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Matlab仿真在船舶航向自动控制系统中的研究与仿真陶小林
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2017()5X
【摘要】船舶的运动状态受到众多因素的影响,尤其是各种因素的叠加会对航向自动控制系统造成潜在的不稳定。
而这些不良因素一般很难在设计阶段就被发现,只有通过仿真软件,对各种影响因素进行仿真验证,才能够降低航向控制系统发生故障的概率。
本文主要采用Matlab软件对船舶的航向自动控制系统进行仿真与优化,并设计合适的PID控制策略,从多种角度对船舶的状态特性和运行稳态特性进行仿真,通过采用反馈校正算法,一定程度上提升了航向自动控制系统的精度。
【总页数】3页(P82-84)
【关键词】航向控制;反馈;PID
【作者】陶小林
【作者单位】黄河水利职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】U664.82
【相关文献】
1.基于模糊理论的船舶航向控制仿真研究 [J], 陈磊;金超;吴开峰
2.恶劣海况下船舶航向控制仿真及应用研究 [J], 郭亦平;杜春旺;李明;王红波
3.基于广义预测控制的船舶航向控制仿真研究 [J], 范朗;张艳
4.船舶航向非线性控制系统仿真研究 [J], 徐益;老大中;李东海;宋跃进
5.非线性船舶航向自抗扰控制器的仿真研究 [J], 周柏清
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1实验5. 控制理论仿真实验1 控制系统的建模一、实验目的1.学习在MATLAB 命令窗口建立系统模型的方法；2.学习如何在三种模型之间相互转换；3.学习如何用SIMULINK 仿真工具建模。
二、相关知识1.传递函数模型设连续系统的传递函数为：nn n n m m m m a s a s a s a b s b s b s b s den s num s G ++++++++==----11101110)()()( 设离散系统的传递函数为：n n n n m m m m a z a z a z a b z b z b z b z den z num z G ++++++++==----11101110)()()( 则在MATLAB 中，都可直接用分子/分母多项式系数构成的两个向量num 与den 构成的矢量组[num ,den ]表示系统，即num =],,,[10m b b b den =],,,[10n a a a建立控制系统的传递函数模型（对象）的函数为tf (),调用格式为：sys=tf (num ,den )sys=tf (num ,den ,Ts)sys=tf(othersys)sys=tf (num ,den )返回的变量sys 为连续系统的传递函数模型。
sys=tf (num ,den ,Ts)返回的变量sys 为离散系统的传递函数模型，Ts 为采样周期，当Ts=-1或Ts=[]时，系统的采样周期未定义。
sys=tf(othersys)将任意的控制系统对象转换成传递函数模型。
离散系统的传递函数的表达式还有一种表示为1-z 的形式（即DSP 形式），转换为DSP 形式的函数命令为filt()，调用格式为：sys=filt(num ,den )sys=filt(num ,den ,Ts)sys=filt(num ,den )函数用来建立一个采样时间未指定的DSP 形式传递函数。
sys=filt(num ,den ,Ts)函数用来建立一个采样时间为Ts 的DSP 形式传递函数。
基于Matlab的飞艇控制半物理实时仿真系统设计姜达郁;李中健【摘要】As the large airship inertia, long response times, low mobility, a method based on linear matrix inequality (LMI) technology was adopted to design the control law algorithm and to improve its mobility. In order to verify the performance of the airship control law, a semi-physical simulation platform was built on the basis of the XPC real-time simulation platform in Matlab, and the reflective memory network composed of the serial port and the reflected optic filler between the host/target and the flight control computer/ground station to achieve the information communication between the host/target and the flight control computer/ground stations. The real-time simulation results show that the system can intuitively and effectively verify the performance of various control law algorithms. It provides a useful reference for engineering applications of the flight control algorithms.%由于飞艇惯性大,响应时间长,机动性低,为了提高机动性,采用基于LMI线性矩阵不等式的方法设计控制律算法,为了验证飞艇控制律的性能,在Matlab的XPC实时仿真平台基础上,搭建半物理仿真平台,研究了宿主/目标机和飞控计算机及地面操作站之间通过串口和反射光纤组成的反射内存网实现宿主/目标机和飞控计算机及地面操作站之间的信息通讯.系统实时仿真的结果表明,该系统能直观有效地验证各种控制律算法的性能,为飞控算法移植到工程应用中提供了有益的参考.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)012【总页数】4页(P130-133)【关键词】LMI;无人飞艇;实时仿真;XPC【作者】姜达郁;李中健【作者单位】西北工业大学自动化学院,陕西西安 710129;西北工业大学自动化学院,陕西西安 710129【正文语种】中文【中图分类】TN911-340 引言由于飞艇耗能低、造价低、经济性好；可长时间悬停留空或浮空飞行，续航时间很长；具有垂直起降功能，无须占用跑道，机动性能好；可以大型化、载荷能力强；噪声小，隐身性好，安全性能好等因素，飞艇及其应用技术得到了突飞猛进的发展，同时对飞艇控制技术提出了更高要求[1]。
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告一、实验目的本实验旨在通过MATLAB软件进行控制系统的仿真，并通过仿真结果分析控制系统的性能。
二、实验器材1.计算机2.MATLAB软件三、实验内容1.搭建控制系统模型在MATLAB软件中，通过使用控制系统工具箱，我们可以搭建不同类型的控制系统模型。
本实验中我们选择了一个简单的比例控制系统模型。
2.设定输入信号我们需要为控制系统提供输入信号进行仿真。
在MATLAB中，我们可以使用信号工具箱来产生不同类型的信号。
本实验中，我们选择了一个阶跃信号作为输入信号。
3.运行仿真通过设置模型参数、输入信号以及仿真时间等相关参数后，我们可以运行仿真。
MATLAB会根据系统模型和输入信号产生输出信号，并显示在仿真界面上。
4.分析控制系统性能根据仿真结果，我们可以对控制系统的性能进行分析。
常见的性能指标包括系统的稳态误差、超调量、响应时间等。
四、实验步骤1. 打开MATLAB软件，并在命令窗口中输入“controlSystemDesigner”命令，打开控制系统工具箱。
2.在控制系统工具箱中选择比例控制器模型，并设置相应的增益参数。
3.在信号工具箱中选择阶跃信号，并设置相应的幅值和起始时间。
4.在仿真界面中设置仿真时间，并点击运行按钮，开始仿真。
5.根据仿真结果，分析控制系统的性能指标，并记录下相应的数值，并根据数值进行分析和讨论。
五、实验结果与分析根据运行仿真获得的结果，我们可以得到控制系统的输出信号曲线。
通过观察输出信号的稳态值、超调量、响应时间等性能指标，我们可以对控制系统的性能进行分析和评价。
六、实验总结通过本次实验，我们学习了如何使用MATLAB软件进行控制系统仿真，并提取控制系统的性能指标。
通过实验，我们可以更加直观地理解控制系统的工作原理，为控制系统设计和分析提供了重要的工具和思路。
七、实验心得通过本次实验，我深刻理解了控制系统仿真的重要性和必要性。
MATLAB软件提供了强大的仿真工具和功能，能够帮助我们更好地理解和分析控制系统的性能。
船舶拖航系统六自由度操纵运动仿真船舶拖航系统六自由度操纵运动仿真船舶拖航系统是一种重要的海上运输设备，在海上货物运输中起到了非常关键的作用，而如何提高船舶拖航系统的操控能力是当前研究的热点。
船舶拖航系统的操纵运动仿真是一种非常有效的工具，可以模拟出各种不同的船舶拖航运动，对于提高系统的操纵能力具有重要意义。
船舶拖航系统的六自由度操纵运动是指在三个轴向分别进行平移和旋转的运动。
这六个自由度是：横向平移、纵向平移、垂直平移、绕X轴旋转、绕Y轴旋转和绕Z轴旋转。
在实际操作中，船舶拖航系统的操纵运动非常复杂，需要通过软件仿真来模拟出各种不同情况下的运动模式。
实现船舶拖航系统六自由度操纵运动仿真需要使用专业的仿真软件，如MATLAB/Simulink、ADAMS等。
这些软件具有良好的仿真性能和精度，可以精确地模拟出船舶拖航系统的各个运动指标。
以MATLAB/Simulink为例，其基于多体动力学理论，可以对船舶拖航系统进行六自由度动力学仿真，包括运动方程、力学方程和动力学方程等。
在进行船舶拖航系统六自由度操纵运动仿真时，需要考虑各种常见因素，并对其进行参数设置。
通常需要设置船舶的结构参数、物理参数、环境参数和控制参数等，以便精确地进行仿真分析。
其中结构参数包括船舶的长、宽、高等尺寸信息；物理参数包括船舶的质量、重心、惯性矩等；环境参数包括海洋水流、波浪等外部环境影响；控制参数包括船舶的操纵系统和控制策略等。
在仿真系统中，可以使用多种不同的仿真模式，如驱动模式、跟踪模式和预演模式等。
驱动模式是指在实际操纵情况下，通过对船舶各项指令进行控制，模拟出其对应的运动模式。
跟踪模式是指模拟出船舶跟随目标物体进行拖航操作的情况。
预演模式是指在不同环境条件下，模拟出船舶在某些特殊情况下的运动模式，以便用于系统优化和改进等方面。
总之，船舶拖航系统六自由度操纵运动仿真是一种非常重要的技术手段，对于提高船舶拖航系统的操纵能力具有重要意义。
基于Modelica∕MWorks的舰船液压操舵系统建模与仿真舰船液压操舵系统是海洋船舶中非常重要的控制系统，它们负责将舵轮的运动转化为舵柄的旋转，从而改变船舶的方向。
为了保证船舶的运行稳定性和安全性，必须对其进行系统建模和仿真分析，以便在实际应用中发现并解决潜在问题。
本文将介绍使用Modelica∕MWorks进行舰船液压操舵系统建模和仿真分析的方法及结果。
首先，我们需要对舰船液压操舵系统进行建模。
该系统主要包括舵轮、舵链、齿轮、液压缸等多个部分。
在Modelica中，这些部分都可以被定义为一个个组件。
我们可以使用连接器将这些组件连接起来，形成完整的系统。
为了进一步简化模型，我们将使用代理组件来代替实际液压管道的建模，这样可以更方便地描述整个系统状态。
在建模过程中，我们需要确定每个组件的物理参数，例如模块的惯性、质量、弹性系数等。
这些参数通常是从船舶制造商提供的技术规格书和实验数据中获得的。
我们还需要定义控制算法和仿真参数，以便在仿真过程中模拟控制算法的交互。
接下来，我们可以使用Modelica的仿真工具MWorks来模拟系统的运行。
MWorks提供了与模型对应的仿真界面，方便用户控制仿真参数和查看模型输出结果。
在绘制结果时，我们可以添加曲线拟合和突变点检测等功能，对结果进行更深入的分析。
通过仿真结果，我们可以对舰船液压操舵系统的表现进行评估。
例如，我们可以检查系统响应时间是否足够快，是否存在过度振荡或不稳定性等问题。
如果在仿真过程中发现问题，我们可以通过调整组件参数或控制算法来改进系统性能，并通过重新仿真来测试改进效果。
总之，使用Modelic a∕MWorks进行舰船液压操舵系统建模和仿真分析是非常实用的方法，可以帮助我们发现潜在问题，并为实际应用提供指导。
在实际应用中，我们可以将该技术应用到各种不同类型的液压系统中，以支持基于仿真的设计优化。
为了更好地进行舰船液压操舵系统的建模和仿真分析，我们需要收集相关的数据，并进行分析。
如何使用Matlab进行控制系统仿真概述控制系统在工程领域中扮演着重要角色，它用于控制和管理各种工程过程和设备。
而控制系统仿真则是设计、开发和测试控制系统的关键环节之一。
Matlab作为一种功能强大的工程计算软件，提供了丰富的工具和功能，可以帮助工程师进行控制系统仿真。
本文将简要介绍如何使用Matlab进行控制系统仿真，以及一些实用的技巧和建议。
1. Matlab的基础知识在开始控制系统仿真之前，有一些Matlab的基础知识是必要的。
首先，了解Matlab的基本语法和命令，熟悉Matlab的工作环境和编辑器。
其次，学会使用Matlab的集成开发环境（IDE）进行编程和数学建模。
熟悉Matlab的常用函数和工具箱，并了解如何在Matlab中导入和导出数据。
2. 定义系统模型在进行控制系统仿真之前，需要定义系统的数学模型。
根据具体情况选择合适的建模方法，如传递函数、状态空间或差分方程等。
在Matlab中，可以使用tf、ss 或zpk等函数来创建系统模型，并指定系统的参数和输入信号。
此外，Matlab还提供了Simulink这一强大的图形化建模环境，方便用户以图形化界面设计系统模型。
3. 设计控制器控制系统仿真的关键是设计合适的控制器，以实现所需的控制目标。
Matlab提供了各种控制器设计方法和工具，如PID控制器、根轨迹法、频域方法等。
用户可以使用Matlab的Control System Toolbox来设计和分析控制器，并在仿真中进行验证。
此外，Matlab还支持自适应控制和模糊控制等高级控制方法，可根据具体需求选择合适的方法。
4. 进行仿真实验在完成系统模型和控制器设计后，可以开始进行控制系统仿真实验。
首先，确定仿真实验的输入信号，如阶跃信号、正弦信号或随机信号等。
然后，使用Matlab中的sim函数将输入信号应用到系统模型中，并观察系统的输出响应。
通过调整控制器参数或设计不同的控制器，分析系统的性能和稳定性，并优化控制器的设计。
MATLAB控制系统仿真实验模板新
建立一个MATLAB控制系统仿真实验模板，可以按照以下步骤进行：
1. 定义系统模型：定义系统的数学模型，包括传递函数、状态空间方程或差分方程等。
2. 设计控制器：根据系统模型和控制要求，设计控制器，可以是PID控制器、模糊控制器、最优控制器等。
3. 选择仿真工具：选择MATLAB的Simulink仿真工具，可以通过拖拽元件和连接线的方式构建仿真模型。
4. 进行仿真实验：设置仿真参数，运行仿真实验，观察系统的动态响应和稳态性能。
5. 分析仿真结果：根据仿真结果，评价系统的控制效果，优化控制器设计或系统参数调整。
6. 输出实验报告：根据实验结果，输出实验报告，包括系统模型、控制器设计、仿真结果分析和结论等。
在创建模板时，可以使用MATLAB的模板功能，在文件-新建-模板选项中选择Simulink模板，然后选择控制系统仿真实验模板。
输入模板名称后保存即可。
使用模板时，可以根据具体实验要求修改系统模型、控制器、仿真参数等，以完成具体实验内容。
clear;%%%%%船舶设计参数.L=56.5; %船长L（m）B=10.4; %船宽B（m）d=3.1; %吃水d（m）D=1323.2; %排水D（m）Cw=0.686; %设计水线面积系数Cb=0.559; %方形系数%%%%%船舶横摇参数.g=9.8; %重力加速度gc=0.35; %计算横摇惯性半径系数Lou=c*B; %横摇惯性半径（m）Jt=D/g*Lou^2; %横摇总转动惯量Jθ+△JθdJt=0.25*Jt; %横摇附加转动惯量△Jθ（kg*m*s^2）h=0.94; %横稳性中心高 h（m）wt=(D*h/Jt)^1/2; %横摇固有角频率ωθmt=0.16/2; %横摇阻尼因子μθ%%%%%船舶纵摇参数.Jf=0.07*D/g*Cw*L^2; %纵摇总转动惯量JφdJf=Jf; %纵摇附加转动惯量△JφR=(Cw*L)^2/(14*Cb*d);%纵稳心半径（m）H=R; %纵稳性中心高（m）wf=(D*H/(Jf+dJf))^1/2;%纵摇固有角频率ωφmf=0.36; %纵摇阻尼因子μφ%%%%%随机海浪参数.1Ut=11; %风速（m/s）（22Kn）Lm=128; %海浪波长（m）h1=3.3; %有义波高（m）T=8.6; %波浪固有周期（s）PI=3.1415926;w=2*PI/T; %波圆频率ωv=Lm/T; %波相速度（m/s）k=2*PI/Lm; %波数hw=0.17*Lm^(3/4); %波高（m）waveA=hw/2; %波幅（m）Xt=exp(-k*d/2); %有限吃水修正系数XθtXb=1-sqrt(Cw)*(B/Lm)^2;%有限船宽修正系数Xθbx=Xt*Xb; %波倾修正系数Xθa0=k*waveA; %最大波倾角a0ae0=x*a0; %最大有效波倾角ae0%%%%%随机海浪的波倾角仿真.beta=PI/6; %遭遇波倾角β（浪向角）V=5; %船舶航速V（m/s）dw=0.08; %仿真频率增量△ωwi=0.24:0.08:2.4; %各仿真点频率a=0.779; %海浪谱系数Ab=3.116/h1^2; %海浪谱系数Bfor i=1:28we(i)=wi(i)-wi(i)^2/g*V*cos(beta);%各仿真点遭遇频率ωe2Swi(i)=a/wi(i)^5*exp(-b/wi(i)^4); %单参数海浪谱S（ω） Sawi(i)=wi(i)^4/g^2*Swi(i); %波倾角能量谱密度Sa（ω）Sadw(i)=sqrt(2*Sawi(i)*dw);endMinT=0; %仿真采样的最小时间MaxT=MinT+600; %仿真采样的最大时间t=MinT:0.2:MaxT; %时间t（s）at=0; %横摇波倾角af=0; %纵摇波倾角for i=1:28e(i)=rand; %产生随机数εiat=at+(Sadw(i)*(cos(we(i)*t+e(i))))*sin(beta);af=af+(Sadw(i)*(cos(we(i)*t+e(i))))*cos(beta);end%%%%%船舶横摇模型求解.%状态方程:[DX1;DX2]=[0 1;-a2 -a1]*[X1;X2]+[b1;b2]*u,即;X'=AX+BU%输出方程;y=[1 0]*[X1;X2],即:Y=CX+DU%X1,X2为状态变量,输入信号 u=a(t),输出信号y=θa1t=2*mt*wt;a2t=wt^2;b0t=wt^2*dJt/(D*h);3b1t=a1t*(1-b0t);b2t=wt^2-a1t^2*(1-b0t)-wt^2*b0t;AAt=[0 1;-a2t -a1t];BBt=[b1t;b2t];CCt=[1 0];DDt=b0t;[Yt,Xt]=lsim(AAt,BBt,CCt,DDt,at,t);%得到船舶摇荡的横摇角信号%%%%%船舶纵摇模型a1f=2*mf*wf;a2f=wf^2;b0f=wf^2*dJf/(D*H);b1f=a1f*(1-b0f);b2f=wf^2-a1f^2*(1-b0f)-wf^2*b0f;AAf=[0 1;-a2f -a1f];BBf=[b1f;b2f];CCf=[1 0];DDf=b0f;[Yf,Xf]=lsim(AAf,BBf,CCf,DDf,af,t);%得到船舶摇荡的纵摇角信号%%%%%船舶横摇角.纵摇角仿真曲线figure(1)plot(t,Yt,'-r',t,0)xlabel('时间（秒）','FontWeight','bold')ylabel('船舶横摇角','FontWeight','bold')4grid onfigure(2)plot(t,Yf,'-k',t,0)xlabel('时间（秒）','FontWeight','bold')ylabel('船舶纵摇角','FontWeight','bold')grid on5。
船舶自动化控制系统的设计与模拟仿真随着技术的不断发展，船舶自动化控制系统的发展也越来越成熟。
船舶自动化控制系统包括了许多重要的部件和子系统，例如温度传感器、液位传感器、自动阀门和控制面板等。
这些部件的整合在一起，构成了一个完整的系统，使得船舶在操作中更加自动化和高效。
在船舶的操作过程中，如果能够利用自动控制技术，可以大大提高生产效率，降低劳动力成本，提高船舶的安全和可靠性。
船舶自动化控制系统主要由以下几个方面组成：一、传感器和测量部分传感器和测量部分是船舶自动化控制系统的核心部分之一，主要目的是实时采集和测量相关物理量。
船舶的运行需要监测许多参数，例如船舶的速度、位置、燃油供应等，这些参数在船舶操作中是非常重要的。
因此，传感器和测量部件需要极度精确和可靠，才能够确保船舶操作的有效性和安全性。
二、控制器和执行器控制器和执行器是船舶自动化控制系统中的另一个重要部分，主要目的是实现船舶自动化控制系统的自动化操作。
控制器可以根据传感器和测量部分获取的数据，对船舶做出正确的决策和控制，例如调整船舶的速度、方向和航线等。
执行器是执行控制器命令的部分，例如调整船舶的舵和油门等，主要目的是实现船舶的正确航行和操作。
三、通信和处理器船舶自动化控制系统中的通信和处理器部分非常重要，主要目的是实现船舶控制系统之间的通信和处理船舶操作相关的数据。
现在很多的船舶自动化控制系统已经采用了分布式的网络架构，因此通信和处理器部分需要具备高可靠性和高伸缩性，以便满足不同船舶的需求。
船舶自动化控制系统还需要对其进行建模和仿真，以检验和改进其性能。
建模和仿真是船舶自动化控制系统设计和开发过程中非常重要的一步，可以使系统设计者更好地了解系统的性能和功能，并在不同操作条件下进行测试和检验，发现和解决潜在问题。
下面将介绍船舶自动化控制系统的建模和仿真过程。
一、建模船舶自动化控制系统建模主要分为两个方面：系统物理模型和系统控制模型。
系统物理模型是将船舶自动化控制系统中各个物理部件进行建模，包括不同部件的位置、形状、功率和负载等参数。
控制系统的MATLAB计算及仿真控制系统是一种用来实现对物理系统或工程系统进行控制的方法和工具。
MATLAB是一种强大的计算机软件包，能够方便地进行控制系统的计算和仿真。
本文将介绍MATLAB在控制系统中的应用，并以一个简单的例子来说明如何用MATLAB进行控制系统的计算和仿真。
首先，我们需要打开MATLAB软件并创建一个新的脚本文件。
在脚本文件中，我们可以使用MATLAB提供的函数来定义控制系统的传递函数和状态空间模型。
例如，我们可以使用tf函数来定义一个传递函数模型。
传递函数是描述系统输入与输出之间关系的一种数学模型。
以下是一个例子：```MATLABs = tf('s');G=1/(s^2+2*s+1);```这个传递函数模型表示一个具有二阶惯性的系统。
我们可以使用step函数来绘制系统的阶跃响应曲线：```MATLABstep(G);```通过运行脚本文件，我们可以得到系统的阶跃响应曲线。
此外，MATLAB还提供了许多其他的函数和命令来计算和仿真控制系统。
另外，我们还可以使用stateSpace函数来定义一个状态空间模型。
状态空间模型是控制系统中另一种常用的数学模型。
以下是一个例子：```MATLABA=[01;-1-1];B=[0;1];C=[10];D=0;sys = ss(A, B, C, D);```这个状态空间模型描述了一个二阶系统的状态方程和输出方程。
我们可以使用step函数来绘制系统的阶跃响应曲线：```MATLABstep(sys);```通过运行脚本文件，我们可以得到系统的阶跃响应曲线。
除了step函数外，MATLAB还提供了许多其他的函数和命令来计算和仿真状态空间模型。
在控制系统中，还常常需要对系统进行参数调节和性能优化。
MATLAB提供了一系列的控制系统工具箱，用于进行控制系统的分析和设计。
例如，Control System Toolbox提供了用于线性系统分析和设计的工具。
