型系统设计控制器参数首先将雷体传递函数按低频大惯性环节和高频小惯性环节进行简化处理：简化图如图8.11所示

9、。图8.11 按典型2系统设计的航向控制系统bode图8-6 鱼雷纵向控制系统设计鱼雷深度控制系统结构图鱼雷深度控制系统（串行控制系统）结构图如图8.12所示图8.12 鱼雷深度控制系统结构图双环控制鱼雷深度双环控制规律为:鱼雷深度双环控制系统原理如图8.18所示。一、鱼雷深度双环控制系统原理8.18 鱼雷双环控制原理图图中， 设计环控制系统的原则是先内环，后外环。内环设计时先不考虑外环，使内环达到一定的相角稳定裕度和幅值稳定裕度。（1）内环的开环传递函数为先设 =1，上式为 二、双环控制系统设计 1. 的确定式中， （2）画BODE图上面开环传递函数的BODE图如图8.19所示。上下移动幅频

10、特性曲线，使相位稳定裕度大于 ，此时， ， 图8.19 内环开环传递函数BODE图2. 的确定（1）求内环的闭环传递函数（2）求系统的开环传递函数串联校正一、反馈校正系统的特点1.电深控装置的小回路电路原理图如图8.15所示图8.15电深控装置的小回路电路原理图2.电深控装置的小回路结构图8.16所示图8.16 电深控装置的小回路结构图将校正后的系统与原系统进行比较得(1)新增加的 一阶微分环节影响系统的高频特性，因为 的值比较小。(2)将原来系统的一阶惯性环节改变为二阶震荡环节，在 较小的情况下，极端值 原系统改变为 ，但是惯性环节时间常数变小， ，相当于 ，幅频特性的频段延长，增加了系统的

11、稳定度。 二、用作图法绘制反馈校正幅频特性曲线的简便方法图8.16 电深控装置的小回路结构图系统的开环传递函数等于内环的开环传递函数图8.17 反馈校正简化幅频特性曲线结论：反馈校正的实质是将原系统校正成典型的型系统延长了 斜率的幅频特性曲线，增加了系统的稳定裕度。校正后: 谢谢欣赏韦微义托儿所执教：韦微义第二章 鱼雷航行力学教学课件第二章 鱼雷航行力学鱼雷空间运动的描述作用在鱼雷上的流体动力与力矩的组成与表示鱼雷空间运动方程组鱼雷空间运动方程的分组与线性化2-1 鱼雷空间运动的表示及其操纵机构一、 坐标系地面坐标系与雷体坐标系欧拉角,速度坐标系攻角，侧滑角弹道坐标系, , 欧拉角二、 鱼雷的

12、运动参数1. 姿态角（欧拉角）转动 先令雷体系与平移系完全重合，然后使雷体系按下列顺序绕其自身各轴旋转：先绕y1(y0)轴转动角度（航向角），再绕旋转后的z1轴转动角度（俯仰角），最后绕二次旋转后的x1轴转动角度（横滚角）。2. 重心的瞬时运动方向平动 用表示速度向量v与地面坐标系之间关系的弹道倾角、弹道偏角和倾斜角来描述。3. 流体动力角流体力和力矩 攻角和侧滑角描述重心速度向量v在雷体坐标系中的方向，称为流体动力角。三、 坐标变换矩阵1、速度坐标系对弹道坐标系的变换矩阵速度坐标系与弹道坐标系之间的夹角是弹道倾斜角2、速度坐标系对雷体坐标系的变换矩阵速度坐标系与雷体坐标系之间的相对位置由攻角

13、和侧滑角来描述3、平移坐标系对弹道坐标系的变换矩阵平移坐标系与弹道坐标系之间的关系可用弹道倾角和弹道偏角来描述4、平移坐标系对雷体坐标系的变换矩阵平移坐标系相对于雷体坐标系的角位置可用俯仰角、偏航角和横滚角来确定5、坐标变换矩阵之间的相互转换根据两个直角坐标系之间的变换矩阵具有正交性，可得以下关系同时，还可按以下传递关系对各坐标系进行相互转换6、几何学方程四、 运动自由度鱼雷运动有6个自由度。3个线运动(重心运动)：向前(前进运动)；上下(爬潜运动)；左右(侧移运动)。3个角运动(绕重心运动)：俯仰运动；偏航运动；横滚运动。上述6个自由度运动可分为纵向运动和侧向运动。纵向运动包括：前进运动；爬

14、潜运动；俯仰运动。侧向运动包括：侧移运动；偏航运动；横滚运动。五、 操纵机构鱼雷的运动通常是利用横舵、直舵以及差动舵进行控制的。鱼雷横舵偏角用e表示，向下偏转为正；直舵(方向舵)偏角用r表示，向右偏转为正(从雷尾向雷头观察)；差动舵角用d表示，右横舵向下(上直舵向右)，左横舵向上(下直舵向左)为正。2-2 流体动力与力矩鱼雷流体动力和力矩由以下几部分组成： 1）位置力或定常平移力 2）阻尼力或定常旋转力 3）惯性力或非定常力2-3 流体动力系数 2-4 流体动力表达式一、位置力及位置力系数二、旋转力及旋转力系数三、惯性力及惯性力系数2-5 铰链力矩 作用于舵面上的流体动力相对于舵面铰链轴的力矩

15、通常称为铰链力矩。 铰链力矩的大小将影响鱼雷的机动性能和操纵的准确性，因为操舵时必须克服铰链力矩。当控制信号需要给出较大舵角时，舵机应能发出相应的功率，但是舵机的功率总是有限的。有时，可能会发生这样的情况，即虽然控制系统要求继续加大舵角，但舵不能更多地偏转，这就限制了鱼雷的机动性。铰链力矩愈大，则舵的偏转速度愈小，鱼雷对控制作用的反应愈慢。因此，舵机应能给出足够大的操舵力以克服作用在舵面上的流体动力和力矩。2-6 鱼雷的运动方程运动学方程1. 重心相对地面坐标系平动的运动方程2. 雷体坐标系相对平移坐标系转动的运动方程动力学方程在纵向运动中，所有侧向运动参数和横滚运动参数为零。在鱼雷运动方程组

16、中，令侧向运动参数和横滚运动参数以及舵角为零，即得纵向运动方程。2-7 鱼雷纵向运动标准形方程纵向定常运动1.等速水平直航运动代入原始方程2.等速直航爬潜运动纵向运动的线性化方程以定常水平直航运动作为基准，依据小扰动原理2-8 鱼雷侧向运动侧向运动的原始方程无横滚的侧向水平运动方程侧向定常运动1. 水平直航弹道2. 水平直航弹道（1） 给定角速度（2） 给定舵角谢谢欣赏韦微义托儿所执教：韦微义第九章 鱼雷中现代控制理论教学课件第九章 鱼雷自动控制系统的现代设计方法经典控制的主要缺点：经典控制方法又称为“试凑法”，使用经典控制方法设计控制系统取决于设计者的水平和经验。经典控制方法适用于线性定常系

17、统，不适合非线性系统。经典控制方法适用于单输入单输出。9-1 现代控制理论概述现代控制理论研究的范围比较宽，适合线性系统和非线性系统。在鱼雷上的应用主要包括： 极点配置法 最优控制理论 自适应控制9-2 用极点配置法设计鱼雷控制系统在经典控制中，控制系统的性能主要由控制系统的特征方程决定，即特征方程的根在复平面的位置决定，极点配置法的基本思路是将系统设计为负反馈控制统，通过调节反馈增益矩阵，使控制系统的闭环极点配置在期望的位置，使控制系统达到期望的性能。一、基本概念1.状态方程(1) 式中，A为nn阶矩阵，b为n1阶矩阵，C为1n阶矩阵。将上面状态方程进行零初始条件拉普拉斯变换(2) 可控标准

18、型当 时，上面的状态方程对应的系统称为可控标准型型。系统的特征方程为将普通状态方程变换为可控标准型的方法对应系统的传递函数SISO被控系统可以用状态状态方程来描述设Q矩阵为非奇异矩阵 ，设 则将此式代入上面的状态方程得 设 ，则 此式即可控标准型。求Q矩阵的方法 （3） 二、用状态反馈实现零极点配置1状态反馈控制系统结构图 图中的为可控标准型2.状态反馈控制系统的数学表达式式中，为可控标准型下的反馈增益矩阵。设，代入上式的 将3式代入1式设，代入上式得闭环系统的状态方程式中对应的闭环系统的特征方程为期望的闭环系统的特征方程为 由此得3求反馈增益矩阵 将式 代入 即可求出反馈增益矩阵。 用状态反

19、馈实现极点配置的步骤如下：(1)根据系统的性能指标，确定期望的闭环控制 系统的特征方程 (2)原控制系统的特征方程(3)求可控标准型下的反馈增益矩阵 (4)求Q(5)求反馈增益矩阵 例9.1 鱼雷航向控制系统的状态方程式中， 试确定反馈增益矩阵 ，使闭环控制系统的特征方程为 解： (1)期望的闭环控制系统的特征方程 即 (2)原控制系统的特征方程即 (3)求可控标准型下的反馈增益矩阵(4)求Q (5)求矩阵(6)求反馈增益矩阵K二、状态观测器（渐进状态观测器） 状态观测器分全维状态观测器和降维状态观测器，在工程实际中降维状态观测器用得比较多，一般都是设计降维观测器。 设计状态观测器的原因： 在

20、控制系统中，一些状态变量容易测量出来，例如温度、压力、流量等。有些状态变量可以直接测量出来，比较准确。而有些状态变量不容易测量出来，需要设计状态观测估计出来。例如鱼雷的两个动力角参数 观测器，电机的转子磁链观测器。1.降维状态观测器数学模型 式中， 可观测， 阵为行满秩矩阵，即 。假设 式中 为不可观测矩阵。 将代入（4）式并考虑到（5）式，得 将 划分为可以直接输出 的个状态 （可观测的状态），不能直接输出的 个状态 （不能观测的状态），即（6） 对 矩阵也作相应的分块得将其展开得剩下需要估计的状态变量（7） 设 代入上式得（8） 降维观测器的结构图如图9.3所示，由图可知状态观测器的方程为

21、（9）图9.3 渐进状态观测器由于输出 可知，输出中含有 ，用 作为状态观测器的输入，在实际系统中容易引起干扰，应该设法消去，因此定义新的状态变量即（10）将（10）式代入（9）式得由于 ，原系统状态观测器方程为图9.4 n-m维状态观测器结构图例9.2 鱼雷航向控制系统的状态方程式中，设计 的2维状态观测器，使 解:分析： ，因此相应的分块为根据状态观测器方程系统的特征方程为可解得三、状态观测器与原系统的连接用状态反馈实现零极点配置时，若有些变量不能直接测量，可构造一个观测器来估计这些状态变量。图9.5 状态观测器与原系统的连接9-3 用最优控制理论设计鱼雷控制系统基本思想是找到最优控制规律

22、，满足一定条件，使某项指标达到最优。最常用的性能指标和约束条件线性定常系统数学模型性能指标2.最优跟踪性能指标 系统以最小误差跟踪目标1.时间最短的性能指标：在给定条件下状态变量 谢谢欣赏韦微义托儿所执教：韦微义第六章 侧向运动的稳定控制教学课件第六章侧向运动的稳定与控制用根轨迹法和频率特性法对鱼雷侧向运动控制系统进行动态和稳态分析。 根轨迹绘制法则根轨迹的起点和终点：根轨迹起于开环极点、终于开环零点。根轨迹的分支数和对称性：根轨迹的分支数与开环有限零点数m和有限极点数n中的大者相等，它们是连续的并且对称于实轴。根轨迹的渐近线：当开环有限极点数n大于有限零点数m时，有n-m条根轨迹分支沿着与实

23、轴交角为 、交点为 的一组渐近线趋向无穷远处，且有对数频率特性曲线稳定裕度幅值裕度：相角为-180度对应幅值的倒数相角裕度：180度+幅值为1时的相角鱼雷空间运动可以分解为纵向运动和侧向运动，鱼雷侧向运动和横滚运动是交连在一起的，如果鱼雷有很好的横滚控制，也可以将侧向运动和横滚运动分开，单独研究鱼雷的侧向运动和单独研究鱼雷的横滚运动。鱼雷的侧向运动是指鱼雷在某一水平面内运动，典型弹道有水平直线运动、定角回旋运动。 对鱼雷侧向运动的稳定性分析包括：瞬态响应、稳态响应6-1 航向控制系统的基本原理鱼雷为受控对象，航向陀螺是一个二自由度陀螺仪，作为测量元件，用以敏感鱼雷纵轴相对于设定航向的偏离，并产

24、生相应的控制信号us，加到舵机上，舵机推动直舵偏转，从而操纵鱼雷运动。鱼雷航向控制系统为负反馈控制系统，控制规律为式中的负号，是由于鱼雷运动角度参数的正负规定决定的。 6-2 航向控制系统的动态特性一 过渡过程用时域分析法分析系统过渡过程的步骤：推导出描述系统的微分方程；对微分方程进行拉普拉斯变换；求出系统的特征方程；对方程进行拉普拉斯反变换，求出系统的时域解。根据鱼雷侧向运动的微分方程组 某大雷的运动方程过程系数为耦合对象与控制律联立将代入上式并进行整理，得将上式两边分别进行拉普拉斯变换，得特征方程为特征方程为4阶，有4个特征根，假设这4个特征根分别为 ，其中 为实根， 为共额复根，并设 ，

25、 。将原系统进行分解后再进行拉普拉斯反变换，得二 过渡过程分析： 开环传递函数为 闭环传递函数为 由微分方程获得传递函数 某鱼雷的特征方程为求解得特征方程有两个实根，以指数的形式衰减，其动态特性主要由共额复根决定，即三 稳定性分析1. 用根轨迹法分析系统的稳定性考虑舵机时间常数 开环传递函数某鱼雷的系数不考虑舵机时间常数鱼雷侧向运动开环传递函数为 某鱼雷的系数结论：a.鱼雷航向采用比例控制系统，如果不考虑舵机的时间常数，无论 如何增加，该系统都是稳定系统，并且随着 值的增加，系统的动态响应变快，但是 值不能太大。b.鱼雷航向采用比例控制系统，如果考虑舵机的时间常数，随着 值的增加，该系统由稳定

26、系统变为不稳定系统。可以看出虽然舵机的时间常数较小，但是对系统的稳定性影响较大。由此得出结论，舵机的时间常数越小越好，一般鱼雷舵机的时间常数需小于0.05。2. 用频率特性法分析鱼雷航向运动的稳定性 鱼雷航向运动的传递函数 对数幅相特性曲线截止频率： 相角稳定裕度： 经验公式：a.相对谐振峰值： b.最大超调量：c.调节时间：6-3 航向控制系统的稳态特性系统的稳态误差是由结构参数和输入信号决定的。1.画出侧向运动的结构图 线性系统可以用叠加原理，即计算输入信号 作用下的稳态误差时，可以不考虑干扰信号 的作用。 一、输入信号作用下的稳态误差2.求出系统的开环传递函数3.输入信号作用下的稳态误差

27、计算稳态误差函数稳态误差公式式中， 为系统的类型，也就是开环传递函数中纯积分环节的个数。在本例中 。当输入信号为单位阶跃信号时，即 时，当输入信号为单位斜坡信号时，即 时，当输入信号为单位加速度信号时，即 时，结论：控制系统的稳态误差是由输入信号和系统的类型决定的。二、干扰信号作用下的稳态误差干扰信号的传递函数 干扰信号作用下的稳态误差公式当干扰信号为单位阶跃信号，即 时，当干扰信号为单位斜坡信号，即 时，当干扰信号为单位加速度信号，即 时，结论：当系统的干扰信号为单位阶跃信号时，系统存在稳态误差， ；加少系统的稳态误差，就要减小系统的开环放大倍数；如果希望消除稳态误差，就要将系统设计成二型系

28、统。即采用比例加微分控制。6-4 横滚对鱼雷航行质量的影响制造不对称，螺旋桨失衡，都会造成鱼雷重心偏离纵轴，鱼雷作定常水平直线运动时，受到侧向力作用如图所示，所受的重力在鱼雷横轴上产生的分力为 ，必然对鱼雷运动产生影响。1. 对平衡侧滑角和平衡直舵角的影响当鱼雷作水平直线运动时，平衡侧滑角 和平衡直舵角 ，但是由于鱼雷横滚引起的侧向力 必须由侧滑角和直舵角产生的力和力矩相平衡2. 对鱼雷航行方向的影响由于鱼雷运动发生横滚，鱼雷受到 侧向力的作用，鱼雷偏离原来的参考航向，偏离的距离为 ，偏离的角度为 。采用比例控制 结论:采用比例控制，横滚产生的航向偏差与平衡直舵角成正比，与传动比成反比。3.

29、对鱼雷回转半径的影响根据回转半径公式 鱼雷向左回转搜索和向右回转搜索的轨迹不同。4.对自导系统的影响降低自导的作用距离；降低捕捉目标的概率。6-5 横滚控制系统的特性分析鱼雷横滚运动方程 采用两种控制规律，一种为比例控制，另一种为比例加微分控制 1. 比例控制在零初始条件下进行拉普拉斯变换，整理得 系统的动态特性无阻尼自振频率： 阻尼比： 2. 微分比例控制在零初始条件下进行拉普拉斯变换，整理得 系统的动态特性无阻尼自振频率： 阻尼比： 结论： 系统采用比例加微分控制与单纯采用比例控制相比，系统的无阻尼自振频率不变，而系统的阻尼比增加，即系统的动态特性不变，系统的稳定性阻尼增加； 由于采用了微

30、分控制，系统的抗干扰能力降低，系统应增加抗干扰措施。谢谢欣赏韦微义托儿所执教：韦微义第七章 纵向运动的稳定控制教学课件第七章鱼雷纵向运动的稳定与控制内容及重点 深度控制系统 纵倾控制系统分析方法用经典理论的对数幅相特性法和根轨迹法分析系统的动态特性。 鱼雷纵向运动是指鱼雷在垂直的纵平面内的运动。典型弹道有2种：定深航行和定角爬潜。纵向运动参数有7个： 纵向运动输入舵角： 纵向运动控制系统的作用是控制鱼雷快速、稳定、精确定地完成给定弹道。7-1 深度控制系统的构成和基本原理一、深度控制系统工作原理 纵向运动的线性化方程以定常水平直航运动作为基准，依据小扰动原理电动鱼雷：因为 为负值，所以鱼雷深度

31、控制系统为非最小相位系统。鱼雷的传递函数7-2 具有俯仰角信号的深控系统（惯性定深器）（惯性定深器） （1）物理意义：根据鱼雷纵向运动方程为： 因此具有俯仰信号的深度控制系统，实质上是深度信号的比例加微分控制。 鱼雷为大的惯性环节，鱼雷的深度信号和深度的微分信号叠加的结果，才能使得当鱼雷开始偏离定深线，需要大的操舵量，使鱼雷尽快回到定深线上；当鱼雷有向定深线运动的趋势，用中的操舵量；当鱼雷快要回到定深线上，用小的操舵量。（2）数学意义：假设深度信号根据辅助三角公式，上式可以写为 式中， 一、惯性定深器的数学模型 其中， 是舵机的传递函数。二、自由角 鱼雷水平直线运动时如图所示，弹道角 ， ，稳

32、态时有式中， 为鱼雷航行的深度偏差。 鱼雷的平衡攻角和平衡舵角仅仅与鱼雷的衡重特性和流体动力特性有关，与鱼雷的控制装置的结构参数无关。当鱼雷在定深线上航行， 时 上式看出， 是由深控装置产生的舵角。鱼雷在定深线上航行时，平衡舵角应该由两部分组成习惯上把 称为自由角 三、舵角管制 由于惯性定器有一个摆锤，鱼雷运动的初始阶段作加速运动，摆锤感受到加速度，会影响到鱼雷航行的深度，出现袋深。 7-3 深度控制系统的动态特性一、数学模型1.惯性深控系统原理图图中将惯性深控系统原理图进行简化 2.惯性定深系统开环传递函数 惯性深控系统的根轨迹为 3.惯性深控系统的特征方程二、稳定性分析 分析.深度调节系数

33、 时，可以先将 作为常量，例如假设 （1）推导根轨迹方程 根据上面推导的根轨迹方程，推导广义根轨迹方程1.深度调节系数对系统稳定性的影响将 代入得 上面的根轨迹方程为 根轨迹方程。 （2）画出根轨迹示意图示意图 深度调节系数 的根轨迹图 根轨迹图的简易画法：标出零极点 画出实轴上的根轨迹；渐近线从轨迹图上看出： 随着 的增加，深控系统由稳定转变为不稳定系统，所以 的值不能太大， 的值也不能太小，太大会造成系统不稳定。 （1）推导广义跟轨迹方程上面的根轨迹方程为 根轨迹方程。2.纵倾调节系数对系统稳定性的影响（2)绘制根轨迹图 绘制根轨迹图的步骤：标出零极点；画出实轴上的根轨迹；画出渐近线纵倾调

34、节系数的根轨迹图 随着纵倾调节系数 的增加，深控系统由不稳定转变为稳定系统，纵倾调节系数 不能太大，太大会引起系统震荡。 7-4 具有垂直速度和垂直加速度信号的深控系统（电子定深器）电子式深控装置工作原理图 图中放大器 将深度偏差放大为标准信号， 为微分比例器的传递函数， 为控制电机的传递函数， 为校正网络的传递函数。 一、传递函数1.微分比例器传递函数 式中， 微分比例器电路原理图2.电动执行器的传递函数电动执行器工作原理图原理图图中，电动执行器的原理方框图 回路的闭环传递函数为式中 ， ，电动执行器传递函数为3.电深控装置的传递函数二、控制规律数学模型 假设深度信号将深度信号代入数学模型中

35、得根据辅助三角公式，上式可以写为式中， 7-5 电深控系统频率特性一、工作原理 电深控系统工作原理图电深控系统开环传递函数为式中，说明： ，电深控系统数学模型中的角度单位为“度”。二、开环传递函数 ，因为 为负值，所以鱼雷电深控系统为非最小相位系统。对应的 为非最小相位的一阶微分环节，对数幅频特性曲线的画法不变，在转折频率处幅频特性曲线的斜率仍然要增加 ，相频特性曲线是减小 。 三、频率特性画出电深控系统的bode图 （1）幅频特性曲线的简易画法标出 与 的交接点；标出零极点的转折频率： ， ， ， ， ， ， 。低频段以 的斜率下降；遇到极点，斜率减小 ，遇到零点频率增加 ；非最小相位系统，

36、它的幅频特性不变，仅相位与最小相位不同。（2）相频特性曲线的简易画法低频段相位滞后高频段相位滞后结论：相位稳定裕度：幅值稳定裕度： 电深控系统的优缺点：优点是结构简单，容易实现。缺点是抗干扰能力差。 7-6纵倾控制系统 反潜鱼雷不仅在水平方向追踪目标，而且在纵深方向追踪目标，在航行的不同阶段，采用不同的俯仰角因此鱼雷的纵倾控制系统必须具有较强的逻辑功能和良好的控制性能，才能保证完成战术技术指标。 1.工作原理比例控制系统用作原理如图 图中， 。一、纵倾比例控制系统特性分析式中， ， ， ， ， ， ， ， ， ，3.动态特性2.开环传递函数4.稳态特性 根轨迹图（ 根轨迹）步骤： 标出零、极点

37、； ， ， ，实轴上的根轨迹；分离点；渐近线 渐近线与实轴的交点 渐近线与实轴正方向的夹角画出的纵倾比例控制系统根轨迹图 从上图中看出，当 较小时，系统的两个较小实根离虚轴较近，对系统的影响较小，过渡过程比较平稳缓慢。随着 地增加，两个较小实根逐渐接近导相等， 继续增加，系统就会出现一对共轭复根，在继续增加，系统将出现震荡。 图中 为前项通道控制器传递函数， 为鱼雷角速度传递函数， 为舵机的传递函数。 二、双环纵倾控制系统双环纵倾控制系统结构图1.工作原理2.内环的闭环传递函数3.开环传递函数4.动态特性（比例纵倾控制系统的特性对比）5.稳态分析根轨迹方程为式中， ， ， ， （2）根轨迹图

38、画根轨迹图步骤： 标出零极点 ， ， ， 实轴上的根轨迹； 分离点。谢谢欣赏韦微义托儿所执教：韦微义第三章 鱼雷弹道教学课件第三章 鱼雷弹道鱼雷全弹道设计导引弹道的相对运动方程鱼雷制导的导引方法3-1 鱼雷全弹道设计对于一般鱼雷，整个弹道由空中弹道（空投和火箭助飞鱼雷）、入水和下潜弹道、搜索弹道、导引和攻击弹道及丢失目标后的再搜索弹道等组成。一、空投鱼雷的空中弹道 空投鱼雷空中弹道的设计主要解决以下问题：1.通过空投鱼雷空中弹道的分析与预估，提出满足空投鱼雷空中稳定减速要求的降落伞设计指标。2.经过大量试验测量降落伞的气动特性和空中弹道，据此对空中稳定装置进行修改，最终满足鱼雷空中弹道的要求。

39、3.由实际投放试验得到的空中弹道参数对理论弹道进行修正，最终给出反映该空投鱼雷空中弹道的射表，并给出最佳投雷区。二、 入水和下潜弹道 入水和下潜弹道设计的目标是使鱼雷尽快到达设定搜索深度，浅海使用的鱼雷还要求鱼雷寻深过程中达到的最大深度(俗称袋深)不超过允许值。设计这段弹道时必须考虑到：1.鱼雷以一定的入水参数(速度、姿态、攻角、角速度)入水，经过入水冲击，从空中进到水中，鱼雷的运动参数会有相当大的、离散的、随机的变化。2.鱼雷动力系统入水后启动，才能提供动力，推力逐渐增加到稳态值，其间鱼雷处于非定常运动状态。三、搜索弹道的设计保证鱼雷捕获概率高而航程消耗小1.自导搜索方式、搜索形式和速制2.

40、水面舰艇和潜艇发射鱼雷的自导搜索3.空投和火箭助飞鱼雷的自导搜索4.主动自导旋回搜索时的角速率限制5.线导鱼雷的搜索方式、攻击形式和导引方法四、 捕获和攻击段弹道设计1. 声自导 对于大多数鱼雷来说，其对目标的探测主要是目标在航行过程中所发出的噪声(被动方式下)或声反射，并通过海水的传播而到达鱼雷的自导装置，从而测定目标的有关运动参数。 常见的导引规律有尾追法固定提前角导引法、自动调整提前角法和比例导引法等。2.尾流自导 尾流自导是利用敌舰的尾流来导引鱼雷攻击目标，以其不受敌水声对抗器材的诱骗和干扰的独特优点正越来越多地应用在攻击水面舰艇的鱼雷上。五、再搜索弹道 再搜索时的制导方式和再搜索形式

41、，与鱼雷丢失目标时的制导方式及状态有关。在主动自导时丢失目标，则进行主动自导再搜索；在被动自导时丢失目标，则进行被动自导再搜索。 主动自导时的再搜索弹道形式与丢失目标时目标是否核实及丢失时的距离有关，一般分为3种形式。 1.目标未经过核实就丢失目标的再搜索 2.远距离丢失目标的再搜索 3.近距离丢失目标的再搜索 相对运动方程是指描述鱼雷、目标、制导站之间相对运动关系的方程。建立相对运动方程是导引弹道运动学分析的基础。 1.自导相对运动方程 设在某一时刻，目标位于T点位置，鱼雷处于V点位置。在上述假定条件下，鱼雷和目标之间的相对运动方程可以用定义在攻击平面内的极坐标参量r，q的变化规律来描述。3

42、-2 导引弹道的相对运动方程 根据图所示的鱼雷和目标之间的相对运动关系就可以直接建立相对运动方程，将鱼雷速度矢量 和目标的速度矢量 分别沿目标瞄准线的方向及法线的方向上分解，可以得到描述相对距离变化率drdt和目标线方位角变化率dqdt的相对运动方程为: 从方程组中可以看出，方程组包含5个未知量r、q、 、 、（或 )，而方程组只含有4个方程，无法得到确定解。为此，尚需建立一个方程，它就是描述导引方法的导引关系方程。目前，自导导引方法常见的有尾追法、平行接近法、比例导引法、固定提前角导引法等，相应的导引关系方程为： 1）尾追法 2）平行接近法 q=q0 =常数 3）比例导引法 4）固定提前角法

43、 =常数03-3 尾追导引法 尾追导引法是指鱼雷在攻击目标的过程中，鱼雷的速度矢量始终指向目标的一种导引方法。这种方法要求鱼雷速度矢量的提前角弹道方程 假定目标和鱼雷始终在固定的攻击平面内运动，目标做等速直线运动。若取基准线平行于目标的速度矢量 ,则 。方程组改写为：第2式去除第1式可得： 令 为速度比，p为一常数，其值必须大于1，才能使鱼雷与目标的接近速度为负值，使鱼雷接近目标。进行分离变量积分后，可得 说明了此种导引方法在任何初始条件r0和q0时，鱼雷只能从目标的尾部与目标相遇。3-4 固定提前角导引法 所谓固定提前角导引法是指鱼雷在攻击目标的导引过程中，鱼雷的速度矢量与视线保持一定的角度

44、的导引规律。其导引方程为 =常数0弹道方程 固定提前角导引时，若取基准线平行于目标的运动轨迹，目标的速度大小和方向都不变，导引的几何关系如图3所示。1)当 时，得到固定提前角弹道公式为：其相对运动方程组为：可以推导出:2）当 时，可以导出：3）当 时，鱼雷的提前角太大，鱼雷弹道是一个在目标周围旋转的弹道，并且不与目标相碰。3-5 自动调整提前角导引法 自动调整提前角导引法是一种在导引过程中由自导装置逐步建立平行接近导引关系的导引方法。在正确提前角建立之后，目标就停留在某一波瓣(这个波瓣就是声零轴)内不动，从而视线的方向保持不变。 优点：导引时间短，鱼雷与目标相遇时的舷角不等于零，从而增大了鱼雷

45、与目标相遇时目标的有效尺度。 缺点：随着鱼雷接近目标，相对距离r逐渐减小，目标方位角的旋转率逐渐增大。所以，当鱼雷离目标较远时，提前角调整得较慢，导引弹道弯曲程度较小；当鱼雷离目标较近时，提前角调整加快，导引弹道的弯曲程度也随之加大，这是自动调整提前角法的一个重要缺点。3-6 比例导引法 比例导引法是指鱼雷在攻击目标的过程中，鱼雷速度矢量的旋回角速度与目标视线的转动角速度成正比的导引法。导引方程为： k为比例系数。 比例导引法具有一定普遍性。固定提前角法和平行接近法分别是比例导引系数k=1（ ）和k=时比例导引法的两种特殊情况。尾追导引法又是在 时固定提前角法的一种特殊情况。所以比例导引法的弹

46、道特性介于固定提前角法与平行接近法两者之间。弹道方程3-7 平行接近法 鱼雷在攻击目标的导引过程中，鱼雷与目标视线在空间保持一定方向的导引法称为平行接近法。 相对运动方程为： 对1式积分得： 因此，平行接近导引法是固定提前角导引法的特殊情况。 全航行时间为：3-8 三点法导引 所谓三点法导引是指鱼雷在攻击目标的导引过程中，鱼雷始终处于制导站与目标的连线上，因此三点法又称为重合法，导引方程为： 假设制导站是静止的，且目标作水平直线运动相对运动如图 三点法导引最显著的优点是技术实施简单，抗干扰性能好，对目标所需的信息量最少，因此，它是线导鱼雷常用的导引方法之一。但是三点法导引也存在明显的特点，由于

47、制导站与鱼雷和目标处于同一视线方向，鱼雷的辐射噪声严重干扰制导站对目标的量测，因此，对于采用三点法导引的线导鱼雷，对辐射噪声的量级有一定的要求，使其对目标测量的影响最小。谢谢欣赏韦微义托儿所执教：韦微义第十章 鱼雷非线形控制系统教学课件第十章鱼雷非线性控制系统介绍机电控制的一般概念，分析非线性控制系统的运动状态，给出继电控制系统工作模式的定义及其产生条件；给出非线性控制系统的稳定判据；设计性能优良的非线性控制系统，如果满足稳定条件，系统产生自持振荡，设计方法为描述函数法。10-1 概 述 鱼雷控制系统在控制理论中属于多变量、时变、非线性控制系统。用经典控制理论分析和设计鱼雷控制系统中，使用的数

48、学模型是线性数学模型，是在非线性数学模型的基础上，在小扰动条件下线性化得道的，线性化的方法是将非线性函数展开为泰勒基数，取一次项，忽略高次项得到的。例如鱼雷的升力系数就是在处线性化得到的。鱼雷数学模型的非线性有两类： 可以通过在小扰动条件下进行线性化的非线性称为软非线性。例如鱼雷的升力曲线如图所示，是在小扰动条件下软非线性 对线性系统进行研究时，如果给控制系统的输入端加输入信号脉冲信号，系统输出的稳定状态有两种，一种是趋于稳态值，另一种是趋于极大值。对非线性系统进行研究时，如果给控制系统的输入端加输入信号脉冲信号，系统输出的稳定状态时自持振荡，因此对非线性系统进行研究，我们感兴趣的是自持振荡状

49、态。2. 硬非线性10-2 继电控制系统工作模式 一、结构图开关函数 当 时，输出正的舵角， 时，输出任意舵角， 时输出负舵角，因此称为开关函数。2.符号函数 二、基本概念集合 称为开关超曲面，开关超曲面 将空间分成两部分 , , 可以理解为状态变量到开关曲面 的位移， 可以理解为状态变量 到开关曲面的速率。3. 开关曲面（开关曲线）三、数学模型 四、继电控制模式的概念及产生的条件正规开关模式产生的条件 如图10.5的(a)、(b)解轨线穿越开关曲面，并向前延伸,称这种动态模式称为正规开关模式； 正规开关模式产生的条件：如图(a) 在 空间： 在 空间：在 空间： 如图(b)在 空间： 结论：

50、正规开关模式产生的条件为 图10.6 正规开关模式产生条件在 空间： 在 空间：2. 分离开关模式产生的条件结论：分离开关模式产生的条件为系统处于分离开关模式，系统不稳定。 如图10.9在 空间和 空间，解轨线都趋向开关曲面，这种开关模式称为滑动模式, 滑动模式下 3. 滑动模式产生的条件（1）滑动模式产生的条件 在 空间：在 空间：结论：滑动模式产生的条件为 或者 假设， 时，状态位于 区域内， 时刻到达开关超曲面 ，状态为 ，经过时间 ，继电控制系统状态变为 ，此时，继电控制指令改变方向，从 到 。再经过时间 ，开关曲线再次到达开关曲面 ，（2）滑动模式的解轨线的数学型 在区间 中， 在区

51、间 中，继电控制系统状态变为 图10.7 滑动模式的解轨线示意图将上式等式两边同乘以，在稳态的情况下， 且10-3 继电控制系统的稳定性分析 1. 稳定性该概念2. 机电控制系统的稳定性判据3. 横滚继电控制系统稳定性分析4. 横滚振荡控制系统稳参数设计式中， 为系统的初始状态。当 时 式中， 为 维状态变量，稳定性概念1.系统 该方程的解（又称为转移函数）2. 初始状态 3. 平衡状态 式中， 称为欧几里德范数，定义为式中， 称为系统的平衡状态 所有状态变量都不随时间变化， 4. 李亚普诺夫的稳定概念 任意实数 ， 使得下面的不等式成立 成立的所有点都包含在 区域中； 成立的所有点都包含在

52、区域中，并且 包含在 中。原系统的渐近稳定性， （1）如果平衡态 是稳定的，由状态空间中 区域的任意一个点出发的轨迹，当 趋于无穷时都不会脱离 区域，且收敛于平衡状态 。这种平衡状态 称为渐进稳定的。 如果由状态空间中所有各点出发的轨迹都保持渐进稳定性，这种平衡状态 称为全局渐进稳定的。（2）全局渐近稳定性 由状态空间 区域内一个点出发的轨迹，随着的 增大，脱离 区域，这种平衡状态 称为不稳定的。（3）不稳定性(a) 渐近稳定 (b) 全局渐近稳定 (c)不稳定10.9 继电非线性系统稳定性示意图 根轨迹曲线起始于开环传递函数的极点，有 条根轨迹曲线终止于开环零点，有 条根轨迹曲线终止于无穷远

53、处。二. 继电控制系统渐近稳定判据1. 根轨迹的起始点当 时，有1条根轨迹曲线终止于负无穷远处。当 时，有2条根轨迹曲线终止于无穷远处，根轨迹曲线的渐近线与实轴的交点 2. 渐近线 渐近线与实轴正方向的夹角根轨迹曲线的渐近线垂直于实轴，如果与实轴的交点在左半平面，根轨迹曲线终止负无穷远处。图10.10 的根轨迹图 图10.11 的根轨迹图必定有两条轨迹曲线终止于正无穷远处。根据终值定理 当 ，根轨迹曲线于实轴的夹角 判据一（频率判据）设继电控制系统的开环传递函数 可以表示为 继电控制系统如图10.13所示，图10.13 继电控制系统结构图如果 ，且 的零点都具有负的实部，则系统渐进稳定。（ ）

54、 如果 ， ， ，且 的零点具有负的实部，则系统渐进稳定。（ ） 继电控制系统的控制器，在 ，相当于如果 ，则系统渐近不稳定。（ ）当 时， 所以它有一个零根，剩下的 的个特征值具有负的实部，闭环系统渐近稳定。 对于第一类系统，即 ，如果 的 个特征值具有负的实部，则闭环系统渐近稳定。 在滑动模式下， ，解轨线的数学模型为判据二（时域判据）那么系统在平衡状态 是全局渐近稳定。是复变量 的有力函数，且当 为实数时， 只要有定义就是实数；当 时， 只要有定义就有 成立。 的所有特征值具有正的实部；开环传递函数 ； 开环传递函数 没有零实部的零点；存在两个不全为零的非负实数 ，即， ， 使 判据三（

55、全局渐进稳定性判据）三. 横滚继电控制系统稳定性分析 图10.14 横滚继电控制系统结构图图中式中， 根据判据一， ，即 系统渐进稳定。上式中,四. 鱼雷横滚继电控制系统参数设计横滚继电控制系统结构图图中，图10.18 横滚继电控制系统结构变换图横滚继电控制系统结构图闭环系统产生自持振荡的条件为闭环传递函数为系统的开环传递函数为五. 鱼雷航向继电控制系统稳定性分析图10.19 航向继电控制系统结构图图中式中， 根据判据一， ，并且零点具有负的实部，系统渐进稳定。式中谢谢欣赏韦微义托儿所执教：韦微义第四章 敏感元件教学课件第四章 敏感元件惯性测量和惯性导航技术的基本概念惯性敏感元件和压力传感器的

56、原理敏感元件在鱼雷上的应用技术4-1 陀螺仪所谓陀螺,是从力学的角度讲是指饶自己的对称轴高速旋转的对称物体。今天，陀螺技术已发展成一个综合性的尖端领域，陀螺仪的精度有了极大的提高，除了传统的框架支承转子陀螺仪外，又出现了许多新型陀螺，如液浮陀螺、静电陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等。以陀螺为核心的稳定平台和惯导技术也在迅速广泛应用。鱼雷控制是最早实现陀螺仪工程应用的领域之一。二自由度陀螺仪的结构原理当陀螺转子绕自转轴高速旋转时，二自由度陀螺仪便具有了陀螺特性，表现为定轴性和进动性。根据力学原理，在满足一定条件和忽略章动的情况下，二自由度陀螺的角动量和外加力矩以及角运动关系可以描述为把二自由

57、度陀螺仪置于鱼雷上，发射时使其自转轴指向参考航向，则在短时间内自转轴指向参考航向不变，可作为参考基准；鱼雷(基座)纵轴相对陀螺自转轴的转动角即为偏航角。若鱼雷发射时，使双自由度陀螺的自转轴与地垂线方向重合，则在短时间内陀螺自转轴可作为垂直参考基准，鱼雷立轴和横轴相对自转轴的转动角分别给出了鱼雷的水平姿态角、。当单自由度陀螺仪固连于鱼雷，而鱼雷以角速度运动时，则带动陀螺转子强迫进动。为了维持强迫进动，则在框架轴向转子要受外力矩M作用，有方程M=H成立。M力矩一般由在框架轴向的弹性约束提供。4-2 加速度计加速度计用于鱼雷不仅可以测量鱼雷的运动加速度，而且可以测量鱼雷的水平姿态角和。这是因为加速度

58、计不仅感测线加速度a，而且感测重力加速度g，严格地讲加速度计感测a与g之和f，f称为比力。因此加速度计也称为比力计。一、摆式加速度计鱼雷上常用的摆式加速度计结构原理右图所示。圆筒形的转动体称为摆组件。组件通过轴承与仪表壳体相连。摆组件质心不在转动轴上，偏心距为e，定位扭杆产生与转角成正比的弹性恢复力矩。加速度计力学模型二、用加速度计测量水平姿态角当鱼雷做匀速直线运动或静止时，加速度计仅感测重力加速度g在它们测量轴上的分量，从而得到鱼雷相对垂线的位置，即水平姿态角。 倾斜仪三、鱼雷加速度对测量的影响当鱼雷的运动加速度不为零时，加速度计的输出为 当 ， 不大时有产生的测量误差为 在入水和加速度段断

59、开加速度计给控制系统的反馈信号；当环形或蛇形搜索运动时对向心加速度 加以补偿4-3 惯性导航技术 惯性导航是一种自主式的导航方法，它完全依靠鱼雷自载设备自主的完成导航任务，提供包括位置、航向、速度、加速度，以及姿态角、转动角速率在内的全部导航和制导信息。导航加速度计和陀螺都安装在导航平台上，加速度计输出的信息，送到导航计算机，导航计算机除计算航行器位置、速度等导航信息外，还要计算对陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。而航行器的姿态和方位信息，则从平台的框架轴上直接测量得到。平台式惯导系统捷联式惯导系统导航加速度计和陀螺直接安装在航行器上。用陀螺测量的角速度信息减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度,则得到雷体坐标系相对导航坐标系的角速度, 进行姿态矩阵的计算，然后把雷体坐标系轴向的加速度信息转换到导航坐标系进行导航计算。 姿态矩阵的计算、加速度信息的坐标变换、姿态与航向角的计算，构成所谓的“数学平台”。4-4 深度传感器 压力传感器有多种类型，但都有两部分组成。一是敏感元件，它的功能是把压力转换为其它易于测量的物理量，如位移、应变、电阻、电荷、电压等；二是测量电路，它的功能是把上述物理量进一步变换或放大，得到所需的输出电信号。目前鱼雷上常用的压力传感器有电位计式