无人水下航行器控制技术研究

摘要

     无人水下航行器是一种具有视觉和感知系统，能够通过遥控或自主操作方式在水下移动完成某些特定任务的小型自航载体，利用无人水下航行器可以完成深海探测、海洋资源开发以及在军事上作战等任务。这就要求无人水下航行器具有高度的自主性、精确的控制和较强跟踪能力。

范文的研究对象是无人水下航行器，研究的目的在于建立研究对象的数学模型，并针对数学模型进行运动控制策略的研究，为将来的实体控制作理论准备。

    范文从数学模型的思想出发，详细分析了无人水下航行器的受力情况，建立了无人水下航行器的数学模型，然后对无人水下航行器的运动方程进行分解并利用小扰动原理对数学模型进行了线性化处理。

    PID控制依赖于简化模型。由于存在无人水下航行器建模误差,流体动力学参数的不确定和未知洋流的干扰，控制系统必须具有不确定参数的自适应能力。PID控制既有简单易于实现的优点，又能够满足对参数自适应能力的需求，其控制品质对被控对象不太敏感，非常适用于恶劣的工业生产现场PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于被工程技术人员掌握；许多工业回路中对控制快速性和控制精度不高，而更重视系统的可靠性时，使用PID控制能获得较高的性价比；长期应用过程中，对PID算法缺陷可以进行改良。

     

关键词：无人水下航行器，数学建模，PID控制

ABSTRACT

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

目录

第一章  绪论 1

1.1概述 1

1.2无人水下航行器的地位和作用 2

1.3无人水下航行器的发展状况 2

1.4无人水下航行器的发展重点与应用前景 6

1.4.1无人水下航行器的发展重点 6

1.4.2无人水下航行器在军事上的应用前景 7

1.5范文主要研究内容 7

第二章 无人水下航行器控制系统的基本原理 9

2.1无人水下航行器控制系统的基本原理和组成 9

2.2舵机和舵机的回路 11

2.2.1舵回路的特点 12

2.2.2舵机的类型和差别 12

2.2.3对舵机与舵机的回路的要求 13

2.3无人水下航行器的运动参数 13

2.3.1运动学方程 14

2.3.2动力学方程 15

2.4无人水下航行器的航向控制系统 16

2.4.1无人水下航行器航向控制系统组成 16

2.4.2无人水下航行器对航向控制系统的要求 17

2.4.3无人水下航行器航向控制系统常用的控制规律 18

2.5 无人水下航行器的横滚控制系统 18

2.5.1无人水下航行器产生横滚的原因 18

2.5.2无人水下航行器的横滚控制系统的组成 19

2.5.3无人水下航行器的横滚控制系统常用的控制规律 20

2.6无人水下航行器的深度控制系统 20

2.7无人水下航行器的纵倾控制系统 22

2.8无人水下航行器控制技术的发展方向 23

2.9本章小结 24

第三章  无人水下航行器的运动建模 25

3.1坐标系的选择和运动参数的定义 25

3.2无人水下航行器的受力分析 29

3.2.1无人水下航行器受到的水动力 29

3.2.2无人水下航行器受到的浮力 32

3.2.3无人水下航行器受到的推力 33

3.2.4无人水下航行器受到的重力 33

3.3无人水下航行器的数学模型的建立 34

3.4 无人水下航行器数学模型的简化 35

3.4.1无人水下航行器运动方程的简化 35

3.4.2小扰动原理 36

3.4.3运动方程的线性化 37

3.4.4无人水下航行器运动方程的分解 38

3.5本章小结 39

第4章  无人水下航行器控制策略的研究 40

4.1无人水下航行器的PID控制 41

4.1.1 PID控制介绍 41

4.1.2 PID控制算法研究 41

4.1.3 数字PID控制算法 42

4.1.4 PID各参数对控制效果的影响 43

4.2 PID控制器的各参数的选择 44

4.2.1凑试法 44

4.2.2实验经验法 45

4.2.3 PID控制算法在无人水下航行器上的应用 46

4.3 PID控制器的数学模型 47

4.3.1数字控制器的数学模型 47

4.3.2模拟PID控制器的数学模型 49

   4.4无人水下航行器PID控制仿真 49

4.5本章小结 50

第五章   结论 52

参考文献 53

致 谢 54

文档设计小结 55