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1、西北工业大学 2008 至 2009 学年第一学期鱼雷自动控制系统期末考试试题A 诚信保证 本人知晓我校考场规则和违纪处分条例的有关规定，保证遵守考场规则，诚实 做人。本人签字： 编号： 西北工业大学考试试题（卷） 2008 2009 学年第一学期 开课学院航海学院课程鱼雷自动控制系统学时 32 考试日期 2008 年 11 月 3 日考试时间2小时 考试形式（闭）卷（ A）卷 题号一二三四五六七总分 得分 考生班级学号姓名 一、概念题（每题5 分，共 30 分） 1、欧拉角； 2、捷联式惯导系统； 3、自由角； 4、失衡力矩 5、鱼雷弹道的袋形深度； 6、舵角管制 二、简答题（每小题6 分，
2、共 30 分） 1、说明陀螺仪（分为单自由度和双自由度）的基本原理及在鱼雷自动控制系统中的 应用。 2、比较电动舵机和液压舵机的优缺点。 3、采用加速度计或摆锤测量鱼雷的俯仰角时，鱼雷航行初期阶段的加速度对控制系 统有何影响，使用中如何克服？ 4、分别写出具有俯仰角信号和具有垂直速度和垂直加速度信号的鱼雷深控系统控制 方程。 5、讨论输入参考信号分别为单位阶跃信号、单位斜坡信号和单位加速度信号时，比 例式航向控制系统的稳态误差与控制参数K的关系。 注： 1. 命题纸上一般不留答题位置，试题请用小四、宋体打印且不出框。 2. 命题教师和审题教师姓名应在试卷存档时填写。共 2 页第 1 页 西北工
3、业大学命题专用纸 三、控制系统传递函数为（20 分） 试用极点配置方法， 确定反馈增益矩阵，使闭环系统的特征值为 ， 四、鱼雷横滚控制系统如下图所示：（20 分） 图中，鱼雷横滚控制系统的开环传递函数为 试用渐近稳定频域判据 , 求该非线性系统的渐近稳定条件。 教务处印制共 2 页第 2 页 西北工业大学 20082009学年第一学期鱼雷自动控制系统期末考试试题A答案 一、概念题（每小题5 分；共 30 分） 1、欧拉角：地面坐标系与雷体坐标系之间的位置可用航向角、俯仰角和横滚角 三个角度来确定，称为欧拉角。 2、捷联式惯导系统：捷联式惯性导航系统是一个信息处理系统，就是把鱼雷上 安装的惯性仪
4、表所测量的鱼雷运动信息，经过计算机处理成所需要的导航和控 制信息。计算的内容和要求，根据捷联惯导的应用和功能要求的不同而有很大 的差别。 3、自由角：自由角指为了使鱼雷在设定深度上航行，必须保持平衡，可在鱼雷 发射之前预先将横舵转动一个角度，这个预先设定的横舵角习惯上称为自由角。 由于加入自由角后，当鱼雷在设定深度上航行时，其攻角和舵角分别等于平衡 攻角和平衡舵角，所以消除了深度偏差。 4、失衡力矩：螺旋桨转动时，流体对纵轴产生的力矩将引起雷体滚动，为了消 除这种滚动，鱼雷都采用双桨对转，并且在设计时尽可能使双桨转矩平衡，如 果双桨不能完全平衡，其转矩之差称为失衡力矩。 5、鱼雷弹道的袋形深度
5、：指鱼雷发射后形成的袋形弹道的最大深度，水上发射 时，袋形深度指从水面到鱼雷最大下潜深度的距离，水下发射时，袋形深度指 发射重心线到鱼雷最大下潜深度的距离。 6、舵角管制：管制指在鱼雷初始航行阶段，将横舵锁定在某一范围或一定的角 度上，防止鱼雷在发射后的初期出现跳水或下潜过深，使鱼雷能迅速到达设定 的航行深度。 二、简答题（每小题6 分，共 30 分） 1、说明陀螺仪（分为单自由度和双自由度）的基本原理及在鱼雷自动控制系统 中的应用。 答：单自由度陀螺仪利用了陀螺仪的进动性，在鱼雷自动控制系统中用于测量 角速度；双自由度陀螺仪利用了陀螺仪的定轴性，在鱼雷自动控制系统中用于 测量鱼雷航向角相对设
6、定航向的偏差以及俯仰角和横滚角。 2、比较电动舵机和液压舵机的优缺点。 答：电动舵机操舵功率小，舵机重量少，加工精度、装配调整、材料选用上没 有特殊的困难，成本较低，另外电动舵机的可靠性和可维护性好，还较易实现 多通道的控制。电动机的快速性和比功率较液压或气动作动筒来说是要差一些。 但采用校正环节或非线性控制设计方法，可以使电动舵机满足鱼雷控制系统的 要求。而且电动舵机所需的能源比气动或液压舵机容易实现，线路的铺设和改 装也很方便。液压舵机是以高压油为能源的执行机构。它和电动舵机、气动舵 机相比、具有功率增益大、转动惯量小，输出力矩大、运转平稳、快速性好、 结构紧凑、重量轻、体积小、灵敏度高、
7、控制功率小和承受负载大等优点。 3、采用加速度计或摆锤测量鱼雷的俯仰角时，鱼雷航行初期阶段的加速度对控 制系统有何影响，使用中如何克服？ 答：鱼雷发射后，在水中初期航行阶段，鱼雷是加速的，速度变化范围较大。 起初，鱼雷的速度低于额定航行速度，其后在推力作用下，鱼雷航行速度逐渐 增加，直至达到额定航速。在加速过程中，由于惯性力的作用，摆锤将产生不 规则运动，容易引起鱼雷跳水或下潜过深。为了防止鱼雷在发射后的初期阶段 出现跳水或下潜过深 ( 袋深) ，使鱼雷能迅速到达设定的航行深度，对于采用惯 性深控装置的鱼雷，在初期航行阶段，要将横舵加以“管制”，即将横舵锁定 在某一范围或一定的角度上。所以，在
8、发射后的某一段距离上，鱼雷的运动为 非操纵的。 4、分别写出具有俯仰角信号和具有垂直速度和垂直加速度信号的鱼雷深控系统 控制方程。 答：具有俯仰角信号的鱼雷深控系统控制方程： 具有垂直速度和垂直加速度信号的鱼雷深控系统控制方程： 5、 讨论输入参考信号分别为单位阶跃信号、单位斜坡信号和单位加速度信号时， 比例式航向控制系统的稳态误差与控制参数K的关系。 答：当输入信号为单位阶跃信号，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， 三、控制系统传递函数为（20 分） 试用极点配置方法，确定反馈增益矩阵，使闭环系统的特征值为 ， 答： 由于在传递函数中没有零极点对消现象，所以该单输入单输出系统是完 全可控和完全可观测的。其可控标准形实现为 反馈向量可写成： 闭环系统的特征方程为： 按给定极点，系统的特征方程应为 令上面两式中的同次项的系数相等，可得 ， 四、（ 20 分）四、鱼雷横滚控制系统如下图所示：（20 分） 图中，鱼雷横滚控制系统的开环传递函数为 试用渐近稳定频域判据 , 求该非线性系统的渐近稳定条件。 答：由于开环传递函数为 根据继电控制系统的频域判据： 第一条：如果且的零点有负实部，则系统渐近稳定。由 于这里，不符合条件。 第二条：如果，且的零点有 负实部，则系统渐近稳定。 可得 时闭环继电系统渐近稳定。