基于模糊PID水下航行器运动控制研究

作     者：王子含 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：骆晓玲

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：水下航行器 运动控制 模糊逻辑 模糊PID控制 深度控制 

摘      要：遥控有缆水下航行器ROV在水下物体探测、海洋生物观测、油气勘探和救援等方面发挥着重要作用。在水下作业过程中影响ROV运动的因素有很多,如风浪、洋流和水压等。因此在ROV执行各种任务时,其平衡和深度的控制是ROV运动控制研究的主要任务。本文主要对水下航行器进行了控制、建模和仿真方面的优化设计与探讨研究,主要研究内容包括:（1）水下航行器六自由度系统建模。在选取地球固定坐标系和水下航行器坐标系为系统建模参考系的基础上建立水下航行器的运动学和动力学模型。进而推导出做定深运动的深度控制模型,并代入参数值得到简化后的水下航行器深度控制传递函数,为后续的控制和仿真奠定基础。（2）水下航行器控制系统设计。针对水下航行器时变、非线性和强耦合特性的六自由度运动系统,结合能够容错的模糊逻辑思想和PID控制方法,提出了一种模糊PID控制方法,以克服传统PID控制器鲁棒性不强且超调量较大的缺点,使模糊PID控制器达到水下航行器运动控制的暂态和稳态性能要求。（3）水下航行器深度控制仿真及性能检验。利用MATLAB Simulink建立水下航行器深度控制模型,用传统PID控制器和模糊PID控制器对不同定深的深度控制进行仿真,从暂态性能和稳态性能等方面对两种控制器分析比较。仿真结果表明,虽然两种控制器都能使系统趋于稳定,但在暂态性能方面传统PID控制平均超调量为13.36%,而模糊PID控制器平均超调量为6.02%,且在暂态性能方面模糊PID控制比传统PID控制上升时间均有效缩短30%以上,调节时间均有效缩短36%以上,这说明模糊PID控制的稳定性优于传统PID控制。此外通过检验模糊PID控制器的鲁棒性和抗干扰性均进一步证明模糊PID控制器在系统暂态性能和稳态性能方面更优。本文对水下航行器运动控制系统设计与研究具有一定的工程意义和参考价值。