水下機器人運動(dòng)控制系統設計與實(shí)現

2.3 電機與推進(jìn)器傳遞函數

　　(1) 直流電機傳遞函數

　　一般直流電機的動(dòng)態(tài)特性為慣性環(huán)節，其傳遞函數為：

　　系統閉環(huán)傳遞函數為：

　　在MATLAB Simulink環(huán)境下進(jìn)行模型搭建，如圖3所示。

　　輸入一個(gè)階躍信號，用以模擬航向設定值，信號如圖4所示。反復調整PID參數，獲得了比較理想的響應曲線(xiàn)如圖5所示。

　　從響應曲線(xiàn)可得，系統較快地上升到設定值附近，在經(jīng)過(guò)一個(gè)較小的超調后，穩定在設定值。響應時(shí)間約為8s左右，能夠滿(mǎn)足對ROV定向控制的要求。

3 航向控制閉環(huán)模擬試驗

　　設計如圖6所示的閉環(huán)結構對ROV進(jìn)行航向控制閉環(huán)回路的模擬。

　　上位機發(fā)送定向設定值120°至PC104，PC104生成推進(jìn)器的輸出信號。工業(yè)控制計算機采集PC104生成的4路水平方向上的DA輸出信號。工業(yè)控制計算機上運行仿真計算程序，將采集的信號作為輸入量，經(jīng)閉環(huán)傳遞函數處理后，得到航向輸出量，并在界面上顯示，同時(shí)將航向數據由串口發(fā)送至PC104的羅經(jīng)串口，再由PC104采集后，繼續進(jìn)行數字PID運算，以此實(shí)現閉環(huán)回路。

　　將采集的4路電壓信號和航向變化來(lái)說(shuō)明航向控制的調節過(guò)程，以偏差2°作為間隔，記錄每次數據，實(shí)驗數據如表1所示。

　　從表1中數據可得：轉向調節時(shí)，4路推進(jìn)器的輸出電壓所產(chǎn)生的力矩方向一致，以便ROV能盡快達到設定值附近。設定航向為120°，隨著(zhù)控制過(guò)程的進(jìn)行，航向偏差由高到低變化，到0之后，形成一定超調量，此時(shí)航向會(huì )繼續增大，在到達頂點(diǎn)后開(kāi)始下降，并進(jìn)入振蕩過(guò)程，系統經(jīng)過(guò)短時(shí)間的振蕩，最后會(huì )趨于穩定。模擬實(shí)驗的結果驗證了控制系統的可靠性。

4 結論

　　本文主要研究了ROV的運動(dòng)學(xué)模型的建立以及航向控制策略。首先對航向閉環(huán)控制系統進(jìn)行研究，推導出了ROV航向閉環(huán)控制系統的傳遞函數。再基于PID算法和Simulink仿真完成了PID控制器的設計。最后，建立模擬閉環(huán)仿真系統，對ROV的航向調節控制進(jìn)行仿真驗證，對試驗結果和試驗數據進(jìn)行了分析和總結，驗證了所使用的控制算法及所設計的PID控制器的可行性。

　　參考文獻：

　　[1]孫玉山,梁霄,萬(wàn)磊,等.一種開(kāi)架式水下機器人控制技術(shù)的研究[J].四川大學(xué)學(xué)報.2008,40(2): 147-152.

　　[2]晏勇,馬培蓀,王道炎,等.深海ROV及其作業(yè)系統綜述[J].機器人,2005,27(1):82-89.

　　[3]朱康武,顧臨怡.作業(yè)型遙控水下運載器的多變量backstepping魯棒控制[J].控制理論與應用,2011,28(10):1441-1446.

　　[4]邊宇樞,高志慧,贠超. 6自由度水下機器人動(dòng)力學(xué)分析與運動(dòng)控制[J].機械工程學(xué)報,2007,43(7):87-92.

　　[5]唐旭東,龐永杰,李曄.水下機器人運動(dòng)的免疫控制方法[J].電機與控制學(xué)報,2007,11(6):676-680.

　　[6]嚴衛生.魚(yú)雷航行力學(xué)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

　　[7]李殿璞.船舶的數學(xué)建模[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

　　[8]黃海.遙控潛水器的控制體系結構及作業(yè)技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2011.

本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第33頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。