水下机器人运动控制系统设计与实现 运动控制系统的分析与设计

2019-06-28 07:39:27 类别:运动 来源:天天综合网

编者按:本文针对水下机器人(Remote Operated Vehicle)的功能和控制需求,建立了ROV运动学模型,设计了ROV闭环定向控制系统。基于PID控制方法,进行了Simulink数学仿真和模拟闭环仿真,计算机仿真试验表明,系统能够较快地稳定到设定值,能够满足对ROV定向控制的要求,航向闭环模拟试验验证了控制系统的可靠性。

2.3 电机与推进器传递函数

  (1) 直流电机传递函数

  一般直流电机的动态特性为惯性环节,其传递函数为:

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  系统闭环传递函数为:

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  在MATLAB Simulink环境下进行模型搭建,如图3所示。

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  输入一个阶跃信号,用以模拟航向设定值,信号如图4所示。反复调整PID参数,获得了比较理想的响应曲线如图5所示。

  从响应曲线可得,系统较快地上升到设定值附近,在经过一个较小的超调后,稳定在设定值。响应时间约为8s左右,能够满足对ROV定向控制的要求。

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3 航向控制闭环模拟试验

  设计如图6所示的闭环结构对ROV进行航向控制闭环回路的模拟。

  上位机发送定向设定值120°至PC104,PC104生成推进器的输出信号。工业控制计算机采集PC104生成的4路水平方向上的DA输出信号。工业控制计算机上运行仿真计算程序,将采集的信号作为输入量,经闭环传递函数处理后,得到航向输出量,并在界面上显示,同时将航向数据由串口发送至PC104的罗经串口,再由PC104采集后,继续进行数字PID运算,以此实现闭环回路。

  将采集的4路电压信号和航向变化来说明航向控制的调节过程,以偏差2°作为间隔,记录每次数据,实验数据如表1所示。

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  从表1中数据可得:转向调节时,4路推进器的输出电压所产生的力矩方向一致,以便ROV能尽快达到设定值附近。设定航向为120°,随着控制过程的进行,航向偏差由高到低变化,到0之后,形成一定超调量,此时航向会继续增大,在到达顶点后开始下降,并进入振荡过程,系统经过短时间的振荡,最后会趋于稳定。模拟实验的结果验证了控制系统的可靠性。

4 结论

  本文主要研究了ROV的运动学模型的建立以及航向控制策略。首先对航向闭环控制系统进行研究,推导出了ROV航向闭环控制系统的传递函数。再基于PID算法和Simulink仿真完成了PID控制器的设计。最后,建立模拟闭环仿真系统,对ROV的航向调节控制进行仿真验证,对试验结果和试验数据进行了分析和总结,验证了所使用的控制算法及所设计的PID控制器的可行性。