AUV横滚控制的研究

作     者：李浩东 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：齐向东

授予年度：2022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：AUV 横滚 PID控制 模糊自适应PID控制 

摘      要：生命起源于海洋,人类繁衍于大地。海洋蕴藏着丰富的可再生资源、生物资源和矿产资源。AUV(Autonomous Underwater Vehicle,自主式水下潜航器)由于其机动性好、隐蔽性强等特点,广泛应用于军事和民用领域,是海洋开发与研究的重要探索工具。对于自主式水下潜航器,稳定性的要求要高于机动性的要求。本文主要研究自主式水下潜航器的横滚控制,以此增强自主式水下潜航器的稳定性,提高自主式水下潜航器的航行性能。首先,本文对一种新型X型四螺旋桨为推进器的AUV在四螺旋桨不同动作时进行了AUV的受力分析,建立坐标系对单一螺旋桨进行几何位置基本描述。通过螺旋桨拉力及拉力力矩、螺旋桨反扭力矩、螺旋桨陀螺力矩等力、力矩方程推导出螺旋桨动力学方程,进而推出四螺旋桨动力学方程,建立了AUV动力舱段模型,并对模型进行简化以便后续使用。之后,对AUV进行了运动控制策略的研究。分析了PID控制器各个环节不同参数对系统稳定性的影响以及螺旋桨不同转速对AUV造成的横滚影响。建立了单横滚变量数学模型,计算得出AUV载体的横滚角传递函数。搭建了AUV载体横滚角PID控制仿真模型,通过调整Kp、Ki、Kd参数值的大小,使系统达到稳定状态。设定不同的横滚初始值,得出不同初始值下的控制效果,最终得出结论:增加PID横滚控制后,AUV横滚有效地控制在两个周期之内,且达到稳定状态所用的时间大幅缩短为1.5s。最后,由于常规的PID控制器三个参数的值被固化,一旦外部环境或系统的工作状态发生了变化,控制效果将大打折扣。因此,在原有PID基础上添加自适应模糊控制优化系统,自动调整三个参数。为验证其效果,建立自适应模糊PID控制器、仿真模型,通过分析仿真结果验证了其优化效果。将此模型与之前的常规PID仿真模型接入同一示波器,设定不同初始值,通过分析仿真结果,最终得出结论:无论初始偏差角多大,加入自适应模糊控制的PID控制器控制效果要好于原始PID控制器。在相同的条件下,自适应模糊PID控制器达到稳定的时间由原来的1.5s缩减成为了1s,振幅为原来的27%,震荡周期由原来的2.5次减小为1次,其控制效果有了明显的改善。