水下机器人运动控制系统设计与实现

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：

　　系统闭环传递函数为：

　　在MATLAB Simulink环境下进行模型搭建，如图3所示。

　　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。

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。

　　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。

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本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第33页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。