水下機器人運動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.3 電機與推進器傳遞函數(shù)

　　(1) 直流電機傳遞函數(shù)

　　一般直流電機的動態(tài)特性為慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

　　系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

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

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

　　從響應曲線可得，系統(tǒng)較快地上升到設定值附近，在經(jīng)過一個較小的超調(diào)后，穩(wěn)定在設定值。響應時間約為8s左右，能夠滿足對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(jié)構對ROV進行航向控制閉環(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(shù)處理后，得到航向輸出量，并在界面上顯示，同時將航向數(shù)據(jù)由串口發(fā)送至PC104的羅經(jīng)串口，再由PC104采集后，繼續(xù)進行數(shù)字PID運算，以此實現(xiàn)閉環(huán)回路。

　　將采集的4路電壓信號和航向變化來說明航向控制的調(diào)節(jié)過程，以偏差2°作為間隔，記錄每次數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

　　從表1中數(shù)據(jù)可得：轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)時，4路推進器的輸出電壓所產(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°，隨著控制過程的進行，航向偏差由高到低變化，到0之后，形成一定超調(diào)量，此時航向會繼續(xù)增大，在到達頂點后開始下降，并進入振蕩過程，系統(tǒng)經(jīng)過短時間的振蕩，最后會趨于穩(wěn)定。模擬實驗的結(jié)果驗證了控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

　　本文主要研究了ROV的運動學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(tǒng)進行研究，推導出了ROV航向閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。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(tǒng)，對ROV的航向調(diào)節(jié)控制進行仿真驗證，對試驗結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進行了分析和總結(jié)，驗證了所使用的控制算法及所設計的PID控制器的可行性。

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