自动控制原理课程设计.docx

1、上海电力学院课程设计（报告）题目： 航天飞机的俯仰角控制院系： 自动化工程学院专业： 自动化（电站方向）班级： 姓名： 学号： 时间： 目录 一、课程设计背景1二、实验内容1三、控制对象建模2四、控制对象特性分析3五、控制策略的确定和实现 4六、实验感想8七、参考文献9一、课程设计背景航天飞机是一种有人驾驶的、主要部分可以重复使用的空间运输工具。它可 以像火箭那样垂直起非，像载人飞船那样在轨道上运动，像飞机那样滑翔，在地 面上水平着陆。航天飞机除了运载和部署卫星以外，还可以检修、回收卫星，或 进行空间营救。在军事方面，航天飞机还可以执行载人近地轨道实时侦察、拦截 卫星、战略轰炸等任务。在空间科

2、学技术的应用方面也非常广泛，如发射空间实 验室和建立永久性国际空间站等。航天飞机控制系统代表了迄今为止最复杂的一种航天器控制系统，它包括运 载火箭、卫星和飞机3种不同的控制，而且要求这三者有机地结合。航天飞机的 飞行包括发射上升、人轨、轨道运行、离轨和再人返回等阶段。控制系统要保证 航天飞机在各种飞行状况下正常执行任务和安全可靠地运行。同时航天飞机又是 载人航天器和多次重复使用的，因此，该控制系统的可靠性和安全性等方面的要 求也都是极其严格的。航天飞机控制系统包括轨道和姿态控制两个部分。轨道控 制具体包括导航、制导和控制3种功能。另外，还可以使航天飞机与同轨道平面 内最大相距560 km的目标

3、相会合。气动力控制系统 轨道器的主要气动力控制装置是机翼尾部的升降副翼和垂直尾翼上的方向舵。升降副翼位于轨道器尾部两侧，升降副翼做成开裂式，分为内翼和外翼两片。 此外，机身后部下面还有一对襟翼。每个升降副翼有效面积为19. 19 ，偏转角从- 40+25。方向舵高8. 23 m，根部翼弦长6. 70 m，有效面积为9. 08 。方 向舵用作方向控制时，从机身的纵对称面向左、右各可转动22. 8；用作速度制 动时，可沿纵剖面对称地裂开，两半各可向一侧偏转87. 2，总的偏转角为174. 4。升降副翼用于俯仰和滚动姿态控制，方向舵用于偏航姿态控制。机身下面的 一对襟翼也可提供一定程度的俯仰控制。

4、垂直尾翼上的方向舵主要用作偏航控 制。二、实验内容宇宙空间的开发利用的关键之一是一种可重复使用的地球轨道间的运输系统。这就是指航天飞机。航天飞机可运载大量的货物至太空并可返回地球再使 用。图 1 给出一个航天飞机俯仰控制系统的方框图。图中，传感器传递函数为0.3( s + 0.05)( s 2 +1600)H ( s ) = 0 . 5 ；被控过程的传递函数为 G( s) =。( s 2 + 0.05s +16)( s + 70)期望俯仰角R ( s )控制器扰动D ( s )被控对象实际俯仰角Y ( s )G ( s )H ( s )G ( s )c测量噪声图 1航天飞机俯仰控制系统的方框图

5、2、控制设计要求：c试设计一个控制器 G ( s) ，使航天飞机俯仰控制系统的满足：（1） 阶跃输入下的百分比超调量小于 15%；（2） 阶跃输入下无稳态误差。三、控制对象建模先考虑系统在不加入扰动的情况下搭建 s i mul i nk 模型：四、控制对象特性分析 1. 系统稳定性在 ma t l ab 中输入： num=0. 3* conv( 1 0. 05 , 1 0 1600 ) ; den=c onv( 1 0. 05 16 , 1 70 ) ; s 1=t f ( num, den) ; r l t ool ( s 1)得到系统的根轨迹图极点全部具有负实部，故系统稳定。2. 系统快速

6、性在 ma t l ab 中继续输入：s =f eedback( s 1, 0. 5) ; s t ep( s )上升时间 t s =0. 85S，系统响应较快速。3. 系统准确性由上图可知系统最终稳定值趋向 0，且稳定误差小于 5%，系统准确。五、控制策略的确定和实现因为输入 R（s ）为单位阶跃输入, 且系统反馈为 0. 5, 故应设计控制器使得输 出 Y( s ) 的稳定值为 2，在此选用 PI D控制器。（1）暂不考虑扰动情况下加入 PI D。 初步设计 PI D控制器如下系统超调量过大，不满足设计要求，需要改进 PI D数据。 经过多次调试，最终确定 PI D各参数为 Kp=90，K

7、i =80，Td=0. 1, 系统如下：根据响应图中可知超调量=5%, es s r =0, 满足设计要求。（2）加入扰动 D（s ）如下，输入信号为 5 秒时刻产生的单位阶跃输入系统输出响应可见扰动只对系统输出产生极小的影响，仍满足系统设计要求。（3）加入噪声干扰，强度为 0. 00001，系统响应出现波动。系统仍然符合要求，并不需要修改 PI D数值。设 计 总 结 ：加入 PI D控制器可使系统满足超调量小于 5%且无稳态误差的设计要求。 传递函数六、实验感想这次的实验内容是航天飞机的俯仰角控制设计，这次课程设计可以说是对学 了一学期的自动控制原理的总结和温习，是一次综合的实践课程设计，

8、在设计过 程中把理论和实践很好的结合在一起，加深了我对自动控制原理理论和实践部分 的理解。本次使用的是设计 PI D控制器来调整系统，通过此次课程设计我对控制器的 设计步骤有了颇为清楚的了解，对 PI D整定设计控制器有了更深的认识，在设计 过程中虽然有很多的困难，但同时也对实践有了更进一步的了解。在用 PI D设计 过程中，比较麻烦的就是参数的选定，K、Ti 、Td 这几个参数的选定花了不少的 时间，在通过不断的实验和试探之后，选定了比较理想的数据，实验才得以继续 进行。然后就是在加入扰动的过程中遇到了些许问题。最终通过仿真实验，控制 参数整定，控制方法改进，控制效果分析得到了一个稳定性、准确性、快速性的 控制器。此次课程设计让我对 PI D的参数整定有了更深的了解和领悟，这通过与同学 组员之间的讨论与交流，对自动控制原理的设计有了较深的理解，更培养了自身 对这对设计的探索和求知精神。七、参考文献自动控制原理理论篇中国电力出版社自动控制原理实验与实践中国电力出版社 控制系统的 MATLAB 仿真与设计 高等教育出版社 百度百科