6、 设置仿真参数，进行仿真。
在Simulation下拉菜单中设置仿真参数，单击工具栏中的Start Simulation 图标 ），计算机开始仿真，示波器可显示出仿真曲线 。
7、通过曲线，分析系统性能。
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实验四：船舶自动舵控制器设计
实验学时：3 实验类型：设计 实验要求：必修 一、实验目的
1、了解船舶自动舵系统的组成，自动舵控制系统的结构、自动舵模型、控制器、环境载荷等；
2、掌握MATLAB环境下仿真方法； 3、掌握PID算法及参数的作用； 4、掌握调试PID控制器的方法；
5、掌握典型船舶自动控制系统的常用控制方法。 二、实验器材 1、PC机； 2、Matlab软件。 三、实验内容及要求
针对船舶自动舵控制系统，设计能满足以下功能的控制器。
1、利用自动舵模型，设计船舶自动舵闭环反馈控制系统，实现船舶自动艏向功能； 2、采用PID控制器，设计船舶自动舵控制系统；
3、采用带参考模型的PID控制器，设计船舶自动舵控制系统； 4、观察系统仿真曲线分析不同控制器的作用。 四、实验原理
船舶自动舵是重要导航系统（设备），用来保持船舶在给定航向或航迹上航行，是船舶操纵的关键设备。该系统采用工控计算机和专用计算机系统结合方式进行系统控制，工控计算机完成系统运算和信息处理，专用计算机系统完成部分单元的控制与检测，并与工控机进行信息交流，实现航向与航迹准确跟踪。该系统通过对海图信息、罗经信息和信号等信息的综合处理，采用大圆航线确定算法，使船舶的实际航迹接近设定航迹，航向控制更准确，减少航行过程中的打舵次数，节约能源延长舵机的使用寿命。
系统具有以下主要功能：具有航迹自动操舵功能、具有航向自动操舵功能、具有舵角随动操航功能、具有航角外控随动操蛇功能、具有手动操蛇功能、具有
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航迹数据显示功能。
图3-1 船舶自动舵示意图
图3-2 自动舵控制系统结构图
船舶在航行时，船速U?0，此时主要考虑的是纵荡和艏向两个自由度，纵荡方向主要是速度控制，艏向由于跟横荡方向的耦合影响，因此数学模型为:
Mv?N(u0)v?b?
?m?Y?vM???mxG?Y??rmxG?Y????Yvr?,N(u0)??Iz?N????Nvr??mu0?Yr???Y??b?，??N?
mxGu0?Nr?????从而可以转化为Nomoto模型： 二阶Nomoto模型：
r?(s)?K(T3s?1)
(T1s?1)(T2s?1)
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一阶Nomoto模型：
.r?(s)?K
(Ts?1)由于??r，可以得出：
?K (s)??s(1?Ts)K，T参数可以通过船舶Z操纵性实验求出。
??tet1?1t2?(0)?te???(0)?t5?3t6o?(0)?tt3?2t4te??(0)?t7?4
图3-3 Z型操舵试验特征曲线
五.实验步骤
1、在Matlab环境下编写船舶自动舵仿真程序； 2、设置模型参数，调试仿真程序；
3、设定定位参数，调试确定控制器最佳参数；
4、修改控制器参数，观察结果变化，体会控制器算法中比例、积分与微分所起的作用；
5、采用带参考模型PID控制器，分析该控制器的作用。 6、观察加干扰后，调试船舶自动舵仿真
六.预习要求
1、复习闭环负反馈系统、PID算法、前馈控制等相关知识； 2、按照实验要求事先编写程序；
3、按照实验要求事先选定几组试验数据进行测试；
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七.实验报告内容：
1、分析MATLAB仿真程序和各部分的功能
1）分析常规PID控制器、参考模型PID控制器的作用； 2） 分析自动舵模型、舵机模型、饱和环节等； 3）分析干扰下情况。 2、分析仿真结果
以30°为期望艏向，仿真时间定位500s，分析调试、运行结果。 八.思考题
1、如果实验中静态误差较大，需要调试哪个参数？ 2、为什么需要参考模型，参考模型的作用是什么？ 3、如何把改程序改成Simulink仿真程序？ 九.附 1. 参考模型
现代的自动舵系统必须有航向保持和转向功能。当需要变航向（即转向）操作时，我们可以通过设计参考模型来计算出期望的状态艏向?d，艏向变化率rd，以及艏向加速度ad；而航向保持可以被看做转向的一种的特殊情况，此时?d为一个常数。参考模型可以看成是一个航向指令的预滤波器。 我们设计一个简单的三阶滤波器：
3?dwn (s)?22?r(s?wn)(s?2?wns?wn)其中，?r是操作者输入值，?是阻尼比，wn是自然频率。需要注意的是：
lim?d(t)??r
t??且?d和?d对于阶跃响应指令?r是光滑有界的。这些就是选择三阶模型的而主要原因。
在许多情况下，在转向时限定期望的艏向变化率rd?rmax是非常有必要的，我们可以通过在参考模型中加入限幅结构来实现。艏向加速度ad??d也可以通过加入另外的限幅结构来限定ad?amax。于是，包含有速度限幅、加速度限幅的状态空间模型为：
???????d?sat(rd)
rd?sat(ad)
?
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计算机控制实验指导书2016
