水下機器人運動控制系統設計與實現

2.3 電機與推進器傳遞函數

　　(1) 直流電機傳遞函數

　　一般直流電機的動態特性為慣性環節，其傳遞函數為：

　　系統閉環傳遞函數為：

　　在MATLAB Simulink環境下進行模型搭建，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。反復調整PID參數，獲得了比較理想的響應曲線如圖5所示。

　　從響應曲線可得，系統較快地上升到設定值附近，在經過一個較小的超調后，穩定在設定值。響應時間約為8s左右，能夠滿足對ROV定向控制的要求。

3 航向控制閉環模擬試驗

　　設計如圖6所示的閉環結構對ROV進行航向控制閉環回路的模擬。

　　上位機發送定向設定值120°至PC104，PC104生成推進器的輸出信號。工業控制計算機采集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，經閉環傳遞函數處理后，得到航向輸出量，并在界面上顯示，同時將航向數據由串口發送至PC104的羅經串口，再由PC104采集后，繼續進行數字PID運算，以此實現閉環回路。

　　將采集的4路電壓信號和航向變化來說明航向控制的調節過程，以偏差2°作為間隔，記錄每次數據，實驗數據如表1所示。

　　從表1中數據可得：轉向調節時，4路推進器的輸出電壓所產生的力矩方向一致，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，形成一定超調量，此時航向會繼續增大，在到達頂點后開始下降，并進入振蕩過程，系統經過短時間的振蕩，最后會趨于穩定。模擬實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的運動學模型的建立以及航向控制策略。首先對航向閉環控制系統進行研究，推導出了ROV航向閉環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，建立模擬閉環仿真系統，對ROV的航向調節控制進行仿真驗證，對試驗結果和試驗數據進行了分析和總結，驗證了所使用的控制算法及所設計的PID控制器的可行性。

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