無人水下航行器控制技術研究

摘要

     無人水下航行器是一種具有視覺和感知系統，能夠通過遙控或自主操作方式在水下移動完成某些特定任務的小型自航載體，利用無人水下航行器可以完成深海探測、海洋資源開發以及在軍事上作戰等任務。這就要求無人水下航行器具有高度的自主性、精確的控制和較強跟蹤能力。

論文的研究對象是無人水下航行器，研究的目的在于建立研究對象的數學模型，并針對數學模型進行運動控制策略的研究，為將來的實體控制作理論準備。

    論文從數學模型的思想出發，詳細分析了無人水下航行器的受力情況，建立了無人水下航行器的數學模型，然后對無人水下航行器的運動方程進行分解并利用小擾動原理對數學模型進行了線性化處理。

    PID控制依賴于簡化模型。由于存在無人水下航行器建模誤差,流體動力學參數的不確定和未知洋流的干擾，控制系統必須具有不確定參數的自適應能力。PID控制既有簡單易于實現的優點，又能夠滿足對參數自適應能力的需求，其控制品質對被控對象不太敏感，非常適用于惡劣的工業生產現場PID算法有一套完整的參數整定與設計方法，易于被工程技術人員掌握；許多工業回路中對控制快速性和控制精度不高，而更重視系統的可靠性時，使用PID控制能獲得較高的性價比；長期應用過程中，對PID算法缺陷可以進行改良。

     

關鍵詞：無人水下航行器，數學建模，PID控制

ABSTRACT

...

KEY WORDS:unmanned underwater vehicle, mathematical modeling, PID control

目錄

第一章  緒論1

1.1概述1

1.2無人水下航行器的地位和作用2

1.3無人水下航行器的發展狀況2

1.4無人水下航行器的發展重點與應用前景6

1.4.1無人水下航行器的發展重點6

1.4.2無人水下航行器在軍事上的應用前景7

1.5論文主要研究內容7

第二章 無人水下航行器控制系統的基本原理9

2.1無人水下航行器控制系統的基本原理和組成9

2.2舵機和舵機的回路11

2.2.1舵回路的特點12

2.2.2舵機的類型和差別12

2.2.3對舵機與舵機的回路的要求13

2.3無人水下航行器的運動參數13

2.3.1運動學方程14

2.3.2動力學方程15

2.4無人水下航行器的航向控制系統16

2.4.1無人水下航行器航向控制系統組成16

2.4.2無人水下航行器對航向控制系統的要求17

2.4.3無人水下航行器航向控制系統常用的控制規律18

2.5 無人水下航行器的橫滾控制系統18

2.5.1無人水下航行器產生橫滾的原因18

2.5.2無人水下航行器的橫滾控制系統的組成19

2.5.3無人水下航行器的橫滾控制系統常用的控制規律20

2.6無人水下航行器的深度控制系統20

2.7無人水下航行器的縱傾控制系統22

2.8無人水下航行器控制技術的發展方向23

2.9本章小結24

第三章  無人水下航行器的運動建模25

3.1坐標系的選擇和運動參數的定義25

3.2無人水下航行器的受力分析29

3.2.1無人水下航行器受到的水動力29

3.2.2無人水下航行器受到的浮力32

3.2.3無人水下航行器受到的推力33

3.2.4無人水下航行器受到的重力33

3.3無人水下航行器的數學模型的建立34

3.4 無人水下航行器數學模型的簡化35

3.4.1無人水下航行器運動方程的簡化35

3.4.2小擾動原理36

3.4.3運動方程的線性化37

3.4.4無人水下航行器運動方程的分解38

3.5本章小結39

第4章  無人水下航行器控制策略的研究40

4.1無人水下航行器的PID控制41

4.1.1 PID控制介紹41

4.1.2 PID控制算法研究41

4.1.3 數字PID控制算法42

4.1.4 PID各參數對控制效果的影響43

4.2 PID控制器的各參數的選擇44

4.2.1湊試法44

4.2.2實驗經驗法45

4.2.3 PID控制算法在無人水下航行器上的應用46

4.3 PID控制器的數學模型47

4.3.1數字控制器的數學模型47

4.3.2模擬PID控制器的數學模型49

   4.4無人水下航行器PID控制仿真49

4.5本章小結50

第五章   結論52

參考文獻53

致 謝54

畢業設計小結55